D iplomarbeit May Arnulf DER EINSATZ DES CBL ... - AM BRG Kepler
D iplomarbeit May Arnulf DER EINSATZ DES CBL ... - AM BRG Kepler
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D i p l o m a r b e i t<br />
<strong>May</strong> <strong>Arnulf</strong><br />
<strong>DER</strong> <strong>EINSATZ</strong> <strong>DES</strong> <strong>CBL</strong>-SYSTEMS IM<br />
PHYSIKUNTERRICHT <strong>AM</strong> BEISPIEL WÄRMELEHRE<br />
Zur Erlangung des akademischen Grades eines<br />
Magisters<br />
an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der<br />
Karl-Franzens Universität Graz<br />
Univ. Prof. Dr. Heinz Krenn<br />
Dr. Gerhard Rath<br />
Jänner 2002<br />
INSTITUT FÜR EXPERIMENTALPHYSIK
KARL-FRANZENS UNIVERSITÄT GRAZ<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
VORWORT 4<br />
Die Ausrüstung 5<br />
EINLEITUNG 7<br />
KAPITEL 1 – DIE PROGR<strong>AM</strong>ME UND DIE WEITERVERARBEITUNG 10<br />
Die Programme CHEMBIO und PHYSICS<br />
und die Weiterverarbeitung am TI-92 11<br />
Weiterverarbeitung am Computer 17<br />
Ein selbstgemachtes Programm für das <strong>CBL</strong>: Temperaturmessung über einen Tag 18<br />
KAPITEL 2 – DIE EXPERIMENTE, DIE ARBEITSBLÄTTER 20<br />
DIE EXPERIMENTE 21<br />
Experiment 1 – Kühlen durch Verdunsten 22<br />
Experiment 2 – Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung 25<br />
Experiment 3 – Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur 29<br />
Experiment 4 – Siedepunkterhöhung einer Lösung 33<br />
Experiment 5 – Lösungswärme – Erniedrigung des Gefrierpunktes 36<br />
Experiment 6 – Bestimmung der relativen Luftfeuchte mittels Psychrometer 40<br />
Experiment 7 – Strahlungsabsorption – Modell eines Sonnenkollektors 44<br />
Experiment 8 – Bestimmung der Solarkonstanten 47<br />
Experiment 9 – Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen Sie das Wetter? 51<br />
Experiment 10 – Der Treibhauseffekt 56<br />
DIE ARBEITSBLÄTTER 59<br />
Kühlen durch Verdunsten 60<br />
Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung 62<br />
Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur 64<br />
Siedepunkterhöhung einer Lösung 65
Erniedrigung des Gefrierpunktes 67<br />
Bestimmung der relativen Luftfeuchte 69<br />
Strahlungsabsorption – Modell eines Sonnenkollektors 71<br />
Bestimmung der Solarkonstanten 73<br />
Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen Sie das Wetter? 75<br />
Der Treibhauseffekt 77<br />
KAPITEL 3 – DIDAKTISCHE ANMERKUNGEN 79<br />
Experimente im Physikunterricht 80<br />
Computer im Physikunterricht 82<br />
Derzeitiger Einsatz des TI-92 im Unterricht 86<br />
Die Stunden im <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong> 88<br />
Allgemeine Klassensituation 88<br />
Die erste Stunde<br />
Die zweite Stunde – der erste Versuch:<br />
89<br />
Der Abkühlvorgang - Wärmeübertragung<br />
Die dritte Stunde – <strong>CBL</strong> für alle:<br />
90<br />
Lösungswärme - Gefrierpunktsenkung 91<br />
Kühlen durch Verdunsten – Stunde vier<br />
Die letzte Stunde – Ein Lehrerversuch:<br />
92<br />
Die relative Luftfeuchte 93<br />
Schülerbefragung 94<br />
TI-92 und <strong>CBL</strong> im Unterricht – Erfahrungen und Folgerung 97<br />
LITERATURVERZEICHNIS 101<br />
Quellen und verwendete Links aus dem Internet 102<br />
Formelverzeichnis 102<br />
ANHANG 103<br />
Folien Chembio
Vorwort<br />
Als Lehramtskandidat wollte ich eine D<strong>iplomarbeit</strong> schreiben, die praxisbezogen ist. Gerade<br />
das Thema „Der Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems im Physikunterricht am Beispiel Wärmelehre“ hat<br />
mir die Möglichkeit, einen Teil des Schulstoffes aufzubereiten, geboten. Deshalb habe ich<br />
mich ohne zu zögern für dieses Thema entschieden. Der Einsatz neuer Medien im<br />
Physikunterricht ist ein interessantes Gebiet. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mir ermöglicht<br />
worden, ein neues Medium kennenzulernen. In meiner Schulzeit habe ich nur mit dem TI-30<br />
Erfahrungen gemacht. Doch immer wieder hört man davon, dass neue Rechnergenerationen<br />
im Klassenzimmer Einzug halten. So ist es besonders wichtig, sich früh genug mit solchen<br />
auseinanderzusetzen, wenn man selbst den Schülern einen modernen Physikunterricht bieten<br />
möchte. Im Rahmen der D<strong>iplomarbeit</strong> konnte ich diese Möglichkeit besonders nutzen, und<br />
mir nicht nur den Umgang mit dem neuen Messsystem von Texas Instruments anlernen,<br />
sondern auch den Umgang mit dem Rechner TI-92. Dies ist auch ein wichtiger Aspekt im<br />
Hinblick auf mein Zweitfach, nämlich Mathematik. Man sieht die positiven und negativen<br />
Aspekte, die ein Einsatz verschiedener neuer Medien im Unterricht mit sich bringt. Außerdem<br />
wurde mir die Möglichkeit geboten, den Physikunterricht von Herrn Prof. Dr. Gerhard Rath<br />
am <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong>straße in Graz mitzugestalten. Somit konnte ich erneut Erfahrungen sammeln,<br />
die ich für sehr wichtig halte.<br />
Das Ziel der Arbeit ist, neue Wege und Einsatzmöglichkeiten des mobilen Messsystems von<br />
Texas Instruments aufzuzeigen. Mit diesem Einsatz ist es möglich den Physikunterricht für<br />
Schüler und vor allem mit Schülern interessanter zu gestalten.<br />
Ich möchte mich bei der Firma Texas Instruments bedanken, die mir das Material für diese<br />
D<strong>iplomarbeit</strong>, das <strong>CBL</strong>-System und einen TI-92, zur Verfügung gestellt hat. Außerdem auch<br />
bei Herrn Prof. Dr. Gerhard Rath, bei dem ich nicht nur den Physikunterricht mitgestalten<br />
durfte, sondern der mich auch während dieser Arbeit betreute, ebenso wie Herr Prof. Dr.<br />
Heinz Krenn.
DIE AUSRÜSTUNG<br />
Zu Beginn der Arbeit musste ich mich zunächst einmal um die nötige Ausrüstung kümmern.<br />
Über das Internet habe ich mich mit der Firma Texas Instruments in Verbindung gesetzt. Auf<br />
der Homepage der Firma Texas Instruments http://www.ti.com ist eine eigene Seite<br />
eingerichtet, auf der man Geräte der Firma ausleihen kann<br />
(http://www.ti.com/calc/oesterreich). Dafür muss ein Anforderungsformular ausgefüllt<br />
werden. (http://www.ti.com/calc/oesterreich/leihprogramm-2.htm). Nachdem ich dieses<br />
abgeschickt hatte, wurde mir innerhalb weniger Tage eine komplette Ausrüstung, <strong>CBL</strong>2, TI-<br />
92 und die Standardsensoren „Licht, Spannung und Temperatur“ kostenlos zur Verfügung<br />
gestellt. Mittels eines Botendienstes hat die Ausrüstung den Weg von Brüssel zu mir nach<br />
Graz gefunden. Formulare für den Rücktransport sind beigelegt. Am Ende der Leihdauer<br />
schickt man den Koffer wieder mittels des selben Botendienstes an die Firma zurück.<br />
Nachdem ich die Ausrüstung erhalten habe, habe ich das Glück gehabt, dass in Graz ein<br />
Seminar für Lehrer abgehalten wurde, bei dem einige Versuche mit dem <strong>CBL</strong>-System<br />
durchgeführt wurden. Ich wurde von Herrn Dr. Gerhard Rath davon informiert und ich nahm<br />
am Seminar teil. Damit konnte ich mich schnell an die Arbeitsweise des Messsystems<br />
gewöhnen und die Einarbeitungszeit war relativ kurz. In diesem Seminar habe ich auch die<br />
verschiedenen Einsatzmöglichkeiten kennen gelernt und einen Überblick darüber bekommen,<br />
welche Gebiete für das <strong>CBL</strong>-System bereits aufbereitet waren. Ich habe dabei festgestellt,<br />
dass es eigentlich wenige Experimente gibt, bei denen eine Kombination mehrerer Sensoren<br />
nötig ist. Es gibt sehr viele Sensoren, die man an das <strong>CBL</strong>-System anschließen kann.<br />
Schließlich habe ich mich allerdings auf Versuche mit dem Temperatursensor der<br />
Standardausrüstung beschränkt, weil gerade diese Sensoren am ehesten zur Verfügung stehen.<br />
Nach einigen kurzen Versuchen zu Hause und nachdem ich die Einsatzmöglichkeiten<br />
ausgelotet habe, habe ich begonnen, Experimente zu suchen, deren Durchführung und<br />
Auswertung das <strong>CBL</strong>-System wesentlich erleichtert. Bei der Suche nach Versuchen, bei<br />
denen zwei Temperatursensoren benötigt werden, hat mir das Internet sehr geholfen. Mit<br />
Hilfe einer Suchmaschine, vorwiegend verwendete ich Google (http://www.google.at,<br />
http://www.google.com), stieß ich rasch auf einige interessante Experimente. Hier vor allem<br />
auf die Versuche aus dem Bereich der Meteorologie. Einige andere Experimente waren mir<br />
bereits bekannt, auf Grund zahlreicher Besprechungen bei fachdidaktischen<br />
Lehrveranstaltungen. Die restlichen ergaben sich aus eigenem Interesse. So habe ich mich<br />
schließlich entschieden, zehn Versuche, die ich auch selbst ausprobiert habe, für den<br />
Schulgebrauch aufzubereiten. In dieser Arbeit finden sich nicht nur Versuche aus dem
Bereich der Physik. Einige Versuche können auch fächerübergreifend mit Geographie,<br />
Chemie und Biologie durchgeführt werden. Ich denke hier vor allem an die Experimente 4<br />
und 5 für das Fach Chemie, 6 und 9 für Geographie und 7 für das Fach Biologie.
