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Didaktische Grundversuche 3

Einführungsvortrag

Thema

Lernziele

Vorwissen

Experimente

Diskussionsergebnisse

Durchführung der Experimente mit Bewertung

Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Universität Duisburg-Essen FB Physik Didaktik der Physik Berger, Kersting, Lange

SCHULORIENTIERTES EXPERIMENTIEREN

WS 2006/2007

Gruppe B

Bettina Bonnemann Helga Zimbelmann Holger Hess

Ulla Daub Udo Kleinkoenen Zeljko MalinovicBearbeitet von Helga Zimbelmann


Einführungsvortrag

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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

WÄRMELEHRE


Einführungsvortrag

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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Temperatur und Energie

(Thermische Energie und Wärme)

Siedenunter

erhöhtem /vermindertemDruck


Einführungsvortrag

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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Lehrplan Gymnasium

Jahrgangsstufe 6:● Volumen- und Längenänderung● Thermometer und Temperaturmessung● Thermische Energie● Energieübertragung

Jahrgangsstufen 9/10: ● Temperatur und innere Energie

● Aggregatzustandsänderung● Wärmekraftmaschinen

Thema Wärme und Energie ist ein sehr großer Bereich derPhysik. Dieser Bereich wird unter vielen verschiedenenAspekten und in verschiedenen Zusammenhängenintensiv behandelt.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Lehrplan Realschule

Jahrgangsstufen 5/6: Wärmelehre● Temperatur und Temperaturmessung● Flüssigkeiten, feste Körper und Gase werden erwärmt● Die Anomalie des Wassers● Temperatur und Energie

● Wärmeleitung und Wärmedämmung● Die Konvektion● Die Strahlung

Jahrgangsstufen 9/10: Wärmelehre/Wetterkunde ● Wärme und Wetter

● Die Erde in der Strahlung der Sonne● Ozonloch und Treibhauseffekt● Wärmespeicherung● Teilchenbewegung – thermische Energie - Temperatur● Der atmosphärische Luftdruck

● Schmelzen und Erstarren ● Verdunsten – Verdampfen – Kondensieren ● Wolken und Niederschläge ● Das weltweite Wettergeschehen ● Energieumwandlungen ● Motoren und Autos


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Unterrichtsreihe Erwärmen/Abkühlen von Flüssigkeiten

Volumenänderung,

Flüssigkeitsthermometer,

Celsiusskala,

warum Sprinkler platzen,...


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Experiment 3

Sieden unter erhöhtem/vermindertem Druck (Jahrgangsstufe 9)

Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck,...


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Luftdruck – Vakuum – erhöhter/verminderter Druck


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Konvektion – Verdampfen - Dampfdruck


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Experiment 1

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Experimente 1 Sieden unter vermindertem Druck

Geräte/Anordnung

1. Rundkolben, 500 ml2. 2 einfach durchbohrte Stopfen3. Kolbenprober, 100 ml4. Bunsenbrenner5. Gasanschluss6. Rundkolben, 1000 ml7. Glasrohr mit Hahn8. Becherglas, 1000 ml9. Kunststoffschale

Variante 1:Druckerniedrigung mit einemKolbenprober

Der fast vollständig mit heißem Wasser von etwa 90°C gefüllte Rundkolben wird am Stativ befestigt und mit dem Stopfen verschlossen. In der Bohrung des Stopfens befestigt man den Kolbenprober.Der Kolben des Kolbenprobers wird kontinuierlich nach oben gezogen. Dabei beginnt das Wasser zu sieden. Der Kolben wird wieder nach unten bewegt. Das Wasser siedet nicht mehr. Wird der Kolben wieder nach oben bewegt, siedet das Wasser erneut.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


