Unterrichtsmaterialien zum Thema "Messung"

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Vermessung der Spektren von Energiesparlampen

Unterrichtseinheit

Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität.Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt.Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Mikrogravitation – das Herz einer Kerzenflamme

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler untersuchen mit einem Fallkapselsystem die Veränderungen einer Kerzenflamme, wenn Gravitation in Mikrogravitation übergeht. Sie erstellen Videofilme und werten diese aus.Zu den ersten wissenschaftlichen Experimenten, die unter Mikrogravitationsbedingungen in einer Raumstation durchgeführt wurden, gehörte die Untersuchung einer Kerzenflamme. Ähnliche Experimente können in der Schule auch mit einem Fallkapselsystem durchgeführt werden, dessen Aufbau in dem Beitrag Mikrogravitation - Experimente im freien Fall ausführlich beschrieben wird. Der hier vorgestellte Versuch führt zu überraschenden Ergebnissen bezüglich der Bildung von Rußpartikeln unter den Bedingungen der Mikrogravitation.Wenn Schülerinnen und Schüler im Internet nach Phänomenen der Mikrogravitation suchen, werden sie auf faszinierende Bilder von Kerzenflammen stoßen, die kugelförmig und blau leuchten. Sie können die Entstehung des Phänomens gut verstehen, wenn sie eigene Experimente mit einem Fallkapselsystem durchführen. Zuvor müssen sie die Vorgänge in einer unter normalen Gravitationsbedingungen brennenden Kerze kennen lernen. Bei den Fallexperimenten werden sie im Flammenbereich interessante Strukturen entdecken, die nicht in Lehrbüchern zu finden sind. Sie können die Bildung von Ruß bei Mikrogravitation beobachten. Grundlagen, Ergebnisse und Deutung des Versuchs Videobilder dokumentieren die Veränderungen der Flamme bei Eintritt der Mikrogravitation. Neben der Deutung der Effekte finden Sie hier weiterführende Fragen, die die Lernenden zu eigenständigem Experimentieren anregen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Kerzenflamme vor und nach dem Start der Fallkapsel mit einer Digitalkamera filmen und aus den Videofilmen mit einem Computerprogramm Videobilder extrahieren können. die Struktur einer unter normalen Gravitationsbedingungen leuchtenden Kerzenflamme beschreiben und die Vorgänge in den charakteristischen Flammenzonen darstellen können. die Veränderung der Gestalt der Kerzenflamme beim Übergang zur Mikrogravitation beschreiben und erklären können. die Ursache für die vermehrte Bildung von Rußpartikeln beim Übergang zur Mikrogravitation nennen können. Thema Das Herz einer Kerzenflamme bei Mikrogravitation Autor Dr. Volker Martini Fach Physik Zielgruppe Jahrgangsstufen 9-11 Zeitraum 2 Doppelstunden oder freie Zeiteinteilung außerhalb des Unterrichts Technische Voraussetzungen Mikrogravitation - Experimente im freien Fall mit Digitalkamera; Computerprogramm zum Extrahieren von Videobildern aus einem Videofilm (MAGIX Video deluxe 15 oder vergleichbare Software) Für die Experimente bei Mikrogravitation ist die dunkle Zone, also das "kalte Herz" der Flamme, von besonderem Interesse. Eine Flamme lässt sich grob in drei Zonen gliedern: Eine blau leuchtende Zone (1), eine dunkle Zone (2) und eine weißlich-gelb leuchtende Zone (3). Die blau leuchtende Zone umgibt kelchförmig den unteren Teil der Flamme. Hier wird ein Teil des Paraffins vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid verbrannt. Die dunkle Zone ist gefüllt mit verdampftem Paraffin. Im oberen Teil dieser Zone beginnt infolge des Sauerstoffmangels die Pyrolyse des Paraffins, bei der Kohlenstoffpartikel entstehen. In der weißlich-gelb leuchtenden Zone schreitet die Pyrolyse weiter fort. Die entstehenden Kohlenstoffpartikel glühen und strahlen Licht und Wärme ab. An der Grenze zur umgebenden sauerstoffreichen Luft verbrennen die Kohlenstoffpartikel größtenteils zu Kohlenstoffdioxid. Abb. 2 zeigt das Videobild einer