Einleitung<br />
In der Technik werden heute jede Menge Daten erfasst, die anschließend ausgewertet und<br />
interpretiert werden müssen. Daher ist es ratsam, bereits in der Schule den Jugendlichen den<br />
Umgang mit Messdaten zu lehren.<br />
Ein System, dass sich besonders für den Schulunterricht eignet, ist das <strong>CBL</strong>-System<br />
(Calculator Based Laboratory) von Texas Instruments. Zusammen mit einem Graphikrechner,<br />
vom TI-83 aufwärts, können mit diesem System Messwerte aufgenommen, graphisch<br />
dargestellt und weiterbearbeitet werden. Grundkenntnisse über die Handhabung der Geräte<br />
können schnell erlernt werden. Gerade deshalb stellt der Umgang mit diesem System die<br />
Schüler vor keine großen Schwierigkeiten und bringt ihnen gleichzeitig die heutige<br />
Arbeitsweise der Technik einen Schritt näher.<br />
In dieser Arbeit habe ich mich damit beschäftigt, wie man mit Hilfe des <strong>CBL</strong>-Systems den<br />
Physikunterricht beleben kann. Ich habe mich dem Kapitel Wärmelehre gewidmet und zehn<br />
Versuche zu diesem Thema für den Schulunterricht aufbereitet.<br />
Die Arbeit ist folgendermaßen aufgebaut:<br />
Weil ich bisher nur im <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong>straße in Graz auf Klassen mit dem TI-92 gestoßen bin,<br />
habe ich mich entschieden zu Beginn der Arbeit das Programm, mit dem ich die Versuche<br />
durchgeführt habe, vorzustellen. Diese Programme findet man im Internet auf der Homepage<br />
der Firma Vernier unter http://www.vernier.com/legacy/cbl/progs.html. Ich habe mich bemüht<br />
jeden einzelnen Schritt so genau wie möglich zu beschreiben. Dabei hat mir die mitgelieferte<br />
Software von Texas Instruments, mit der man die Rechnerinhalte auf den Computer<br />
übertragen kann, geholfen. Somit findet sich im ersten Teil der Arbeit eine genaue<br />
Beschreibung für das von der Firma Vernier entwickelte Programm CHEMBIO, mit dem<br />
Versuche aus dem Bereich Chemie und Biologie durchgeführt werden können. Das zweite<br />
Programm, PHYSICS, ist im Prinzip gleich aufgebaut und die Beschreibung kann daher<br />
übernommen werden. Geringe Unterschiede in der Bedienung werden ebenfalls erläutert. Der<br />
eigentliche Unterschied der beiden Programme besteht darin, dass man verschiedene Sensoren<br />
auswählen kann. So ist das Programm CHEMBIO für Versuche aus dem Bereich Chemie und<br />
Biologie konzipiert, während PHYSICS auf Versuche aus dem Bereich der Physik<br />
ausgerichtet ist. Für meine Versuche aus der Wärmelehre ergeben sich aber, wie bereits zuvor<br />
erwähnt, keinerlei Unterschiede. Am Ende von diesem Kapitel beschreibe ich schließlich, wie<br />
man die Daten auf den PC übertragen und in andere Programme einfügen kann.
Will man die Versuche nicht mit einem der Programme durchführen, so kann mit relativ<br />
einfachen Befehlen die <strong>CBL</strong>-Einheit selbst programmiert werden. Dadurch können alle<br />
benötigten Einstellungen bereits vorher programmiert werden, der Schüler braucht nur mehr<br />
das Programm aufrufen und mit der Messung beginnen. Wie so ein Programm aussehen kann,<br />
stelle ich im Anschluss an die Programmbeschreibungen von CHEMBIO und PHYSICS dar.<br />
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Versuchsbeschreibungen und mögliche<br />
Arbeitsblätter. Die Versuche sind so angeordnet, dass sie hintereinander im Physikunterricht<br />
gebracht werden können, sie sind aber allesamt unabhängig voneinander. Bei der Anordnung<br />
der Versuche habe ich mich an das Schulbuch Sexl u.a.: Physik, Bd.2, hpt-Verlag gehalten.<br />
Allein der physikalische Hintergrund der Experimente 4 und 5 ist im Buch bereits früher zu<br />
finden.<br />
Folgende Versuche habe ich durchgeführt und beschrieben:<br />
Experiment 1 - Kühlen durch Verdunsten<br />
Experiment 2 - Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung<br />
Experiment 3 - Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur<br />
Experiment 4 - Siedepunkterhöhung einer Lösung<br />
Experiment 5 - Lösungswärme – Erniedrigung des Gefrierpunktes<br />
Experiment 6 - Bestimmung der relativen Luftfeuchte mittels Psychrometers<br />
Experiment 7 - Strahlenabsorption – Modell eines Sonnenkollektors<br />
Experiment 8 - Bestimmung der Solarkonstanten<br />
Experiment 9 - Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen sie das Wetter<br />
Experiment 10 - Der Treibhauseffekt<br />
Die Versuchsbeschreibungen sind alle gleich aufgebaut. Als Einleitung zu jedem der zehn<br />
Versuche habe ich Fragen aufgeworfen, die mit der Auswertung der Daten am Rechner<br />
beantwortet werden können. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Material, das für die<br />
Durchführung benötigt wird. Im Anschluss habe ich beschrieben, wie man das Experiment<br />
durchführt. Hier kann es natürlich zu Änderungen kommen, wenn von verschiedenen<br />
Anfangsbedingungen (höhere Anfangstemperatur von Wasser, Wassermenge,<br />
Umgebungstemperatur,...) ausgegangen wird. Jedem Versuch sind die Diagramme, die ich bei<br />
der Durchführung erhalten habe, angefügt und sie sind beschrieben. Damit ist es möglich die<br />
Ergebnisse zu vergleichen. Zuletzt folgt die physikalische Betrachtung der Versuche und die<br />
Interpretation der Graphen. Ich habe mich auch hier bemüht, alle vorher aufgeworfenen<br />
Fragen ausführlich zu erklären.
Nachdem das Ziel der Arbeit die Beschreibung der Nutzung des <strong>CBL</strong>-Systems im Unterricht<br />
ist, folgen zu jedem der zehn Versuche Arbeitsblätter. Ich habe sie so gestaltet, dass sie zu<br />
Beginn einen Informationsblock enthalten. Jede Information für den Schüler ist mit dem<br />
Zeichen � versehen. Die Informationen sind so gehalten, dass sie nicht gleich die Antworten<br />
auf die darauf folgenden Fragen beinhalten. Soll der Schüler eine Frage beantworten, so ist<br />
dieser Teil des Arbeitsblattes mit einem Fragezeichen � gekennzeichnet. Die Fragen zielen<br />
dabei auf das Aufstellen von Hypothesen ab, fordern physikalische Überlegungen der Schüler<br />
oder betreffen Bereiche aus dem Leben. Damit sollten die Schüler auch den Bezug zum Alltag<br />
herstellen können. Wenn ein Schüler aufgefordert wird, einen Graphen zu zeichnen, so weist<br />
das Symbol � darauf hin. Rechnungen markieren das Rechnersymbol �, ein Notizblock �<br />
steht dafür, dass die Schüler das Experiment oder den Graphen mit eigenen Worten<br />
beschreiben sollten.<br />
Im dritten Teil der Arbeit folgt eine didaktische Aufarbeitung. Zu Beginn des Abschnitts folgt<br />
ein Abriss über den Einsatz von Experimenten allgemein und über den Einsatz von<br />
Experimenten mit Computern im Physikunterricht. Danach habe ich meine eigenen<br />
Erfahrungen beschrieben. Schließlich habe ich die Möglichkeit gehabt, mit Schülern der 6.b-<br />
Klasse des <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong>straße Graz mit Hilfe von Herrn Dr. Gerhard Rath einige meiner<br />
Experimente durchzuführen und die Arbeitsblätter auszuprobieren. Meine Erfahrungen, die<br />
Beschreibung dieser Unterrichtseinheiten und die Analyse was sich mit dem Einsatz eines<br />
solchen mobilen Messsystems im Physikunterricht ändert, bilden den Schlusspunkt dieser<br />
Arbeit.