Variante 2: Druckerniedrigung durch Kondensieren

Der zur Hälfte mit Wasser gefüllte Rundkolben wird mit dem Gummistopfen verschlossen, in dem sich das Rohr mit Hahn befindet. Man befestigt den Kolben an einem Stativ und erhitzt das Wasser mit der Gasflamme. Dabei ist der Glashahn geöffnet. Sobald das Wasser siedet, unterbricht man die Zufuhr von Wärme und schließt den Hahn. Der Kolben wird um 180° gedreht, sodass das Glasrohr nach unten zeigt. Unter den Kolben wird die Kunststoffschale gestellt. Durch das Kondensieren entsteht der Unterdruck. Dadurch beginnt das Wasser wieder zu sieden. Diesen Prozess begünstigt man dadurch, dass man kaltes Wasser über den Kolben gießt.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3



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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Experimente 2 Sieden unter erhöhtem Druck

Variante 2:

Der Papin‘sche Topf wird mit 100 ml Wasser gefüllt und mit dem Bunsenbrenner erwärmt. Das Überdruckventil wird durch Verschieben des Massestücks auf den Drehpunkt des Hebels zu auf einen kleinen Druck eingestellt, der Dampfhahn geschlossen und das Thermometer in die Öffnung gebracht. Je größer der vom Manometer angezeigte Druck ist, umso höher ist auch die Temperatur. Wenn sich das Sicherheitsventil öffnet, bleiben trotz weiterer Wärmezufuhr Temperatur und Druck konstant, wobei weiteres Wasser verdampft.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


Variante 1:

Der Rundkolben wird an einem stabilen Stativ befestigt, vollständig mit Wasser gefüllt und mit dem Stopfen verschlossen.In einer Bohrung befindet sich das Thermometer, in der anderen das Glasrohr. Vom Glasrohr aus führt der Schlauch bis zum Trichter nach oben. Der Schlauch wird ebenfalls mit Wasser gefüllt und durch wiederholtes Drücken von allen Luftblasen befreit.Das Wasser im Kolben wird bis zum Sieden erwärmt. In der Nähe des Siedepunktes verfolgt man den Temperaturverlauf. Erst bei etwa 102°C gelangen die Dampfblasen bis an die Wasseroberfläche des Trichters.

Wenig später treibt der Dampf die Wassersäule im Schlauch gewaltsam nach oben. Dabei entweicht ein Dampf-Wasser-Gemisch. Infolge des verringerten Drucks sinkt die Temperatur auf etwa 100°C ab. Danach füllt sich der Schlauch erneut mit Wasser. Die damit verbundene Druckerhöhung bewirkt, dass das Sieden wieder aufhört, usw.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3



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Experiment 1

Experiment 2

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Experimente 3 „Sieden“ gleich „Kochen“?

Die Küche bietet eine Vielzahl von Geräten, bei denen Wärme eine Rolle spielt.

Wie schmeckt es?

- Kochen mit Schnellkochtopf

- Kochen in Vakuum- bzw. Unterdruckdosen

Freie Experimente

Lernziele:

- Fachkenntnisse mit Alltag verbinden

- Beispiele aus dem Alltag durchführen und fachlich erklären


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


In der an den Einführungsvortrag anschließenden Diskussion im Plenum wurde zu folgenden Punkten Stellung genommen:

1. zu fachlichen und didaktischen Aspekten des gewählten Themas und der gewählten Experimente:

– Das Lernziel war/ist unklar. – Allgemeine Warn-Hinweise zu Experimenten:

• zum Sieden unter erhöhtem Druck dürfen keine Glaskolben benutzt werden, wegen „Gefahr des Platzens“

• zum Versuch unter vermindertem Druck (s. Folie 11: Experiment 1, Variante 2)

Wasser darf nur in sehr geringer Menge auf Kolben gegossen werden, sonst sinkt die Temperatur zu schnell

• Bild aus dem Buch zum Experiment „Sieden unter erhöhtem Druck“mit dem Glaskolben (s. Folie 13: Experiment 2, Variante 2) soll nicht als Aufbau-Schema benutzt werden, wegen falscher Zusammenstellung.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


– einige Folien sind überladen, daher ist bei denen, die mit dem Text sind, die Schriftgröße zu klein

– teilweise hätte es etwas weniger detailliert sein können – Beschreibung zu den Experimenten eventuell weglassen