Kerzenflamme, das 0,167 Sekunden nach dem Start des Fallkapselsystems aufgenommen wurde. Man sieht eine kugelförmige Kerzenflamme mit einer kleinen "Krone" aus hell leuchtenden Partikeln, die aus der Flammenkugel herausragt. Dabei handelt es sich um glühende Rußpartikel, die im Zentrum der Kerzenflamme, ihrem "kalten Herz", gebildet wurden. Die Veränderungen der Kerzenflamme sind in Abb. 3 zu sehen. Die Bildserien wurden vor dunklem und vor hellem Hintergrund aufgenommen. Normale Gravitationsbedingungen Vor dem Start hat die Kerzenflamme die vertraute nach oben weisende kegelförmige Gestalt. Die heißen Gase in ihr sind leichter als die umgebende Luft und streben, angetrieben durch die Auftriebskraft, nach oben. Die dabei entstehende Konvektionsströmung versorgt die Flamme mit Sauerstoff aus der umgebenden Luft. Verkürzung der Flamme und Rußbildung Nach dem Start der Fallkapsel wird die Kerzenflamme kugelförmig und dunkler. Mit der Gravitationskraft verschwindet auch die durch sie verursachte Auftriebskraft. Die heißen Gase streben nicht mehr nach oben und die Flamme wird nicht mehr so gut mit Sauerstoff versorgt. Wegen der wegfallenden Konvektion muss der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff durch die viel langsamere Diffusion bereitgestellt werden. Die Temperatur der Kerzenflamme sinkt und fällt unter den für die vollständige Verbrennung von Kohlenstoff notwendigen Mindestwert von 1.000 Grad Celsius. Es bilden sich Partikel aus nicht verbranntem Kohlenstoff. Die Kerzenflamme bildet vermehrt Ruß. Zeitverlauf In den Videobildern von Abb. 3 lässt sich gut verfolgen, wie sich nach dem Start des Fallkapselsystems in der Kerzenflamme relativ große Rußpartikel bilden. Bereits nach 0,1 Sekunden hat sich die helle Flammenzone zurückgebildet. Übrig bleibt die kugelförmige dunkle Zone mit einer aufgesetzten zylindrischen Struktur. Einzelne Partikel lassen sich noch nicht identifizieren. Nach 0,2 Sekunden erscheinen vor dunklem Hintergrund im oberen zylindrischen Teil der Flamme, der sich zum Docht hin kegelförmig erweitert, hell leuchtende, glühende Kohlenstoffpartikel. Ihr Durchmesser liegt in einer Größenordnung von 100 Mikrometern. Vor hellem Hintergrund sind diese Partikel nicht zu sehen. Hingegen erscheinen dort auf dem Mantel der inneren kegelförmigen Struktur dunkle Schleier, die auf kältere Kohlenstoffpartikel hindeuten. Nach 0,3 Sekunden ist die Anzahl leuchtender Partikel deutlich zurückgegangen. Es erscheinen vermehrt größere und dunkle Partikel, die vor hellem Hintergrund besonders gut zu sehen sind. Die Flamme rußt. Die Produktion der Rußpartikel konzentriert sich auf wenige Bereiche der Flamme. Auffallend ist eine in der Mitte der Flamme vom Docht ausgehende schmale Spur besonders großer Partikel. Die folgenden Fragen geben den Schülerinnen und Schülern Anregungen für vertiefende Untersuchungen. Von besonderer Bedeutung sind Fragen, die durch eigenständiges Experimentieren beantwortet werden können: Wie viele dunkle Rußpartikel, die größer als 50 Mikrometer sind, werden beim Fallexperiment gebildet? Welchen Durchmesser hat das größte Rußpartikel? Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich die Rußpartikel nach oben? Welches Bild liefert die Kerzenflamme im Fallversuch, wenn man die Kerze so dreht, dass der Docht nach hinten oder nach vorne weist? In dem Versuch wird eine Kerze aus Paraffin verwendet. Gibt es Unterschiede, wenn man stattdessen Kerzen aus Stearin oder Bienenwachs einsetzt? Neues entdecken So erfahren Schülerinnen und Schüler beispielhaft die unschätzbare Bedeutung von Experimenten, wenn es darum geht, komplexe Vorgänge besser verstehen zu können. Zudem ist die Chance groß, dass sie bei der Untersuchung der Fragen auch auf ganz neue Effekte stoßen.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Mikrogravitation – Wassertropfen auf Kapuzinerkresse