1. DIE PROGR<strong>AM</strong>ME UND DIE WEITERVERARBEITUNG
DIE PROGR<strong>AM</strong>ME CHEMBIO UND PHYSICS<br />
UND DIE WEITERVERARBEITUNG <strong>AM</strong> TI-92<br />
Im folgenden Abschnitt werden die Arbeitsschritte, die für jedes Experiment gelten und die<br />
für eine Weiterverarbeitung der Daten benötigt werden, ganz genau erläutert. In der linken<br />
Spalte der Tabelle werden die Screenshots des TI-92 dargestellt, in der rechten Spalte gibt es<br />
Erläuterungen dazu. Bei allen Versuchen habe ich das Programm CHEMBIO verwendet. Die<br />
Versuche können auch mit dem Programm PHYSICS durchgeführt werden. Unterschiede bei<br />
der Bedienung der Programme werden in kursiver Schrift angeführt.<br />
Nachdem das <strong>CBL</strong>-System an den TI-92<br />
angeschlossen worden ist, startet man das<br />
Programm CHEMBIO, indem chembio()<br />
in die Befehlszeile eingegeben und die<br />
Taste ÷ gedrückt wird.<br />
Arbeitet man mit PHYSICS, so gibt man<br />
entsprechend physics() in die Befehlszeile<br />
ein.<br />
Danach wird das Programm, hier<br />
CHEMBIO, gestartet. Das erste Fenster<br />
wird übersprungen, indem man die Taste ÷<br />
drückt.<br />
Anschließend erscheint das Hauptmenü<br />
am Display. Hier können die<br />
Grundeinstellungen vorgenommen<br />
werden. Für die nachfolgenden<br />
Experimente wählt man stets den ersten<br />
Menüpunkt, 1:SET UP PROBES.<br />
Dies erreicht man, indem man entweder ♦<br />
oder ÷ am TI-92 drückt.
Im Programm CHEMBIO folgt die<br />
Aufforderung, die Anzahl der Sensoren<br />
anzugeben, die man verwenden will.<br />
Es gibt die Möglichkeit bis zu drei<br />
Sensoren zu wählen. Dazu gibt man die<br />
Anzahl ein und drückt danach die ÷-Taste.<br />
In den Versuchsbeschreibungen wird die<br />
Anzahl der Sensoren immer angegeben.<br />
Im Programm PHYSICS erscheint ein<br />
vorgegebenes Menü. In dem die Anzahl<br />
ausgewählt werden kann.<br />
Nun werden die Sensoren ausgewählt. Für<br />
die Versuche, die hier beschrieben werden,<br />
wählt man stets 1:TEMPERATURE.<br />
In PHYSICS 6:TEMPERATURE<br />
Danach wird man vom Programm<br />
CHEMBIO aufgefordert, die<br />
Anschlusskanäle der Sensoren einzugeben.<br />
Wird nur ein Sensor benötigt, ist man mit<br />
den Grundeinstellungen fertig, ansonsten<br />
müssen die letzten beiden Schritte<br />
wiederholt werden. Es muss darauf<br />
geachtet werden, dass immer der nächst<br />
höhere Anschlusskanal eingegeben wird.<br />
Ansonsten muss die ganze Auswahl<br />
wiederholt werden.<br />
Im Programm PHYSICS wird man<br />
aufgefordert den Sensor an Kanal 1<br />
anzuschließen. Die Eingabe muss daher<br />
nicht durchgeführt werden.
Anschließend erscheint wieder das<br />
Hauptmenü. Hier wählt man nun den<br />
Programmpunkt 2:COLLECT DATA.<br />
In diesem Untermenü hat man nun die<br />
Möglichkeit die Messungen so<br />
durchzuführen, dass die gemessenen<br />
Werte direkt am TI-92 ablesbar sind,<br />
beziehungsweise beim <strong>CBL</strong> am Display<br />
selbst. Dazu dient der Menüpunkt<br />
1:MONITOR INPUT. Dieser empfiehlt<br />
sich zu Beginn jeder Messung. Damit kann<br />
man leicht überprüfen, ob die<br />
Temperatursensoren die gleiche<br />
Temperatur anzeigen.<br />
Das MONITOR INPUT-Fenster.<br />
Die gemessenen Werte werden direkt<br />
angezeigt. Hier die Temperatur, die an den<br />
Kanälen 1 und 2 gemessen wird.<br />
Wählt man 2:TIME GRAPH, so muss man<br />
die Zeit zwischen den Messungen angeben<br />
(ENTER TIME BETWEEN S<strong>AM</strong>PLES IN<br />
SECONDS). Die kleinste zur Verfügung<br />
stehende Zeiteinheit beträgt dabei 0,1<br />
Sekunden, die größte 1600 Sekunden.<br />
Danach muss die Anzahl der Messungen<br />
bekannt gegeben werden (ENTER NUMBER<br />
OF S<strong>AM</strong>PLES). Im Anschluss daran sieht<br />
man folgendes Bild am TI-92. In diesem<br />
Beispiel werden 100 Messpunkte jeweils<br />
nach einer Sekunde aufgenommen.<br />
Hat man die getroffenen Einstellungen<br />
kontrolliert, so bestätigt man sie mit ÷.<br />
Muss man sie ändern, so wählt man<br />
2:MODIFY SETUP und wiederholt die<br />
Eingabe.
In PHYSICS kann zwischen NON-LIVE<br />
DISPLAY und LIVE DISPLAY gewählt<br />
werden. Für NON-LIVE DISPLAY werden<br />
keine weiteren Einstellungen benötigt. Die<br />
Messung wird einfach durchgeführt. Bei<br />
LIVE DISPLAY muss der Abschnitt der<br />
y-Achse wie folgt gewählt werden.<br />
Bevor die Messung gestartet wird, muss<br />
man die y-Achseneinstellung für den<br />
Graphen treffen. Dazu gibt man die<br />
geringste und die höchste zu erwartende<br />
Temperatur, mit etwas Spielraum, an. yscl<br />
skaliert die y-Achse und setzt im<br />
angegebenen Abstand Marken. Drückt<br />
man die Taste ÷ so beginnt das <strong>CBL</strong>-<br />
System mit den Messungen.<br />
Wenn die Messungen abgeschlossen sind,<br />
zeigt der TI-92 an, in welchen Listen die<br />
Werte abgespeichert sind. Die Zeit ist<br />
immer in der Liste c1 gespeichert. Die<br />
Messwerte werden in den Listen c2, c3<br />
und gegebenenfalls c4 gespeichert. Drückt<br />
man nun ÷, so wird der Zeit-Graph am<br />
Rechner dargestellt.<br />
Mit Hilfe der Cursortasten ≅ kann man den<br />
Graphen abfahren, beziehungsweise<br />
zwischen den Graphen wechseln. Es ist<br />
jetzt möglich, die einzelnen Wertepaare<br />
abzulesen.<br />
In PHYSICS werden die Graphen nur<br />
getrennt dargestellt. Um beide gleichzeitig<br />
zu untersuchen muss das Programm<br />
verlassen werden und die Plots müssen<br />
entsprechend ausgewählt werden.<br />
÷ beendet diese Ansicht. Bevor man zum<br />
Hauptmenü zurückkehrt, wird die<br />
Möglichkeit geboten, das Experiment zu<br />
wiederholen. Wird hier 2:YES gewählt, so<br />
wird das Experiment mit den gleichen<br />
Zeitabständen wiederholt, man hat<br />
allerdings die Möglichkeit die<br />
Achsenabschnitte neu zu wählen.<br />
Mit 1:NO gelangt man wieder ins<br />
Hauptmenü.
Hier können völlig neue Einstellungen<br />
getroffen werden, und neue Versuche<br />
durchgeführt werden.<br />
Die Programme CHEMBIO und<br />
PHYSICS werden beendet, indem man<br />
den Menüpunkt 7:QUIT wählt und mit<br />
das Programm ordnungsgemäß verlässt.<br />
Um die Daten des Experiments zu<br />
speichern oder um diese weiter bearbeiten<br />
zu können, wählt man nun im Menü<br />
APPLICATIONS den Punkt<br />
6:Data/Matrix Editor und im Untermenü<br />
1:Current. Das Menü APPLICATIONS<br />
wird durch drücken der Taste Ο, die sich<br />
links unter den Cursortasten befindet,<br />
geöffnet.<br />
Hier gibt es jetzt die Möglichkeit, die<br />
Messdaten in eine Rechnung einzubinden,<br />
und diese sogleich für alle Wertepaare<br />
auszurechnen.<br />
In diesem Beispiel wurde die Spalte c4 so<br />
programmiert, dass sie jeweils die<br />
Differenz der Spalten c3 und c2 anzeigt.<br />
Im #-Editor, den man durch Drücken von<br />
∞W erreicht, können diejenigen Spalten<br />
ausgewählt werden, die man als Graphen<br />
darstellen will. Die Plots wählt man mit<br />
Hilfe der Taste aus. Ihre Darstellungsart<br />
kann mit ÷ geändert werden. Mit Hilfe der<br />
Funktionen y1, y2,... können<br />
Ausgleichskurven eingegeben und diese<br />
dargestellt werden.<br />
Wurde ein Plot mit ÷ ausgewählt,<br />
erscheint dieses Fenster.<br />
Plot Type wählt die Darstellungsart aus.<br />
Hier ist vor allem die Einstellung xyline<br />
empfehlenswert. Dabei werden alle<br />
Messpunkte mit einer Linie verbunden.<br />
Die Darstellungsart der Messpunkte wählt<br />
man bei Mark aus. Welche Daten<br />
dargestellt werden gibt man im Feld x<br />
bzw. y ein. Zum %-Editor gelangt man mit<br />
der Tastenkombination ∞R.
