Materialien:
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Metallplatte
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Zündhölzer
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Brenner
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Zange
Aufbau und Durchführung:
Lege die Zündhölzer in verschiedenen Abständen auf die Metallplatte. Nimm die Metallplatte mit der Zange und halte diese über die Wärmequelle. Mit der Zeit entzünden sich die Zündhölzer.
Theoretischer Input:
Wärme (innere Energie) kann durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung übertragen werden.
Durch die Wärmeleitung wird die Wärme in der Metallplatte zu den Zündhölzer geleitet. Wird die Entzündungstemperatur der Zündhölzer erreicht, beginnen diese zu brennen.
Umsetzung im Unterricht:
Dieses Experiment zeigt eindeutig den Wärmetransport in Metallen. Es dient als Demonstrationsexperiment im Unterricht. Die Schülerinnen und Schüler könnten das Experiment auch selbst durchführen. Allerdings ist dabei auf einen ordnungsgemäßen Umgang mit Feuer zu achten. Dazu wäre eine Einführung über die Gefahren des Experimentierens mit Feuer sinnvoll.
Zusätzlich könnte man den Versuch mit verschiedenen Metallplatten durchführen, die Entzündungszeit messen und beobachten, welche Materialien gut Wärme leiten.
Unterrichtsmaterialien:
Mehrfachverglasung
Lehrplanbezug:
„Experimente zu den verschiedenen Formen der thermischen Energieübertragung planen, durchführen und die Ergebnisse interpretieren (E)“
Materialien:
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2 gleiche Gläser
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4 kleine Scheiben aus Glas
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Butter
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6 gleich kleine Gummistücke (z.B. aus einem Gummischlauch abgeschnitten)
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Heißes Wasser
Aufbau und Durchführung:
Lege auf eine Glasscheibe drei Gummistücke. Lege eine weitere Glasscheibe auf die Gummistücke. Lege wieder drei Gummistücke auf die Glasscheibe und eine weitere Glasscheibe darauf. Dadurch simulieren wir ein Fenster mit dreifacher Verglasung. Nimm zwei kleine Butterstücke (ungefähr gleich groß) und lege eines auf die Dreifachverglasung und eines auf eine einzelne Glasscheibe (Einfachverglasung). Fülle die Gläser mit heißem Wasser und stelle sofort die Dreifachverglasung und die Einfachverglasung auf die Gläser. Beobachte, wo die Butter als erstes schmilzt.
Theoretischer Input:
Wärme (innere Energie) kann durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung übertragen werden.
Bei der Wärmeströmung wird Wärme durch Teilchentransport übertragen. Das bedeutet, dass warme Teilchen sich im Raum bewegen und dadurch die Wärme transportieren. Wärmeströmung findet in Gasen und Flüssigkeiten statt. Der Transport findet von einem Ort mit höherer Temperatur zu einem Ort mit niedrigerer Temperatur statt.
Im Experiment befindet sich zwischen dem Glas und den Glasscheiben Luft. Gase (Luft) sind schlechte Wärmeleiter. Die Wärme wird hauptsächlich durch Wärmeströmung übertragen. Da bei der Mehrfachverglasung weitere Luftschichten entstehen wird die Wärme schlechter übertragen. Die Butter bei der Einfachverglasung beginnt schneller zu schmelzen.
Umsetzung im Unterricht:
Dieser Versuch kann von den Schüler:innen selbstständig durchgeführt werden. Mit dem Experiment wird ein Realitätsbezug hergestellt, und es können Themen wie energiesparendes Bauen behandelt werden.
Unterrichtsmaterialien:
Unterwasservulkan
Lehrplanbezug:
„Experimente zu den verschiedenen Formen der thermischen Energieübertragung planen, durchführen und die Ergebnisse interpretieren (E)“
Materialien:
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Glas- oder Kunststoffwanne
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2 kleine Glasflaschen (sollen stehend in die Glas- oder Kunststoffwanne passen)
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2 verschiedene Lebensmittelfarben
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Heißes, lauwarmes und eiskaltes Wasser (Vorbereitung: Eiswasser)
Aufbau und Durchführung:
Gib in eine Glasflasche Lebensmittelfarbe. Fülle diese Flasche mit heißem Wasser. Gib in die zweite Glasflasche eine andere Lebensmittelfarbe. Fülle diese mit kaltem Wasser (Eiswasser). Fülle die Wanne voll mit lauwarmem Wasser.
Durchgang 1: Lege die Flasche mit dem kalten Wasser in die Wanne und stelle die Flasche mit dem heißen Wasser in die Wanne. Was kann man beobachten?
Durchgang 2: Lege die Flasche mit dem heißen Wasser in die Wanne und stelle die Flasche mit dem kalten Wasser in die Wanne. Was kann man beobachten?