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler entwickeln für ein Fallkapselsystem eine Versuchsanordnung, mit der sie die Bewegung eines auf Kapuzinerkresse lagernden Wassertropfens bei Eintritt von Mikrogravitation untersuchen können. Sie erstellen Videofilme und werten diese aus.Ein Wassertropfen, der auf einem Blatt Kapuzinerkresse lagert, löst sich beim Übergang zur Mikrogravitation von dem Blatt und steigt, in sich schwingend, langsam auf. Die Kapuzinerkresse zeigt einen Lotus-Effekt, der verhindert, dass der Wassertropfen am Blatt haften bleibt. Die Schülerinnen und Schüler können mit einem Fallkapselsystem die unterschiedlichen Phasen der Bewegung detailgenau untersuchen. Mikrogravitations-Experimente können in der Schule mit einem System durchgeführt werden, dessen Aufbau in dem Beitrag Mikrogravitation - Experimente im freien Fall ausführlich beschrieben wird.Besonders faszinierende Phänomene der Mikrogravitation bieten frei im Raum schwebende Flüssigkeiten. Mit dem Fallkapselsystem lässt sich dies besonders gut bei Quecksilber untersuchen, weil sich ein Quecksilbertropfen im Fallexperiment ohne Haftung vom Boden des Aufbewahrungsgefäßes löst und dann frei im Raum schwebt. Allerdings sollten Experimente mit Quecksilber in der Schule vermieden werden. Wesentlich einfacher und absolut ungefährlich sind vergleichbare Versuche mit Wassertropfen. Das Problem, dass bei einem Fallexperiment ein Wassertropfen im Gegensatz zu einem Quecksilbertropfen normalerweise am Untergrund haften bleibt, lässt sich sehr einfach umgehen. Dazu platziert man den Wassertropfen auf einem Blatt der Kapuzinerkresse. Diese Pflanze zeigt den so genannten Lotus-Effekt. Er verhindert, dass Wasser und auch andere Flüssigkeiten an der Blattoberfläche haften, und ist auf eine besondere Oberflächenstruktur zurückzuführen. Aufbau, Ergebnisse und Deutung des Versuchs Videobilder dokumentieren die Veränderungen des Wassertropfens bei Eintritt der Mikrogravitation. Neben der Deutung der Effekte finden Sie hier weiterführende Fragen, die die Lernenden zu eigenständigem Experimentieren anregen. Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Experimentiermodul für die Fallkapsel konstruieren können, mit dem sie die Bewegung eines auf einem Blatt Kapuzinerkresse lagernden Wassertropfens bei Mikrogravitation untersuchen können. die Bewegung des Wassertropfens nach dem Start der Fallkapsel mit einer Digitalkamera filmen können und aus den Videofilmen mit einem Computerprogramm Videobilder extrahieren können. die Verwendung von Kapuzinerkresse als Unterlage für den Tropfen begründen können. die Steigbewegung des Tropfens nach dem Start des Fallkapselsystems mit der Rückbildung seiner elastischen Verformung und der elastischen Verformung der Kapuzinerkresse erklären können. die Bewegung und Verformung des Wassertropfens beim Aufprall des Fallkapselsystems aus der Sicht eines Beobachters in der Fallkapsel beschreiben und erklären können. Thema Bewegung eines Wassertropfens bei Mikrogravitation Autor Dr. Volker Martini Fach Physik Zielgruppe Jahrgangsstufen 9-11 Zeitraum 2 Doppelstunden oder freie Zeiteinteilung außerhalb des Unterrichts Technische Voraussetzungen Mikrogravitation - Experimente im freien Fall mit Digitalkamera; Computerprogramm zum Extrahieren von Videobildern aus einem Videofilm (MAGIX Video deluxe 15 oder vergleichbare Software) Das von den Schülerinnen und Schülern entwickelte Experimentiermodul besteht aus einer einfachen Halterung für das Blatt der Kapuzinerkresse. Auf einem Holzstück wird ein Dichtungsring montiert, der als Unterlage für das Blatt dient. Der Dichtungsring steht etwas über, so dass eine Lücke zwischen Holz und Dichtungsring entsteht. Der Stiel des Blattes wird durch diese Lücke geführt und mit Klebestreifen am Holz fixiert. Dabei entsteht in der Mitte des Blattes eine Mulde, in der der Wassertropfen ausreichend stabil gelagert werden kann. Ausgangssituation Abb. 1 zeigt drei Phasen eines Experiments mit einem gefärbten Wassertropfen. Zunächst liegt der Tropfen im Zentrum des