– skeptische Anmerkungen, ob das Kochen mit den Vakuum-Dosen funktioniert

2. zum Vortrag selbst:

– insgesamt sehr anschaulich und ausführlich

– ruhig, souverän vorgetragen, aber auch gegenteiliger Eindruck

– strukturiert, alles verständlich präsentiert

– guter Kontakt zum Publikum

– Beschreibung von Experimenten wegen Überlagerung eventuell aus den Folien rausnehmen und die Versuche nur mündlich

beschreiben


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Allgemeines zur Durchführung der Experimente

Im Vortrag wurden insgesamt 8 Versuche vorgestellt. Wir haben uns für folgende 5 entschieden:

• für Sieden unter vermindertem Druck

V. 1 – Druckerniedrigung mit einem Kolbenprober (s. Folien 10; 20-22)

V. 2 – Druckerniedrigung durch Kondensieren (s. Folien 11; 23, 24)

V. 5 – Druckerniedrigung in der Unterdruckdose (s. Folien 16; 27-29)

• für Sieden unter erhöhtem Druck

V. 3 –Druckerhöhung durch eine Wassersäule (s. Folien 12; 25, 26)

V. 4 – Druckerhöhung in einem Schnellkochtopf (s. Folien 16; 27-29)

Alle diese Versuche sind relativ einfach aufzubauen, nicht zeitaufwändig und können durch Schüler selbst durchgeführt werden. Worauf muss man aber achten:

– bei den Versuchen 1, 2, und 3 muss man darauf achten, dass die Schüler mit Bunsenbrenner vorsichtig umgehen,

– beim Versuch 3 hat man den Effekt eines Geysirs, deswegen soll der Trichter nicht über dem Kolben, sonder seitlich verschoben befestigt werden,

– den Versuch 5 kann man nur durchführen, wenn man Unterdruckdosen verfügt.

– die Versuche 4 und 5 können mit den Fächern Sachunterricht oder Hauswirtschaft kombiniert werden.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Experiment 1 Sieden unter vermindertem Druck

Arbeitsauftrag:

Der Rundkolben wird mit Wasser, ca. 90°C, gefüllt und am Stativ befestigt. Mit Hilfe des Bunsenbrenners wird das Wasser zum Kochen gebracht. Dann wird der Bunsenbrenner abgestellt. Wenn das Wasser nicht mehr kocht, wird die Luft aus dem Rundkolben abgepumpt, indem der Kolben des Kolbenprobers kontinuierlich nach oben gezogen wird. Dabei beginnt das Wasser ohne Wärmezufuhr wieder zu sieden. Der Kolben wird wieder nach unten bewegt. Das Wasser siedet nicht mehr. Wird der Kolbenprober wieder nach oben bewegt, siedet das Wasser erneut.

Versuch 1: Druckerniedrigung mit dem Kolbenprober

Verwendete Geräte: – Rundkolben mit Wasser, 500ml – Bunsenbrenner – 1 einfacher durchbohrter Stopfen – Kolbenprober, 100ml – Stativ – Siedethermometer, 98°C bis 105°C (– Stoffhandschuh)


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Bewertung:

Der Versuch ist leicht und schnell durchführbar, braucht keine komplizierten Geräte und dauert insgesamt ca. 15 Minuten: Während Wasser in einem Wasserkocher erwärmt wird, stellt man das Zubehör auf. Der weitere Vorgang läuft buchstäblich nach dem Arbeitsauftrag ab: wenn das Wasser ca. 90°C heiß ist, füllt man es in den Rundkolben, verschließt ihn mit dem durchbohrten Stopfen und befestigt ihn am Stativ (man soll einen Stoffhandschuh benutzen, da der Kolben zu heiß ist!). Danach steckt man den Kolbenprober ins Loch des Stopfens. Mit Hilfe des Bunsenbrenners wird das Wasser zum Kochen gebracht. Dann wird der Bunsenbrenner abgestellt. Wenn das Wasser nicht mehr kocht, wird die Luft aus dem Rundkolben abgepumpt, in dem der Kolben des Kolbenprobers kontinuierlich nach oben gezogen wird. Dabei beginnt das Wasser – trotz fehlender Wärmezufuhr - wieder zu sieden. Wenn man den Kolbenprober nach unten bewegt, siedet das Wasser nicht mehr. Wird der Kolben wieder nach oben gezogen, siedet das Wasser erneut. Das lässt sich mehrmals wiederholen, bis die Temperatur des Wassers für den Unterdruck zu niedrig geworden ist, bzw. der Unterdruck, den man mit Ziehen des Kolbenprobers nach oben erreichen kann, immer noch zu hoch für die Temperatur des Wassers ist.