Theoretischer Input:
Die Dichte des Wassers nimmt mit steigender Temperatur ab. Dies liegt daran, dass sich die Wassermoleküle beim Erwärmen schneller bewegen und dadurch 'auseinander' rücken (Teilchenmodell).
Das erhitzte Wasser in der Wanne weist eine geringere Dichte auf als das lauwarme Wasser. Es steigt daher nach oben und sammelt sich an der Oberfläche. Das kalte Wasser hingegen, aufgrund seiner höheren Dichte, sinkt nach unten und setzt sich am Wannenboden ab. Durch diese Bewegung des Wassers wird die Wärme nach oben transportiert, was zu einem Wärmetransport (Wärmeströmung) führt.
Umsetzung im Unterricht:
Dieses Experiment kann als Demonstrationsversuch verwendet werden. Darüber hinaus wäre es möglich, diesen Versuch als Teil eines Stationenbetriebs anzubieten, der Experimente zu den drei Arten des Wärmetransports umfasst.
Unterrichtsmaterialien:
Materialien:
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Eis
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Gasbrenner (Feuerzeug)
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Dreifuß mit Keramikdrahtnetz
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Becherglas (hitzebeständig)
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Thermometer (bis über 100°C)
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Stoppuhr
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Temperatur-Zeit-Tabelle und Stift
Aufbau und Durchführung:
Stelle den Dreifuß mit dem Keramikdrahtnetz über den Gasbrenner. Stelle das Becherglas mit dem Eis auf den Dreifuß. Gib das Thermometer in das Becherglas bis sich die Temperatur nicht mehr ändert. Bereite die Zeit-Temperatur-Tabelle (siehe Unterrichtsmaterialien) für den weiteren Ablauf vor. Die eingependelte Temperatur ist die Starttemperatur und wird bei der Zeit t=0 Sekunden eingetragen. Jetzt wird der Brenner angezündet und die Zeit gestoppt. Die Tabelle (siehe Unterrichtsmaterialien) soll ausgefüllt werden. Es muss nach einer bestimmten Zeit die Temperatur abgelesen werden und in die Tabelle eingetragen werden. Wichtig ist, dass das Thermometer nicht am Boden des Becherglases steht, da sonst die Werte verfälscht werden. Die Zeitabstände werden nach 50 Sekunden größer. Der Brenner soll während des Versuches nicht verändert werden. Die Temperatur wird solang gemessen, bis die Tabelle vollständig ausgefüllt worden ist.
In der Auswertung wird ein Temperatur-Zeit Diagramm erstellt.
Theoretischer Input:
Stoffe können in den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig auftreten und umgewandelt werden. Der Wechsel von fest zu flüssig nennt man schmelzen, von flüssig zu gasförmig kondensieren und von fest direkt zu gasförmig sublimieren. Der Wechsel von gasförmig zu flüssig nennt man kondensieren, von flüssig zu fest erstarren und von gasförmig direkt zu fest resublimieren.
Im Versuch werden der Schmelzvorgang und Verdampfungsvorgang von Eis, Wasser und Wasserdampf sichtbar. Im Temperatur-Zeit Diagramm kann man den Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser erkennen. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, wo Eis beginnt zu schmelzen. Der Siedepunkt ist die Temperatur, wo Wasser beginnt zu verdampfen. Zusätzlich erkennt man, dass während dem Schmelzprozess und Verdampfungsprozess die Temperatur nicht steigt. Sie bleibt bei 0°C oder 100°C. Im Übergang vom festen Zustand in den flüssigen Zustand müssen die Bindungskräfte der Teilchen gelöst werden. Diese benötigte Energie nennt man Schmelzwärme oder Schmelzenergie. Im flüssigen Zustand wirken kleinere Bindungskräfte zwischen den Teilchen. Im Übergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand müssen diese Bindungskräfte (Kohäsionskraft) gelöst werden. Dazu wird die Verdampfungswärme oder Verdampfungsenergie verwendet. Die zugeführte Wärmeenergie wird für das Lösen der Bindungskräfte verwendet, wodurch die Temperatur nicht steigt. Erst wenn der Schmelzprozess oder Verdampfungsprozess zu Ende ist, steigt die Temperatur wieder. Die Schmelzwärme oder Verdampfungswärme sind je nach Stoff oder Material unterschiedlich.
Umsetzung im Unterricht:
Dieser Versuch kann selbstständig von den Lernenden durchgeführt werden. Die Schüler:innen können in Kleingruppen arbeiten. Wichtig ist eine genaue Messung der Daten. Hier könnte man mit Excel und Laptops arbeiten und den Lernenden eine vorgefertigte Tabelle einrichten. Die Schüler:innen müssen nur die Werte eintragen und bekommen ein Temperatur-Zeit Diagramm generiert.