Blattes (a). Er wird durch die Oberflächenspannung zusammengehalten. Die Gravitationskraft drückt ihn gegen das Blatt und gibt ihm die Form eins Ellipsoides, das an der Auflagefläche abgeplattet ist. In der Nähe des Blattes wölbt sich die Oberfläche nach innen, was auf den Lotus-Effekt zurückzuführen ist. Das Blatt der Kapuzinerkresse wird durch das Gewicht des Wassertropfens leicht nach unten gedrückt und elastisch verformt. Start der Fallkapsel Mit dem Start des Kapselsystems wird die Gravitationskraft ausgeschaltet. Der Tropfen zieht sich zusammen und die elastische Verformung des Blattes bildet sich zurück. Beide Effekte führen dazu, dass der Tropfen angehoben wird und einen nach oben gerichteten Impuls erhält. Er löst sich vom Blatt (b) und steigt in der Kapsel mit konstanter Geschwindigkeit nach oben, wobei sich seine Form schwingend verändert. Aufprall der Kapsel Das Fallkapselsystem wird mit dem Aufprall am Boden abrupt gebremst. Aus der Sicht eines imaginären Beobachters in der Kapsel, repräsentiert durch die Digitalkamera, wird in diesem Moment der Wassertropfen sehr stark nach unten beschleunigt. Aus seiner Sicht kann im Vergleich zur kurz zuvor vorherrschenden Mikrogravitation als Ursache Makrogravitation angenommen werden. Sie ist um ein Vielfaches größer als die normale Erdgravitation. Der Wassertropfen prallt schließlich mit Wucht auf das Blatt der Kapuzinerkresse (c). Man sieht, wie der Wassertropfen zu einem dünnen Film auseinandergepresst wird und zur Seite wegspritzt. Die folgenden Fragen geben den Schülerinnen und Schülern Anregungen für vertiefende Untersuchungen. Von besonderer Bedeutung sind Fragen, die durch eigenständiges Experimentieren beantwortet werden können: Wie groß sind Geschwindigkeit und kinetische Energie des aufsteigenden Wassertropfens? Ein anfangs kugelförmiger Wassertropfen wird bei der Lagerung auf dem Blatt der Kapuzinerkresse verformt. Hierbei wird potentielle Energie in Spannungsenergie umgewandelt. Wie groß ist die Spannungsenergie? Wird beim Start des Fallkapselsystems die Spannungsenergie des Wassertropfens vollständig in Bewegungsenergie umgewandelt? Wie groß sind Frequenz und Amplitude der Eigenschwingung des Tropfens? Wie ändern sich diese Größen, wenn man größere Tropfen wählt? Wie ändert sich die Bewegung des Tropfens, wenn man die Viskosität der Flüssigkeit durch Zugabe von Glycerin erhöht? Neues entdecken So erfahren Schülerinnen und Schüler beispielhaft die unschätzbare Bedeutung von Experimenten, wenn es darum geht, komplexe Vorgänge besser verstehen zu können. Zudem ist die Chance groß, dass sie bei der Untersuchung der Fragen auch auf ganz neue Effekte stoßen.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Mikrogravitation – Stahlkugel und Luftblase in Glycerin

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler entwickeln für ein Fallkapselsystem eine Versuchsanordnung, mit der sie die Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin mit und ohne Gravitation untersuchen können. Sie erstellen Videofilme und werten diese aus.Ein ins Wasser gefallener Stein sinkt nach unten, während eine dabei entstehende Luftblase nach oben steigt. Beide Bewegungen werden durch die Gravitationskraft verursacht. Die Auswirkungen, die ein plötzlicher Wegfall der Gravitationskraft auf die Sink- und Steigbewegung von Objekten in Flüssigkeiten hat, können Schülerinnen und Schüler mit einem Fallkapselsystem untersuchen. Als Beispiel wird die Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin betrachtet. Mikrogravitations-Experimente können in der Schule mit einem System durchgeführt werden, dessen Aufbau in dem Beitrag Mikrogravitation - Experimente im freien Fall ausführlich beschrieben wird.Schülerinnen und Schüler verbinden mit dem Begriff Schwerelosigkeit häufig bewegungsloses Schweben im Raum. Dies lässt sich mit dem Fallkapselsystem schwer realisieren, weil frei bewegliche Objekte beim Startvorgang nahezu unvermeidlich einen Impuls erhalten und sich somit im Raum gleichförmig bewegen. Ein bewegungsloser Schwebezustand lässt sich jedoch leicht herstellen, wenn man den Körper in eine Flüssigkeit einbettet, denn dadurch wird der Anfangsimpuls des Objekts durch Reibung schnell abgebaut. Aufbau, Ergebnisse und Deutung des Versuchs Videobilder dokumentieren die Veränderungen des Verhaltens von Stahlkugel und Luftblase bei Eintritt der Mikrogravitation. Neben der Deutung der Effekte finden Sie hier weiterführende Fragen, die die Lernenden zu eigenständigem Experimentieren anregen. Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Experimentiermodul für eine Fallkapsel konstruieren können, mit dem sie die Sinkbewegung einer Stahlkugel und die Steigbewegung einer Luftblase in Glycerin beobachten können. die Bewegung von Luftblase und Stahlkugel vor und nach dem Start der Fallkapsel mit einer Digitalkamera filmen können und aus den Videofilmen mit einem Computerprogramm Videobilder extrahieren können. die Bewegung von Stahlkugel und Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation mit den Kräften der Gravitation, des Auftriebs und der Reibung erklären können. erklären können, warum Stahlkugel und Luftblase bei Mikrogravitation bis zum Stillstand abgebremst werden. Thema Bewegung einer Stahlkugel und einer Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation und bei Mikrogravitation Autor Dr. Volker Martini Fach Physik Zielgruppe Jahrgangsstufen 9-11 Zeitraum 2 Doppelstunden oder freie Zeiteinteilung außerhalb des Unterrichts Technische Voraussetzungen Mikrogravitation - Experimente im freien Fall mit Digitalkamera; Computerprogramm zum Extrahieren von Videobildern aus einem Videofilm (MAGIX Video deluxe 15 oder vergleichbare Software) Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt: Stahlkugel (1), Drahtsperre (2), Glycerin (3), Luftblase (4), Luftkammer (5), Zuflussrohr (6). Das quaderförmige Gefäß aus durchsichtigem Plastik ist mit Glycerin gefüllt. Am Boden befindet sich eine Luftkammer mit zwei röhrenförmigen Öffnungen, von denen eine seitlich und die andere oben angebracht ist. Durch die seitliche Öffnung fließt Glycerin in die Kammer, welches die darin befindliche Luft durch die obere Öffnung drückt. Dort entstehen Luftblasen, die im Glycerin aufsteigen. Die Anzahl der pro Sekunde gebildeten Luftblasen hängt davon ab, wie schnell das Glycerin in die Kammer fließt. Dies lässt sich durch Röhrchen mit verschiedenen Querschnitten regulieren. In den oberen Teil des mit Glycerin gefüllten Gefäßes ragt eine Röhre, durch welche die Stahlkugel fallen kann. Die Röhre ist vor dem Start des Experiments durch einen lose angebrachten Sperrdraht verschlossen. In der Startposition des Fallkapselsystems lässt man Luftblasen im Glycerin aufsteigen und startet die Videokamera. Dann entfernt man den Sperrdraht und die Stahlkugel fällt in das Glycerin. Man wartet noch einen kurzen Moment, bis die Stahlkugel etwa die halbe Strecke im Glycerin zurückgelegt hat und lässt dann das Fallkapselsystem frei fallen. Sinkende Stahlkugel und aufsteigende Luftblase Abb. 2 zeigt Videobilder von Luftblase und Stahlkugel kurz vor und nach dem Start des Fallkapselsystems. Links ist ein Maßstab zu sehen. Auf dem ersten Bild, das 0,6 Sekunden vor dem Start aufgenommen wurde, befinden sich Luftblase und Stahlkugel seitlich gegeneinander versetzt ungefähr in der Bildmitte. Auf den drei folgenden Videobildern, die in einem zeitlichen Abstand von je 0,2 Sekunden aufgenommen wurden, ist zu erkennen, dass die Stahlkugel mit konstanter Geschwindigkeit sinkt. Auch die aufsteigende Luftblase bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Das vierte Bild wurde zum Zeitpunkt des Starts aufgenommen. Vergleicht man dieses Bild mit den beiden folgenden, so sieht man, dass Stahlkugel und Luftblase gleich zu Beginn der einsetzenden Mikrogravitation abrupt gestoppt werden und sich nicht mehr bewegen. Entstehende Luftblase Am unteren Rand der Videobilder