Versuch 1: Druckerniedrigung mit dem Kolbenprober


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Zu den Messwerten:– der Druck lässt sich bei diesem Versuch nicht messen,– die Temperatur kann man nur am Ende messen, also wenn das Wasser nicht mehr zum Sieden gebracht werden kann - man macht dafür den Rundkolben endgültig auf. Unser niedrigster Temperaturwert lag bei 96°C. Theoretisch kann man versuchen, die Temperatur des Kolbens von außen zu messen, allerdings hat man in dem Fall keine genaue Werte, was aber diese Möglichkeit nicht ausschließt. – die Zeit des Vorgangs kann man mit jedem beliebigen Uhrzeitmesser aufnehmen: in unserem Fall dauerte es ca. 7 Minuten

Bemerkung: Beim Schulversuch ist es sinnvoll den Rundkolben nicht ganz mit Wasser zu füllen (wie auf dem Bild), da er dann zu wenig Luft enthält und der Prober sich nur mit extremem Kraftaufwand nach oben bewegen lässt.Vorteil bei diesem Versuch ist die außerordentliche Anschaulichkeit des Zusammenhanges vom Druck und Temperatur.


Bewertung:

Da es bei diesem Versuch möglich ist, den Druck mehrmals schnell zu ändern, kann man sehr anschaulich demonstrieren, dass die gleiche Temperatur bei vermindertem Druck zum Sieden des Wassers ausreichend und bei erhöhtem Druck nicht ausreichend ist.

Man zieht den Kolbenprober nach oben und... das Wasser beginnt wieder zu sieden.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Verwendete Geräte:

– Rundkolben (mit Wasser zur Hälfte gefüllt) – Bunsenbrenner – Gummistopfen mit einem Glasrohr mit Hahn – Stativ – Siedethermometer, 98°C bis 105°C (– Stoffhandschuh)


Versuch 2: Druckerniedrigung durch Kondensieren

Arbeitsauftrag:

Der zur Hälfte mit Wasser gefüllte Rundkolben wird mit dem Gummistopfen, in dem sich das Rohr mit Hahn befindet, verschlossen. Man befestigt den Kolben an einem Stativ und erhitzt das Wasser mit der Gasflamme. Dabei ist der Glashahn geöffnet.

Sobald das Wasser siedet, unterbricht man die Zufuhr von Wärme und schließt den Hahn. Der Kolben wird um 180° gedreht, sodass das Glasrohr nach unten zeigt. Unter den Kolben wird die Kunststoffschale gestellt. Durch das Kondensieren entsteht der Unterdruck. Dadurch beginnt das Wasser wieder zu sieden. Diesen Prozess begünstigt man dadurch, dass man kaltes Wasser über den Kolben gießt.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Bewertung:

Der Versuch lässt sich schnell und leicht durchführen, braucht keine komplizierten Geräte und dauert insgesamt ca. 10 Minuten.Im Unterschied zum ersten Versuch wird der Druck nicht abwechselnd erhöht und erniedrigt, sondern immer nur vermindert, durch mehrmaliges Übergießen mit kaltem Wasser.