Weiterverarbeitung am Computer<br />
Im Graphikfenster ( ∞R ) des TI-92 führt<br />
zur Auswahl der Zoom-Funktionen. In<br />
diesem Fenster ist es möglich, geeignete<br />
Stellen des Graphen zu vergrößern und<br />
damit näher zu untersuchen.<br />
Auch im ∃-Editor, ∞E, kann man die<br />
geeigneten Einstellungen vornehmen. Hier<br />
können die genauen Achsenabschnitte für<br />
beide Achsen eingestellt werden.<br />
Die Daten einer Messreihe können am TI-92 gespeichert und immer wieder abgerufen<br />
werden. Der Speicher des TI-92 ist aber begrenzt. Daher empfiehlt es sich, will man die Daten<br />
aufheben, diese auf einen Computer zu übertragen. Auf dem PC können die Daten auch<br />
weiterverarbeitet werden. Hier möchte ich insbesondere auf die Möglichkeit zur<br />
Datenverarbeitung mittels Microsoft Excel hinweisen. Um die Messdaten übertragen zu<br />
können, benötigt man ein Datenübertragungskabel und das Programm TI-GRAPH LINK.<br />
Dieses Programm wird von Microsoft Windows unterstützt. Mit Hilfe dieses Programms<br />
können nicht nur die gespeicherten Variablen übertragen werden, auch Screenshots können<br />
damit gemacht werden.<br />
Um eine Liste oder Matrix zu speichern, ruft<br />
man zuerst im Applications Menü den<br />
Data/Matrix Editor auf und wählt Current.<br />
Mit den Cursor Tasten ≅ wird die Liste, die<br />
gespeichert werden soll, ausgewählt. und<br />
Menüpunkt 2:Save Copy As... ( ∞ S) wählen.<br />
Soll die gesamte Matrix gespeichert werden,<br />
wählt man gleich Speichern.
Durch Drücken der Cursor Taste Β kann der<br />
Variablentyp gewählt werden. Um eine ganze<br />
Liste zu speichern, wählt man List. Wählt<br />
man Data, so werden alle Listen in einer<br />
Matrix gespeichert. Die Variablen können<br />
ruhig im Hauptordner gespeichert werden.<br />
Der Variablenname ist einzugeben. Durch<br />
zweimaliges Drücken der Taste ÷ wird die<br />
Liste am Rechner gespeichert.<br />
Ist der Rechner mit einem Computer verbunden, so wählt man im Programm TI-GRAPH<br />
LINK das Menü Link und Empfangen. Es werden nun alle Variablen angezeigt. Durch<br />
Doppelklicken werden die Variablen ausgewählt, die übertragen werden sollen. Mit Ok<br />
werden die Listen auf den Computer übertragen. Wenn die Verarbeitung der Daten mit<br />
Microsoft Excel erfolgen soll, muss man die Variablen öffnen (Menü Datei, Öffnen) und alle<br />
Punkte, die die Zahlen von den<br />
Dezimalstellen trennen, durch Kommas ersetzen. Dies geschieht am schnellsten, wenn man<br />
im Menü Bearbeiten Ersetzen auswählt. Durch Alles ersetzen werden alle Punkte durch<br />
Kommas ersetzt. Markiert man jetzt die Daten und wählt Bearbeiten, Kopieren, so können die<br />
Daten überall eingefügt werden.
Ein selbstgemachtes Programm für das <strong>CBL</strong>:<br />
Temperaturmessung über einen Tag<br />
Alle Versuche können mit den Programmen CHEMBIO oder PHYSICS durchgeführt werden.<br />
Man kann aber eigene Programme für diese Versuche schreiben. Dazu werden nur wenige<br />
Befehle benötigt. Der Vorteil eines eigenen Programms besteht natürlich darin, dass mit dem<br />
Starten des Programms die Messung einfach durchgeführt werden kann, ohne dass Schüler<br />
Einstellungen vornehmen müssen. Allerdings ist man nicht mehr so flexibel und kann die<br />
Einstellungen nicht jederzeit ändern, sie sind bereits vorgegeben. Ich möchte trotzdem ein<br />
Programm vorstellen, dass sich für die Aufnahme von Zeit-Temperaturkurven eignet.<br />
Dieses Programm würde sich für Experiment 9 eignen.<br />
Wetter()<br />
Programmname; darf höchstens 8 Zeichen lang sein;<br />
Durch Eingabe von wetter() im Home-Fenster des<br />
TI-92 wird das Programm gestartet<br />
Prgm Hier beginnt das Programm<br />
ClrHome:ClrIO Löschen der Bildschirme Home und Programm I/O<br />
Disp ""<br />
Disp " Mit diesem Programm "<br />
Disp " können Sie 24 Stunden lang "<br />
Disp "alle 15 Minuten einen Messwert"<br />
Disp " aufnehmen"<br />
Disp ""<br />
Ist nicht notwendig; dieser Text erscheint, nachdem<br />
das Programm gestartet wurde<br />
Pause Programm wird angehalten, bis ÷ gedrückt wird<br />
ClrHome:ClrIO<br />
ClrGraph:ClrDraw<br />
Löscht alle Bildschirme<br />
set*mode("Graph","Function") Die Modi Graph und Function werden geladen<br />
PlotsOff<br />
FnOff<br />
Send {0}<br />
{1}>sand<br />
Send {1,1,10}<br />
Die Auswahl aller y = Funktionen und Plots wird<br />
aufgehoben<br />
Befehl 0 (All Clear) wird an das <strong>CBL</strong> geschickt.<br />
Alle Einstellungen werden gelöscht<br />
Eine Variable vom Typ List mit dem Namen Sand<br />
wird erzeugt<br />
Befehl an das <strong>CBL</strong>. An Kanal 1 ist ein<br />
Temperatursensor angeschlossen (10)<br />
{2}>wasser Die Liste mit dem Namen Wasser wird erzeugt.
Send {1,2,10}<br />
Disp""<br />
Disp""<br />
Disp "Mit Enter Starten Sie die Messung"<br />
Pause<br />
Befehl an das <strong>CBL</strong>, dass an Kanal 2 ein<br />
Temperatursensor angeschlossen ist.<br />
ClrHome Bildschirm wird gelöscht<br />
Send {3,900,72,0,1}<br />
Send {3,900,72,0,2}<br />
Get sand<br />
Get wasser<br />
Wird am Bildschirm angezeigt. Das Programm wird<br />
angehalten.<br />
Wieder Befehle an das <strong>CBL</strong>.<br />
Alle 900 Sekunden wird eine Messung<br />
durchgeführt. Die Anzahl der Messungen beträgt 72,<br />
für Kanal 1 und 2<br />
Die Messwerte werden in den Listen Sand und<br />
Wasser gespeichert. Sand speichert die Werte von<br />
Kanal 1, Wasser die Messwerte von Kanal 2.<br />
ClrHome:ClrIO Löschen der Bildschirme<br />
NewData Daten,zeit,sand,wasser<br />
NewPlot 1,2,zeit,sand,,,,4<br />
Die Messwerte werden in einer Matrix namens<br />
Daten gespeichert. In der ersten Spalte steht die Zeit,<br />
die zweite beinhaltet die Messwerte von Kanal 1, in<br />
der dritten Spalte stehen die Messwerte von Kanal 2.<br />
Die Variable Daten kann später auf andere Rechner<br />
oder einen Computer übertragen werden.<br />
Ein neuer Plot wird erstellt. Auf der x-Achse werden<br />
die Werte der Liste Zeit, auf der y-Achse die Werte<br />
der Liste Sand aufgetragen. Die Messpunkte werden<br />
als Punkte (4) dargestellt und mit einer Linie (2)<br />
verbunden<br />
NewPlot 2,2,zeit,wasser,,,,5 Die Messpunkte werden als Kreuze (5) dargestellt<br />
ZoomData<br />
Die Window-Einstellungen werden vom Rechner<br />
selbst durchgeführt.<br />
DispG Die Graphen werden dargestellt<br />
PxlText "T [C]",4,4<br />
PxlText "t [S]",80,200<br />
EndPrgm Programmende<br />
Beschriftung der Achsen und Position der Schrift<br />
Damit dieses Programm ausgeführt werden kann, muss vorher die Liste Zeit angelegt werden.<br />
Die Liste Zeit muss 72 Einträge beinhalten. Für dieses Programm wäre es sinnvoll die Zeit in<br />
Sekunden, oder Stunden anzugeben. Die Einträge müssten daher 900, 1800, 2700,... oder<br />
0.25, 0.5, 0.75,... lauten.