Unterrichtsmaterialien:
Materialien:
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Glasbehälter
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Zuckerwürfel (2x)
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Lebensmittelfarbe (flüssig)
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Wasser
Aufbau und Durchführung:
Fülle den Glasbehälter mit Wasser, sodass eine Wasserhöhe von ca. 1 cm besteht (die Zuckerwürfel sollen nicht ganz unter Wasser sein). Färbe mithilfe der Lebensmittelfarben die Zuckerwürfel in zwei verschiedene Farben ein. Lege die Zuckerwürfel gleichzeitig in das Wasser des Wasserbehälters. Warte ein paar Minuten und beobachte das Geschehen.
Theoretischer Input:
Das Teilchenmodell sagt aus, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen besteht. Eine Eigenschaft dieser Teilchen ist, dass sie ständig in Bewegung sind (außer am absoluten Nullpunkt bei -273,15°C). Die Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Teilchen verschiedener Stoffe. Die Teilchen der verschiedenen Stoffe werden gleichmäßig verteilt. Die Diffusion passiert aufgrund der ständigen Bewegung der Teilchen (Teilchenmodell).
Umsetzung im Unterricht:
Dieser Versuch dient hervorragend als Einführungsversuch in die Thematik des Teilchenmodells. Es zeigt ein schönes Farbenspiel beim selbstständigen Vermischen des Zuckers mit dem Wasser. Deswegen kann dieser Versuch die Motivation der Lernenden steigern. Bei den Lernenden kann durchaus ein "Wow-Effekt" ausgelöst werden.
Unterrichtsmaterialien:
Materialien:
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Messzylinder
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Lineal
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Handykamera
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Zeitmesser (2. Handy)
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Bier (alkoholfrei)
Aufbau und Durchführung:
Bereite das Handy zum Filmen und Zeitmessen vor. Gieß in einem Mal so viel Bier in den Messzylinder bis die Schaumkrone die obere Öffnung erreicht. Film den Versuch über einen Zeitraum von ca. 10 Minuten. Achte darauf, dass das Lineal, die Zeitmessung und der Bierschaumhöhe gut sichtbar ist.
Achtung: Gieß nicht zu viel Bier in den Zylinder, das Bier schäumt ein wenig nach. Füll kein Bier nach, sonst verändert sich die Schaumhöhe. Die Schaumsäule wird von unten und von oben weniger.
Analysiere nun das Video: Schreibe dir die obere und untere Grenze des Bierschaums in einer Tabelle auf. Lese dabei die Grenzen alle 15 Sekunden ab. Berechne die Bierschaumhöhe h.
Auswertung: Trage die Tabelle in Excel ein. Dabei kann die vorgefertigte Excel-Datei (siehe Unterrichtsmaterialien) verwendet werden. Lass dir ein Diagramm zeichnen und lege eine passende Kurve in die Messpunkte (es ist normal, dass nicht alle Punkte genau auf der Kurve liegen).
Theoretischer Input:
Radioaktiver Zerfall ist der spontane Zerfall instabiler Atomkerne unter Aussendung von Strahlung (z. B. Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung), wodurch sie sich in stabilere Kerne umwandeln. Der Zerfall folgt einer Exponentialfunktion, die die verbleibende Menge instabiler Kerne in Abhängigkeit von der Zeit beschreibt.
Ein vergleichbares Konzept lässt sich mit dem Zerfall des Schaums eines frisch gezapften Biers verdeutlichen. Obwohl die Ursachen für das Platzen der Schaumbläschen ganz andere sind als die für den Zerfall radioaktiver Nuklide, können beide Prozesse mathematisch ähnlich beschrieben werden, da auch der Schaum exponentiell abnimmt.
Die Halbwertszeit ist die Zeitspanne, in der die Hälfte der instabilen Atomkerne eines radioaktiven Stoffes zerfällt. Im Experiment lässt sich diese Größe leicht bestimmen, indem man den zeitlichen Verlauf des Bier-Schaums untersucht und grafisch auswertet.
Umsetzung im Unterricht:
Der Versuch kann in Kleingruppen durch selbstständiges Experimentieren durchgeführt werden. Dabei wird der radioaktive Zerfall mit einem schülernahen Gegenstand (z. B. Bier) veranschaulicht. Zusätzlich kann eine Videoanalyse integriert werden, wie in der Durchführung beschrieben, um den Umgang mit digitalen Tools zu fördern. Die Auswertung des Versuchs kann in Excel erfolgen, wodurch eine fächerübergreifende Unterrichtseinheit entsteht und Kompetenzen im Umgang mit Tabellenkalkulationsprogrammen gestärkt werden. Der Versuch kann auch ohne Videoanalyse durchgeführt werden.