Die Messwerte sind:– der Druck ist ähnlich wie beim Versuch mit Kolbenprober nicht messbar– die Temperatur kann – wie bei Versuch 1 – nur am Ende gemessen werden (außer, man nimmt einen zweifach durchbohrten Gummistopfen: ein Loch fürs Glasrohr, das zweite für einen Thermometer – was beim ersten Versuch wegen des Kolbenprobers nicht möglich ist). Unser niedrigster Temperaturwert lag bei 96°C – offensichtlich kann man durch Kondensieren nicht einen so tiefen Unterdruckwert erreichen, wie beim Abpumpen mit dem Kolbenprober. – die Zeit – ca. 3 bis 5 Minuten (das Wasser im Rundkolben wird wegen des Übergießens mit kaltem Wasser schneller kalt).Bemerkung:Temperatur und Dauer können jedes mal verschiedene Werte haben wegen:

– unterschiedlicher Wassermenge im Rundkolben (gilt für beide Versuche) – Kraft der Person, die den Kolbenprober betätigt (Versuch1)– Temperatur und Menge des Wassers, mit dem man den Rundkolben

übergießt (Versuch 2)– mit welchem Zeitabstand übergießt man den Kolben (Versuch 2)


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Experimente



Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


Versuch 3: Druckerhöhung durch eine Wassersäule

Verwendete Geräte: – Rundkolben, 500ml, mit weitem Hals – doppelt durchbohrter Stopfen – Siedethermometer, 98°C bis 105°C – Glasrohr, 10 cm – Gummischlauch, 80 cm – großer Trichter – Bunsenbrenner – Stativ

Arbeitsauftrag:

Der Rundkolben wird an einem stabilen Stativ befestigt, vollständig mit Wasser gefüllt und mit dem Stopfen verschlossen.In einer Bohrung befindet sich das Thermometer, in der anderen das Glasrohr. Vom Glasrohr aus führt der Schlauch bis zum Trichter nach oben. Der Schlauch wird ebenfalls mit Wasser gefüllt und durch wiederholtes Drücken von allen Luftblasen befreit.

Das Wasser im Kolben wird bis zum Sieden erwärmt. In der Nähe des Siedepunktes verfolgt man den Temperaturverlauf. Erst bei etwa 102°C gelangen die Dampfblasen bis an die Wasseroberfläche des Trichters.

Wenig später treibt der Dampf die Wassersäule im Schlauch gewaltsam nach oben. Dabei entweicht ein Dampf-Wasser-Gemisch. Infolge des verringerten Drucks sinkt die Temperatur auf etwa 100°C ab. Danach füllt sich der Schlauch erneut mit Wasser. Die damit verbundene Druckerhöhung bewirkt, dass das Sieden wieder aufhört, usw.


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Bewertung:

Dieser Versuch ist, wie die beiden vorherigen auch, anschaulich, einfach und leicht durchführbar. In diesem Fall lässt sich aber auch die Temperaturänderung schon während des Versuches genau messen und daher anschaulich verfolgen. Unser höchster Temperaturwert fürs Sieden lag bei 103°C.

„Unerwünschte Effekte“: Damit das runter laufende Wasser beim Sieden nicht die Flamme des Bunsenbrenners löscht, soll der Trichter nicht direkt über dem Rundkolben, sondern seitlich befestigt werden.


Variante 2:

Anstelle des Papin‘schen Topfs haben wir die Variante mit Schnellkochtopf gewählt (s. Folie 27).


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Experimente 3 „Sieden“ gleich „Kochen“?Freie Experimente

Versuche 4 und 5: Kochen im Schnellkochtopf und in den Unterdruckdosen

Arbeitsauftrag:

Eine Suppe aus vorhandenen Zutaten wird in einem Schnellkochtopf und in einer Unterdruckdose gleichzeitig gekocht, um zu vergleichen, was schneller und energiesparsamer ist. Die Unterdruckdosen benutzt man aber nicht zum Kochen (sie sind weder für Elektro- oder Gasherd noch für Backofen geeignet), sondern nur zum „Weiterkochen“, d.h. Wasser wird im Wasserkocher zum Kochen gebracht, die Dose mit Zutaten wird mit kochendem Wasser gefüllt und verschlossen. Laut Gebrauchsanweisung soll die Suppe, nach dem man die Luft aus der Dose mit der dazugehörigen Pumpe abpumpt, weiter kochen.