2. DIE EXPERIMENTE, DIE ARBEITSBLÄTTER
2.1. DIE EXPERIMENTE
Kühlen durch Verdunsten<br />
Kann man den Abkühlvorgang einer Flüssigkeit beschleunigen? Jeder weiß, dass man eine<br />
heiße Flüssigkeit durch Blasen oder Fächeln abkühlen kann. Ob die Flüssigkeit dadurch<br />
allerdings wirklich schneller an Wärme verliert soll durch diesen Versuch geklärt werden.<br />
Dazu werden zwei Gefäße mit heißem Wasser gefüllt und in diese zwei Temperatursensoren<br />
gegeben. Wird die Messung gestartet, so beginnt man über das Wasser in einem der Gefäße<br />
zu blasen oder fächeln. So sollte es möglich sein, die obige Frage zu beantworten.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Heißes Wasser<br />
Fächer<br />
Zwei gleiche Gefäße<br />
AUFBAU<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Die Temperatursensoren werden in die Gefäße gegeben, das heiße Wasser wird<br />
ebenfalls dazugegeben<br />
! Das Wasser soll die gleiche Temperatur haben, damit die Ergebnisse vergleichbar<br />
werden. Mit einem Wasserkocher wird dies leichter erreicht, als mit heißem Wasser<br />
aus der Leitung.<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
• Starten des Programms CHEMBIO und zwei Temperatursensoren auswählen<br />
• 15 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden reichen für dieses Experiment<br />
• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse<br />
• Starten der Messungen<br />
BEISPIEL<br />
Experiment<br />
1
Temperatur in °C<br />
75<br />
70<br />
65<br />
60<br />
55<br />
Kühlen durch Verdampfen<br />
Nach dem Aufnehmen der Daten zeichnet<br />
der TI-92 folgende Temperaturkurven. Mit<br />
Hilfe des Cursors können die beiden<br />
Kurven abgefahren und die Wertepaare für<br />
Zeit und Temperatur abgelesen werden.<br />
-- CH1 ... einfacher Abkühlvorgang<br />
xx CH2 ... Kühlen durch Verdampfen<br />
Im Data/Matrix Editor ist es möglich, die<br />
Temperaturdifferenz aller Wertepaare zu<br />
bestimmen. Dazu programmiert man die<br />
freie Spalte c4 so, dass sie diese anzeigt. In<br />
diesem Beispiel berechnet sie sich aus<br />
c4 = c3 – c2.<br />
Der Graph der Temperaturdifferenz sieht<br />
folgendermaßen aus. Beginnt man mit dem<br />
Kühlvorgang, so nimmt die Temperatur<br />
sehr stark ab. Am Ende beträgt die<br />
Differenz immerhin fast 4 °C.<br />
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150<br />
Zeit in sec<br />
Kühlen ohne Fächer Kühlen mit Fächer<br />
Auswertung mit Microsoft Excel<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung. Beim Abkühlvorgang verlangsamt sich diese<br />
Molekülbewegung, der Gegenstand gibt Wärme ab. An der Oberfläche einer Flüssigkeit<br />
entwickelt sich Dampf. Es treten stets die schnellsten Flüssigkeitsmoleküle in den darüber<br />
liegenden Dampfraum ein, wodurch sich die Flüssigkeit abkühlt. Es finden viele<br />
Dampfmoleküle den Weg in die Flüssigkeit zurück und bremsen somit den<br />
Abkühlvorgang. Bläst man nun den über der Flüssigkeit liegenden Wasserdampf weg, so<br />
können die schnellen Dampfmoleküle nicht mehr in die Flüssigkeit zurückgelangen.<br />
Somit kühlt die Flüssigkeit schneller ab.<br />
Die Flüssigkeit kühlt sich auf Grund der sogenannten Verdunstungskälte ab. Diesen<br />
Effekt nutzt man auch beim „Vereisen“ oder Schwitzen.
Der Abkühlvorgang –<br />
Wärmeübertragung<br />
Während der Kellner Ihren Kaffee bringt, bittet er Sie zum Telefon. Da Sie Milch zum Kaffee<br />
nehmen, haben Sie zwei Möglichkeiten:<br />
Die Milch gleich hineinzutun, oder wenn Sie wiederkommen.<br />
In welchem Fall bleibt Ihr Kaffee wärmer, wenn die Milch Zimmertemperatur hat?1<br />
Diese Frage soll in diesem Versuch anschaulich geklärt werden. Mit Hilfe des <strong>CBL</strong>-Systems<br />
und zwei Temperatursensoren kann man die beiden Abkühlvorgänge genau beobachten und<br />
anschließend die Frage beantworten.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Kaffee<br />
Milch mit Zimmertemperatur<br />
Zwei gleiche Kaffeetassen<br />
AUFBAU<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Die Temperatursensoren werden in die Tassen gegeben<br />
! Für diesen Versuch eignet sich Filterkaffee sehr gut. Die Anfangstemperaturen sind<br />
dann beinahe gleich.<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
• Starten des Programms CHEMBIO. Bei den Sensoren wählt man, zwei<br />
Temperatursensoren aus.<br />
• Für diesen Versuch ist es ratsam 5 bis 10 Minuten einzuplanen. Die Messwerte sollten<br />
in einem Abstand von 5 Sekunden aufgenommen werden (60 bis 120).<br />
1 Aus Gerthsen Physik, 19.Auflage, S.285<br />
Experiment<br />
2
• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse<br />
ymin? 20 ymax? 80 yscl? 1<br />
• Vor dem Starten der Messung gibt man in beide Tassen gleich viel Kaffee. Nach den<br />
ersten aufgenommen Messwerten, wird in die erste Tasse Milch mit<br />
Zimmertemperatur dazugegeben. Einige Zeit bevor die Messung zu Ende ist, sollte<br />
man auch in die zweite Tasse die Milch dazugeben. Dabei ist zu beachten, dass im<br />
Anschluss daran noch einige Messungen durchgeführt werden sollten, damit die<br />
beiden Graphen gut vergleichbar sind und damit das erwünschte Resultat erkennbar<br />
ist.<br />
BEISPIEL<br />
Ein mögliches Ergebnis, könnte so ein<br />
Graph sein. Deutlich ist zu erkennen, wann<br />
die Milch jeweils dazugegeben wurde.<br />
-- Abkühlvorgang Gemisch<br />
xx Abkühlvorgang Kaffee<br />
Die Spalte c4 wurde so programmiert, dass<br />
sie die Temperaturdifferenz zum<br />
jeweiligen Zeitpunkt angibt (c4 = c3 – c2).<br />
Man sieht, dass einige Messungen<br />
abgewartet werden sollten, damit man von<br />
einer annähernd gleichen<br />
Anfangstemperatur ausgehen kann.<br />
Einmal sieht man sich nun in aller Ruhe<br />
die Graphen der Messungen genauer an<br />
und untersucht nochmals die<br />
Abkühlkurven, ...
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
...oder man bespricht den Graphen der<br />
Temperaturdifferenz. Dazu wird Plot3<br />
x:c1, y:c4 ausgewählt. Dabei muss man<br />
auch im ∃-Fenster die geeigneten<br />
Einstellungen vornehmen!<br />
Wie schnell eine Flüssigkeit abkühlt hängt von ihrer eigenen Temperatur, dem Volumen,<br />
der Oberfläche und der Umgebungstemperatur ab. Bei gleichem Volumen und gleicher<br />
Oberfläche kühlt eine Flüssigkeit umso schneller ab, je größer der Temperaturunterschied<br />
zwischen Flüssigkeit und Umgebung ist. Bei größerer Oberfläche kühlt eine Flüssigkeit<br />
schneller aus.<br />
In diesem Beispiel hat der Kaffee zu Beginn die gleiche Temperatur. Gibt man nun<br />
zimmerwarme Milch in den Kaffee, so verliert nur das Gemisch beziehungsweise nur der<br />
Kaffee Wärme. In der Tasse mit Milch ändert sich das Volumen und die Oberfläche. Die<br />
Oberflächen- und Volumenzunahme ist allerdings sehr klein. Deshalb bleibt der Kaffee<br />
wärmer, in den die Milch zuerst gegeben wird.<br />
Bei der Analyse des Zeit-Temperaturdifferenz-Graphen erkennt man, dass der Graph ein<br />
Gefälle aufweist. Die Flüssigkeit mit der höheren Temperatur gibt also mehr Wärme an<br />
die Umgebung ab, als die kühlere Flüssigkeit. Der Knick zu Beginn des Graphen resultiert<br />
daraus, dass der Kaffee nicht gleichzeitig in die Tassen gegeben wurde. Somit konnten die<br />
beiden Sensoren nicht gleich ansprechen und haben nicht die gleiche Temperatur<br />
angezeigt. Nach der dritten Messung betrug der Temperaturunterschied allerdings nur<br />
mehr 0,2°.