sieht man die Austrittsöffnung der Luftkammer mit einer sich neu bildenden Luftblase. Anfangs vergrößert sich die Luftblase gleichmäßig von Bild zu Bild. Nach dem Start des Fallkapselsystems wächst sie schnell an und wird größer als die zuvor aufgestiegenen Luftblasen. Verhalten der Stahlkugel bei normaler Gravitation Nach dem Eintauchen der Stahlkugel in das Glycerin erfährt sie neben der Gravitationskraft eine Auftriebskraft, die ebenfalls auf die Gravitation zurückzuführen ist. Beide entgegengesetzt gerichteten Kräfte wirken in ihrer Summe nach unten. Hinzu kommt eine nach oben gerichtete Reibungskraft, die im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Kräften geschwindigkeitsabhängig ist. Kurz nach dem Eintauchen der Stahlkugel in das Glycerin stellt sich ein Gleichgewicht der Kräfte ein, bei dem die im Experiment beobachtete gleichbleibende Geschwindigkeit erreicht wird. Verhalten der Luftblase in Glycerin bei normaler Gravitation Auch für die aufsteigende Luftblase besteht ein Gleichgewicht zwischen der nach oben wirkenden Auftriebskraft und der diesem Fall nach unten wirkenden Reibungskraft. Die auf die eingeschlossene Luft wirkende Gravitationskraft kann man vernachlässigen. Dies hat zur Folge, dass sich die Luftblase ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Stahlkugel und Luftblase in Glycerin bei Mikrogravitation Nach dem Start des Fallkapselsystems entfallen die Gravitationskraft und die durch sie bedingte Auftriebskraft. Die einzig verbleibende Reibungskraft bremst Stahlkugel und Luftblase schnell ab. Entstehende Luftblase bei Mikrogravitation Die Luftblase, die sich an der Austrittsöffnung der Luftkammer bildet, wächst zunächst gleichmäßig an, weil infolge des hydrostatischen Drucks Glycerin durch die seitliche Öffnung in die Kammer gepresst wird. Die unter erhöhtem Druck stehende Luft tritt durch die obere Öffnung aus, weil hier der hydrostatische Druck wegen der höheren Lage etwas geringer ist als in der seitlichen Öffnung. Nach dem Start des Fallkapselsystems verschwindet mit dem Wegfall der Gravitation auch der hydrostatische Druck im Glycerin. Die in der Luftkammer nach wie vor unter Druck stehende Luft bläht die Luftblase weiter gegen einen geringeren Widerstand auf, der jetzt im Wesentlichen von der Oberflächenspannung des Glycerins herrührt. Wegen der fehlenden Auftriebskraft bewegt sie sich nicht mehr nach oben. Die folgenden Fragen geben den Schülerinnen und Schülern Anregungen für vertiefende Untersuchungen. Von besonderer Bedeutung sind Fragen, die durch eigenständiges Experimentieren beantwortet werden können: Mit welcher Geschwindigkeit sinkt die Stahlkugel? Wie groß ist die Viskosität des verwendeten Glycerins, wenn man das Reibungsgesetz von Stokes zugrunde legt? Welche Temperatur hat das Glycerin? Gilt das Reibungsgesetz von Stokes auch für die Luftblase? Wie ändert sich das Verhalten von Stahlkugel und Luftblase, wenn man das Glycerin mit Wasser verdünnt? Die aufsteigenden Luftblasen verursachen in der Flüssigkeit eine Strömung. Wie lässt sich diese nachweisen? Beeinflusst die Strömung das Sinkverhalten der Stahlkugel? Wie ändert sich die Strömung in der Flüssigkeit beim Übergang zur Mikrogravitation? Verwendet man statt Glycerin Wasser, so sind die Luftblasen kurz nach dem Verlassen der Luftkammer nicht kugelförmig. Welche Formen treten auf und wie ändern sich diese Formen beim Übergang zur Mikrogravitation? Wenn die Luftblasen im Glycerin die Oberfläche erreichen, bilden sich halbkugelförmige Luftblasen, die auf der Oberfläche schwimmen. Was geschieht mit diesen Luftblasen beim Übergang zur Mikrogravitation? Neues entdecken So erfahren Schülerinnen und Schüler beispielhaft die unschätzbare Bedeutung von Experimenten, wenn es darum geht, komplexe Vorgänge besser verstehen zu können. Zudem ist die Chance groß, dass sie bei der Untersuchung der Fragen auch auf ganz neue Effekte stoßen.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II