Verwendete Geräte:

– Schnellkochtopf – Herdplatte – 2 Unterdruckdosen – Wasserkocher – Vakuumpumpe – 2 Thermometer – 1 Uhr – Fleisch und weitere Zutaten für eine Suppe – Wasser


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Bewertung:

Den Versuch mit Schnellkochtopf mussten wir nach ca. 30 Minuten abbrechen, da Wasser nur bis ungefähr 70°C erwärmt wurde und die Temperatur nicht mehr weiter stieg – offensichtlich war die Herdplatte nicht in Ordnung.


Arbeitsauftrag:

Der Prozess soll noch ca. 10 Minuten dauern. Danach, wenn die Suppe nicht mehr kocht, soll sie fertig sein und man kann die Dose öffnen und die Suppe servieren.Wir wollen überprüfen, ob der Inhalt der Dose wirklich weiter kocht und ob die Zutaten am Ende essbar, also durchgekocht sind. Wir wollen aber den Versuch vertiefen, in dem wir statt einer Dose zwei nehmen und alles gleich machen bis auf das Abpumpen der Luft. Wir wollen prüfen, ob Prozesse in beiden Dosen gleich oder unterschiedlich ablaufen.

Unerdruckdosen:Nach dem wir das kochende Wasser in die Dosen mit Zutaten gefüllt haben, verschlossen wir die beiden Dosen und pumpten aus einer die Luft heraus.

Der Farbunterschied der Inhalte liegt an unterschiedlichen Gewürzen


Einführungsvortrag

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Experimente



Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3

Das Wasser begann wieder zu sieden: man konnte eindeutig die zur Oberfläche treibenden Luftbläschen beobachten und die Zutaten verhielten sich wie beim Kochen. Nach ca. 5-6 Minuten hörte der Prozess auf. Nach dem wir aber die Luft aus der Dose noch weiter abpumpten, siedete die Suppe erneut noch ca. 4-5 Minuten. Weiteres Abpumpen gelang uns nicht mehr.In der anderen Dose lagen die Zutaten unten und Siedeprozesse waren nicht zu bemerken.Nach dem wir den Inhalt der ersten Dose nicht mehr zu Kochen bringen konnten, haben wir die beiden Dosen aufgemacht, die Temperatur gemessen – es waren lediglich 67°C – und probiert, wie die Zutaten schmeckten:Fleisch und Nudeln waren gar, Kartoffeln fast gar. Bei der zweiten Dose aber war nur Fleisch gar.

Der kritische Einwand eines Kollegen, dass die Luftbläschen, die beim Sieden zu beobachten sind, nicht aus der Luft entstehen, sondern aus den Lebensmitteln entwichen. Daher seine „Theorie“: es handelt sich hier nicht um „sieden“. Scheint auf den ersten Blick bereits durch Versuch 1 bei Experiment 1 (s. Folie ) widerlegt worden zu sein. Aber auch dort konnte der Druck nicht gemessen werden, weshalb eine Gegenprobe zu Experiment 3 doch sinnvoll sein könnte.


Bewertung:


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Experiment 1

Experiment 2

Experiment 3


Die Experimente sind der unmittelbaren Lebenswelt der Schüler entnommen, aber zeigen den alltäglichen Vorgang (hier Kochen und Garen) auf eine diesem überlegene Weise „verfremdet“. Sie vermögen deshalb die Erkenntnis zu fördern, dass sich – und zwar unter Zuhilfenahme physikalischer Gesetzmäßigkeiten und kreativen technischen Erfindungsreichtums – elementare Lebensbedürfnisse wie gegartes Essen auch mit wesentlich verringertem Energieeinsatz befriedigen lassen.

Damit tragen sie zu einem lebendigen schülernahen Physikunterricht bei und lassen sich auch hervorragend für die Zusammenarbeit mit anderen Fächern wie Hauswirtschaft oder Technik nutzen.

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