Der Temperatursprung, der beim Zugeben der Milch auftritt, ist nicht gleich groß. Zu<br />
Beginn wird der Kaffee deutlich stärker gekühlt, als gegen Ende der Versuchszeit. Diese<br />
Tatsache kann leicht aus der Richmannschen Mischungsregel abgeleitet werden:<br />
Setzt man für<br />
( T T ) = c m ( T − T )<br />
c1m1 1 m 2 2 m<br />
− [1]<br />
Hier gilt: c1 ....... spezifische Wärmekapazität Kaffee<br />
m1 ...... Masse Kaffee<br />
T1 ....... Temperatur Kaffee<br />
c2 ....... spezifische Wärmekapazität Milch<br />
m2 ...... Masse Milch<br />
T2 ....... Temperatur Milch<br />
Tm ...... Temperatur Gemisch<br />
T m<br />
c1m1T1<br />
+ c2m<br />
2T2<br />
=<br />
c m + c m<br />
1<br />
1<br />
In die obige Formel ein und formt diese nach m T T T − = ∆ 1 um, so erkennt man die direkte<br />
Proportionalität von Wärmeverlust und Ausgangstemperaturen.<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
( T − T )<br />
c2m<br />
2 1 2<br />
∆ T =<br />
c m + c m<br />
Eine praktische Anwendung dieser Ergebnisse ist ein Thermostat. So ist es besser die<br />
Heizung nicht andauernd voll aufgedreht zu lassen. Der Temperaturunterschied zwischen<br />
Außentemperatur und Innentemperatur wäre immer hoch, es würde immer sehr viel<br />
Wärme abgestrahlt werden. Mit Thermostat hingegen verliert man weniger Wärme an die<br />
Umgebung. Es wird daher Energie eingespart.<br />
2<br />
2<br />
2
Kochen im Druckkochtopf –<br />
Erhöhung der Siedetemperatur<br />
In einem Druckkochtopf werden Fleisch und Gemüse schneller gar als in einem „normalen“<br />
Kochtopf. Will man daheim Wasser zum Kochen bringen, so wird einem stets geraten, dass<br />
man doch einen Deckel auf den Kochtopf geben sollte. Denn somit kocht das Wasser<br />
schneller und man spart Zeit und Energie.<br />
In unserem Versuch vergleichen wir nun einmal den Vorgang. Wir bringen einmal Wasser in<br />
einem Kochtopf ohne Deckel zum Kochen, in einem anderen hören wir auf den Rat der<br />
Köchin oder des Kochs, und geben einen Deckel darauf. Die beiden Temperaturkurven sollten<br />
uns anschließend Aufschluss darüber geben, in wie weit das Wasser schneller kocht und<br />
warum in einem Druckkochtopf das Fleisch schneller gar wird. Oder ist dies einfach nur so<br />
überliefert worden und stimmt dies gar nicht?<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Zwei Herdplatten oder Feuerstellen mit gleicher Größe und gleicher Leistung<br />
Zwei Kochtöpfe, die gleiche Größe und gleiches Material haben sollten<br />
! Hat man nur Herdplatten unterschiedlicher Fläche, aber gleicher Leistung, so muss man die<br />
Wassermenge in den Töpfen anpassen. Sie verhält sich gleich wie die Fläche der<br />
Herdplatten zueinander.<br />
AUFBAU<br />
Experiment<br />
3<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Die Temperatursensoren werden in die Kochtöpfe gegeben, ein Topf wird mit einem<br />
Deckel verschlossen.
DURCHFÜHRUNG<br />
• Im Programm CHEMBIO zwei Temperatursensoren auswählen<br />
• ENTER TIME BETWEEN S<strong>AM</strong>PLES IN SECONDS: 10<br />
• ENTER NUMBER OF S<strong>AM</strong>PLES: 60<br />
! Diese Einstellung habe ich für die Erwärmung eines halben Liter Wassers auf einem<br />
Herd mit einer Leistung von 1200 Watt getroffen.<br />
Mit Tauchsiedern kann die Zeitspanne für den Versuch erheblich verkürzt werden!<br />
Das Wasser in den Töpfen wird wahrscheinlich früher zum Sieden gebracht.<br />
Allerdings kann man am Graphen anschließend sehr schön erkennen, dass die<br />
Temperatur beim Sieden konstant bleibt, wenn man das Wasser etwas kochen lässt.<br />
• Beim Wählen der Achsenabschnitte eine erhöhte Siedetemperatur beachten!<br />
ymin? 15 ÷ ymax? 110 ÷ yscl? 1 ÷<br />
• Nachdem die Messung gestartet wurde, werden die beiden Herdplatten eingeschaltet.<br />
Schon nach kurzer Zeit sollte man erkennen, dass das Wasser im verschlossenen Topf<br />
sich schneller erwärmt als im offenen.<br />
BEISPIEL<br />
Dieser Graph zeigt ein mögliches<br />
Ergebnis. Man erkennt hier bereits einen<br />
Unterschied, auf Grund der großen<br />
Differenz von Anfangs- und<br />
Endtemperatur vor Erreichen der<br />
Siedetemperatur eignet er sich aber nicht<br />
wirklich für eine Besprechung. Allerdings<br />
kann man die konstante Siedetemperatur<br />
eindeutig erkennen.<br />
-- Erwärmung des geschlossenen Gefäßes<br />
xx Erwärmung des offenen Gefäßes<br />
Dies ist der Graph, der die<br />
Temperaturdifferenz als Funktion der Zeit<br />
darstellt. Auch hier erkennt man, wann das<br />
Sieden des Wassers einsetzt. Die Differenz<br />
beim Sieden bleibt konstant.
Temperatur in °C<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
40<br />
70<br />
Siedepunkterhöhung<br />
100<br />
130<br />
160<br />
190<br />
Kocht das Wasser im verschlossenen<br />
Gefäß wirklich früher?<br />
Diese Frage lässt sich leichter<br />
beantworten, wenn ein Teil des Graphen<br />
vergrößert dargestellt wird.<br />
220<br />
250<br />
280<br />
Zeit in sec<br />
310<br />
340<br />
370<br />
400<br />
430<br />
460<br />
490<br />
520<br />
Kochen mit Deckel Kochen ohne Deckel<br />
Auswertung mit Microsoft Excel<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Wie man aus den Graphen erkennt, erwärmt sich das Wasser im verschlossenen Gefäß<br />
schneller. Das kommt daher, weil der Wasserdampf nicht entweichen kann und sich die<br />
Flüssigkeit dadurch nicht abkühlt. Dieser Effekt ist in einem Druckkochtopf, der dicht<br />
verschlossen wird, größer. In diesem Experiment entweicht ein Teil des Dampfes, da die<br />
Zuführungsleitungen des Temperatursensors genug Platz lassen, sodass der Dampf<br />
entweichen kann. Dennoch erkennt man den Effekt, der aber etwas geringer ausfällt.<br />
Wie kommt es zur erhöhten Siedetemperatur?<br />
Eine Flüssigkeit siedet, wenn der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem darauf lastenden<br />
Gesamtdruck wird. Kocht man Wasser, so ist der darauf lastende Druck natürlich der<br />
Luftdruck. Weil der Wasserdampf wegen des Deckels nicht entweichen kann, vergrößert<br />
sich der Druck, der auf das Wasser wirkt. Damit der Wasserdampf entweichen kann, muss<br />
er auch die Kraft aufbringen, um den Deckel zu heben.
Verwendet man zum Kochen einen normalen Kochtopf, so hebt der Wasserdampf den<br />
Deckel, sobald der Druck im Inneren groß genug wird. Bei einem Druckkochtopf gibt es<br />
ein Überdruckventil, durch das der Wasserdampf entweichen kann.<br />
Wie man an der Auswertung des Beispiels erkennen kann, beginnt das Wasser im<br />
verschlossenen Gefäß auch früher zu Sieden. Der Volksmund hat also recht. Es ist besser,<br />
Wasser in einem verschlossenen Gefäß zum Kochen zu bringen.
Siedepunkterhöhung<br />
einer Lösung<br />
Eine Lösung hat einen höheren Siedepunkt als das reine Lösungsmittel. Dabei hängt die<br />
Erhöhung des Siedepunktes von der Konzentration der Lösung ab. Dies lässt sich mit Hilfe<br />
des TI-92 und des <strong>CBL</strong>-Systems sehr deutlich zeigen. Man verwendet hiefür zwei Gefäße und<br />
zwei Temperatursensoren. In eines der Gefäße gibt man Wasser, ins zweite eine<br />
Kochsalzlösung oder Zuckerlösung. Je höher die Konzentration der Lösung ist, desto<br />
deutlicher erkennt man die Siedepunkterhöhung.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Zwei Gefäße gleicher Größe und von gleichem Material<br />
Zwei Feuerstellen mit gleicher Leistung<br />
Kochsalz, Zucker<br />
AUFBAU<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Die Gefäße werden mit der gleichen Menge Wasser bzw. der Lösung gefüllt, die<br />
Sensoren in die Gefäße gegeben<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
• Einstellungen im Programm CHEMBIO vornehmen<br />
Experiment<br />
4<br />
• 60 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden eignen sich für dieses Experiment<br />
sehr gut. Das Wasser und die Lösung wird, bei entsprechender Menge, allerdings<br />
früher zu sieden beginnen. Daher kann man in diesem Fall die Zeitspanne auch<br />
verkürzen. Belässt man die Dauer des Experiments allerdings bei 10 Minuten, so<br />
erkennt man die konstante Temperatur, die beim Sieden gehalten wird, aus dem<br />
Graphen.<br />
• Nachdem die Achsenabschnitte bestimmt wurden - Siedetemperatur bei der Lösung<br />
über 100 °C beachten – startet man die Messung. Erst nach den ersten beiden
BEISPIEL<br />
Messungen sollten die Feuerstellen in Betrieb genommen werden. Dadurch erreicht<br />
man, dass die selbe Anfangstemperatur angezeigt wird und die Graphen leichter<br />
vergleichbar sind.<br />
In diesem Versuch wurde 500g Wasser<br />
und die entsprechende Menge einer 10%igen<br />
Kochsalzlösung erwärmt. Man<br />
erkennt bereits hier ganz deutlich die<br />
höhere Siedetemperatur der Salzlösung.<br />
-- Lösung<br />
xx Wasser<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Die Temperaturdifferenz. Die Lösung<br />
erwärmt sich viel schneller, beim Sieden<br />
bleibt die Differenz konstant.<br />
Verantwortlich für die Siedepunkterhöhung in einer Lösung ist der osmotische Druck.<br />
Dies ist jener Druck, den die in der Lösung befindlichen Moleküle des gelösten Stoffes<br />
auf eine für sie undurchlässige Membran ausüben.<br />
Für eine ideale Lösung gilt die Zustandsgleichung idealer Gase. Nach van’t Hoff gilt<br />
νRT<br />
daher: posm = [2]<br />
V<br />
Löst man 20g Zucker ( 12H<br />
22O11<br />
)<br />
Für 20g Kochsalz ( )<br />
C in einem Liter Wasser, so erhält man p ≈ 1,<br />
5 bar .<br />
NaCl in einem Liter Wasser allerdings p ≈ 8,<br />
6 bar .<br />
Aufgrund des osmotischen Drucks kommt es zu einer Dampfdrucksenkung der Lösung,<br />
die von der Dichte der Flüssigkeit, der Konzentration und Molmasse des gelösten Stoffes<br />
abhängt.<br />
osm<br />
µ<br />
∆ p = p c<br />
[2]<br />
ρ<br />
Fl<br />
osm
p......<br />
Dampfdruck<br />
µ ...... Molmasse<br />
ρ Fl<br />
...<br />
Dichte der Flüssigkeit<br />
c.......<br />
Konzentration<br />
Die Dampfdrucksenkung bewirkt nun eine Siedepunkterhöhung. Sie ist von der molaren<br />
Konzentration abhängig und berechnet sich aus:<br />
m......<br />
Masse des gelösten Stoffes<br />
m<br />
M<br />
F<br />
... Masse des Lösungsmittels<br />
r<br />
m<br />
∆ T = E<br />
[3]<br />
m<br />
F M r<br />
3<br />
E...... ebullioskopische<br />
Konstante; für Wasser 0,<br />
51⋅10<br />
K<br />
... relative Molekülmasse<br />
des gelösten Stoffes<br />
Die nebenstehende Grafik 2 zeigt den<br />
Zusammenhang zwischen Dampfdrucksenkung<br />
und der Siedepunkterhöhung. Bei gleichem<br />
äußeren Druck siedet die Lösung später.<br />
__ Dampfdruckkurve Lösungsmittel<br />
--- Dampfdruckkurve Lösung<br />
Die obigen Diagramme zeigen auch, dass sich die Lösung viel schneller erwärmt, als das<br />
Wasser. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4200 Jkg -1 K -1 , die von<br />
Kochsalz hingegen nur 867 Jkg -1 K -1 . Somit wird die spezifische Wärmekapazität der<br />
Kochsalzlösung ebenfalls niedriger, die Lösung erwärmt sich dadurch schneller.<br />
Bei diesem Versuch muss man berücksichtigen, dass gleich viel Wasser wie Lösung<br />
verwendet worden ist. Beim Kochen gibt man zur gleichen Menge Wasser das Salz noch<br />
dazu. Daher muss das Salz erst zum Schluss zum Wasser gegeben werden, wenn der<br />
Kochvorgang beschleunigt werden soll.<br />
2 Aus: Vogel, Gerthsen Physik, 19. Auflage, S. 277
Lösungswärme –<br />
Erniedrigung des Gefrierpunktes<br />
Warum wird im Winter Salz auf verschneite Strassen aufgebracht? Wie funktionieren<br />
Kühlflüssigkeiten in der Technik und im Tierreich?<br />
In diesem Experiment soll diese Frage beantwortet werden. Mit Hilfe eines<br />
Temperatursensors und dem <strong>CBL</strong>-System kann man eine Reihe von Experimenten<br />
durchführen, die zeigen, dass ein Lösungsmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt, als<br />
die reine Flüssigkeit.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Ein Temperatursensor<br />
Gefäß<br />
Salz, Zucker<br />
Eis, Schnee<br />
AUFBAU<br />
• Der Temperatursensor wird am Kanal CH1 des <strong>CBL</strong> Systems angeschlossen<br />
• Das Eis wird in das Gefäß gegeben, der Temperatursensor ebenso<br />
! Eiswürfel zerschlagen! Noch besser eignet sich Schnee für dieses Experiment<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
• Für dieses Experiment wird nur ein Temperatursensor benötigt. Daher auch bei der<br />
Auswahl im Programm CHEMBIO darauf achten!<br />
! Im Fenster MONITOR INPUT kann überprüft werden, ob der Sensor eine<br />
Temperatur von 0° C anzeigt.<br />
• 40 Messwerte, die alle 5 Sekunden aufgenommen werden, liefern bereits gute<br />
Ergebnisse<br />
• Eine mögliche Auswahl des y-Achsenabschnitts<br />
ymin? -15 ymax? 10 yscl? .5<br />
Experiment<br />
5<br />
• Starten der Messung. Erst nach den ersten Messungen das Salz oder den Zucker zum<br />
Eis geben. Anschließend wird der Stoff im Lösungsmittel durch ständiges Rühren<br />
gelöst.
BEISPIEL<br />
Dieser Graph zeigt den Temperaturverlauf,<br />
einer 60g Eis und 20g Kochsalz Mischung.<br />
Man erkennt deutlich den<br />
Temperaturanstieg, wenn man das Salz<br />
zum Eis gibt, und wie anschließend die<br />
Temperatur im Gemisch auf –12,2 °C<br />
absinkt. Dabei hat sich allerdings nicht der<br />
ganze Stoff aufgelöst.<br />
Der Verlauf der Temperatur bei einem<br />
Gemisch von 60g Eis mit 10g Kochsalz ist<br />
ähnlich. Da sich das Salz vollständig<br />
aufgelöst hat, werden hier schneller tiefere<br />
Temperaturen als beim obigen Versuch<br />
erreicht. Nach dem Auflösen des Salzes<br />
stellt sich eine konstante Temperatur ein.<br />
Zum Vergleich sieht man nun den<br />
Temperaturverlauf in einer 60g Eis und<br />
20g Zucker Lösung. Auch hier kommt es<br />
zu einer Gefrierpunktsenkung, die nicht so<br />
drastisch ausfällt. Der Grund ist die<br />
größere molare Masse von Zucker.
Temperatur in °C<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
5<br />
20<br />
Lösungswärme - Gefrierpunktsenkung<br />
35<br />
50<br />
65<br />
80<br />
95<br />
110<br />
125<br />
Zeit in sec<br />
Salzlösung Zuckerlösung<br />
140<br />
Auswertung mit Microsoft Excel<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Die obigen Diagramme zeigen zu Beginn alle einen Temperaturanstieg, nachdem der zu<br />
lösende Stoff in das Eis gegeben wurde. Dieser Anstieg resultiert daraus, dass die<br />
Stoffmenge im Verhältnis zum Eis sehr groß gewesen ist und das Salz oder der Zucker<br />
Zimmertemperatur hatten. Der Anstieg im „Zucker“-Diagramm ist nur scheinbar höher.<br />
Da Zucker eine niedrigere Lösungswärme besitzt, scheint hier der Anstieg höher<br />
auszufallen, weil der TI-92 das ganze Graphikfenster für das Diagramm ausnutzt.<br />
Für die Gefrierpunktsenkung ist wiederum die Dampfdrucksenkung auf Grund des<br />
osmotischen Drucks verantwortlich. Der Zusammenhang zwischen Dampfdrucksenkung<br />
und osmotischem Druck wurde bereits im vorigen Experiment beschrieben. Die<br />
Temperaturerniedrigung errechnet sich nun ähnlich:<br />
M<br />
...Masse<br />
F M r<br />
m.....<br />
Masse des gelösten Stoffes<br />
mF<br />
r<br />
155<br />
170<br />
185<br />
200<br />
m<br />
∆ T = K<br />
[4]<br />
m<br />
3<br />
K..... kryptonische<br />
Konstante; für Wasser −1,<br />
86 ⋅10<br />
K<br />
des Lösungsmittels<br />
... relative Molekülmasse<br />
des gelösten Stoffes
In diesem Versuch misst man eigentlich die Lösungswärme. Zum Lösen des Kochsalzes,<br />
beziehungsweise des Zuckers, wird Energie benötigt. Diese Energie wird dem Eis entzogen,<br />
es kühlt sich infolge dessen ab. Da das Eis dabei aber auch schmilzt, erkennt man, dass es<br />
auch zu einer Gefrierpunktsenkung der Lösung kommen muss. Wie die obige Formel zeigt,<br />
hängt die Gefrierpunktsenkung, wie auch die Siedepunkterhöhung, von der Konzentration und<br />
der molaren Masse des gelösten Stoffes ab.<br />
Eine der wichtigsten Anwendungen, bei denen die Gefrierpunktsenkung eine Rolle spielt, ist<br />
die Salzstreuung im Winter. Das Salz, das auf die Strasse aufgebracht wird, bringt das Eis<br />
zum Schmelzen. Das Wasser rinnt von der Strasse ab womit diese nicht mehr vereisen kann.<br />
Variiert man die Menge des Salzes, so kann man erkennen, dass die Salzstreuung nur bis zu<br />
einer gewissen Temperatur funktionieren kann. Diese beträgt für Kochsalz ungefähr minus 8<br />
°Celsius. Weitere Verwendung findet auch Calziumchlorid und Magnesiumchlorid.<br />
Magnesiumchlorid kann bis zu einer Temperatur von –20 °C verwendet werden.<br />
Auch der Schmelzpunkt von Legierungen liegt meist tiefer als der niedrigste Schmelzpunkt<br />
der Bestandteile. Als Beispiel nenne ich hier das Rosesche Metall [5], eine Legierung aus<br />
Bismut, Blei und Zinn. Ihr Schmelzpunkt liegt bei 94 °C, während Bismut bei 271 °C, Blei<br />
bei 327 °C und Zinn bei 232 °C schmilzt.
Bestimmung der relativen Luftfeuchte<br />
mittels Psychrometer<br />
In diesem Versuch geht es darum, mittels zweier Thermometer die relative Luftfeuchte zu<br />
bestimmen. Dabei wird der aktuelle Dampfdruck der Luft gemessen, in dem man um eines<br />
der beiden Thermometer ein befeuchtetes Tuch wickelt und beide Thermometer in einen<br />
Luftstrom hält. Durch die Verdunstungskälte zeigt das feuchte Thermometer eine niedrigere<br />
Temperatur an. Der aktuelle Dampfdruck lässt sich dann durch folgende Formel berechnen:<br />
e = e − A⋅<br />
p ⋅ ( T − T )<br />
[6]<br />
sat,<br />
feucht<br />
trocken feucht<br />
e<br />
Die relative Luftfeuchte in Prozent errechnet sich anschließend aus: ϕ = 100<br />
e<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Mit Wasser befeuchtetes Tuch Ventilator<br />
Tabelle für Sättigungsdruck für Wasserdampf<br />
Barometer, (Hygrometer zum Vergleich des Ergebnisses)<br />
AUFBAU<br />
e<br />
sat.<br />
feucht<br />
A =<br />
p<br />
T<br />
T<br />
trocken<br />
feucht<br />
Sättigungsdampfdruck<br />
in hPa bei der<br />
6,6 ⋅10<br />
-4<br />
K<br />
−1<br />
Luftdruck in<br />
,<br />
für Wasser am feuchten<br />
hPa<br />
Temperatur des trockenen Thermometers<br />
Temperatur des feuchten Thermometers<br />
Temperatur T<br />
Tuch<br />
sat,trocken<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Um einen der beiden Temperatursensoren wird das befeuchtete Tuch gewickelt<br />
• Die beiden Sensoren werden in der Nähe des Ventilators fixiert<br />
feucht<br />
Experiment<br />
6
DURCHFÜHRUNG<br />
• Starten des Programms CHEMBIO und Einrichten der beiden Temperatursensoren<br />
• ENTER TIME BETWEEN S<strong>AM</strong>PLES IN SECONDS: 5<br />
• ENTER NUMBER OF S<strong>AM</strong>PLES: 60<br />
300 Sekunden sollten im Normalfall reichen, damit sich an den beiden Sensoren eine<br />
konstante Temperatur einstellt. Dieser Wert kann aber geändert werden.<br />
• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse<br />
ymin? 10 ymax? 30 yscl? 1<br />
• Durch drücken der ÷- Taste startet man nun die Messung<br />
BEISPIEL<br />
Ventilator einschalten nicht vergessen!!<br />
Etwa so sollten die beiden Graphen<br />
aussehen.<br />
-- Temperaturverlauf feucht<br />
xx Temperaturverlauf trocken
Die Spalte c4 wurde so programmiert, dass<br />
sie die Temperaturdifferenz zum<br />
jeweiligen Zeitpunkt angibt (c4 = c3 – c2).<br />
Die letzten Werte zeigen klar, dass sich<br />
eine konstante Temperatur eingestellt hat<br />
Die Zeitgraphen für Ttrocken, Tfeucht und ∆T.<br />
Alle drei Graphen können in einem Plot<br />
dargestellt werden.<br />
-- Tfeucht<br />
xx Ttrocken<br />
□□ ∆T<br />
Im Home-Fenster ( ∞ Q ) kann nun die<br />
Rechnung durchgeführt werden, nachdem<br />
man den Sättigungsdampfdruck der<br />
Temperatur Tfeucht und den Luftdruck<br />
abgelesen hat.<br />
Hier: psat = 19,37 hPa 3<br />
pluft = 1029 hPa<br />
Die tatsächliche Luftfeuchte betrug laut Haar-Hygrometer 65%. Der in unserem<br />
Experiment ermittelte Wert ist 60,6 %. An dieser Stelle kann man nun mögliche<br />
Fehlerquellen analysieren.<br />
FEHLERQUELLEN<br />
Messbereich der beiden Temperatursensoren<br />
Ablesen des Luftdrucks von einem analogen Barometer<br />
Bestimmung des Sättigungsdampfdruckes aus Tabelle<br />
Ablesen der relativen Luftfeuchte vom analogen Hygrometer<br />
3 Aus: Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.632, Tabelle 28
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Die Abkühlung am feuchten Thermometer erfolgt auf Grund der Verdunstungskälte.<br />
Betrachtet man ein ideales Psychrometer, das heißt, es wird die Strahlung und der<br />
Wärmestrom aus dem Inneren vernachlässigt, so wird die zur Verdunstung nötige Wärme<br />
V nur der Wärme L aus dem Luftstrom entzogen. Es gilt daher L + V = 0 .<br />
Dabei ist L = −α<br />
L ( T feucht − Ttrocken<br />
)<br />
0,<br />
622LV<br />
und V = − α L ( esat,<br />
feucht − e)<br />
, mit<br />
pc<br />
L<br />
V<br />
p..........<br />
... Luftdruck<br />
p<br />
.......... . Verdunstungswärme<br />
α .......... .Wärmeübergangskoeffizient,<br />
Luft<br />
e<br />
L<br />
sat,<br />
feucht<br />
Für den Koeffizienten<br />
... Sättigungsdampfdruck<br />
bei der<br />
e..........<br />
.... Dampfdruck der<br />
c<br />
p = 1013 hPa ,<br />
Üblicherweise setzt man<br />
p<br />
Luft<br />
Temperatur T<br />
feucht<br />
.......... .. spezifische<br />
Wärmekapazität<br />
der Luft bei konstantem Druck<br />
c p<br />
A = aus Formel [6] auf Seite 39 erhält man mit<br />
0,<br />
622L<br />
−1<br />
−1<br />
c p = 1008 Jkg K und<br />
V<br />
6 −1<br />
LV = 2,<br />
5⋅10<br />
Jkg<br />
,<br />
−1<br />
A = 0,<br />
657 K .<br />
−4<br />
−1<br />
A = 6,<br />
6 ⋅10<br />
K . Damit kann der Luftdruck und der<br />
Sättigungsdampfdruck in hPa in die daraus resultierende „Sprungsche<br />
Psychrometerformel“ eingesetzt werden:<br />
−4<br />
e = e − 0,<br />
66 ⋅10<br />
⋅ p ⋅ ( T − T<br />
sat,<br />
feucht<br />
trocken feucht<br />
Diese Formel gilt auch dann, wenn am feuchten Thermometer nicht Wasser, sondern Eis<br />
auftritt. Für Eis wird die Konstante A = 5,8·10 -4 K -1 , also etwas kleiner. Wegen der<br />
kleinen Werte von ∆T bleibt der absolute Fehler vom Dampfdruck der Luft gering.<br />
Die relative Luftfeuchte spielt nicht nur in der Meteorologie eine wichtige Rolle. Auch für<br />
den Wasserhaushalt der Pflanzen ist die Luftfeuchtigkeit wichtig. Hier spielt aber vor<br />
allem das Wasserdampf-Sättigungsdefizit eine wichtige Rolle. Unter dem<br />
Sättigungsdefizit versteht man die Differenz zwischen dem Sättigungsdampfdruck und<br />
dem aktuellen Dampfdruck.<br />
)
Strahlungsabsorption –<br />
Modell eines Sonnenkollektors<br />
Jede Lichtquelle strahlt Energie auch in Form von Wärme ab. Dabei erwärmen sich einige<br />
Gegenstände in unserer Umgebung schneller, andere langsamer. Vor allem dunkle<br />
Gegenstände erwärmen sich sehr rasch, während helle Gegenstände den Anschein haben, sich<br />
nur sehr langsam zu erwärmen. Ist dies nur ein subjektiver Eindruck, oder kann das auch<br />
experimentell untermauert werden?<br />
Ist es in einem dunkelblauen Auto wirklich wärmer, als in einem weißen?<br />
Warum baut man Sonnenkollektoren so, dass Kupferrohre in eine schwarze Folie verpackt<br />
werden?<br />
Warum sind Seen mit dunklem, schlammigen Untergrund wärmer, als Seen deren Untergrund<br />
heller Kalkstein ist?<br />
Die Temperatur über frisch asphaltierten Strassen ist um einiges höher, als die Temperatur<br />
über einem alten Straßenbelag. Stimmt das?<br />
Und was hat das ganze eigentlich mit den Farben schwarz und weiß zu tun?<br />
All diese Fragen können mit diesem Experiment beantwortet werden.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Weiße und schwarze Proberöhre für Sonnenkollektormodell, Wasser<br />
Weißes und schwarzes Plastilin für allgemeine Strahlenabsorption<br />
Lichtquelle (Sonne, Overheadprojektor, Glühbirne)<br />
! Besonders gute Ergebnisse erzielt man mit einer Glühbirne. Sie strahlt sehr viel Energie<br />
im infraroten Bereich ab und erwärmt dadurch die beiden Proben weitaus stärker<br />
AUFBAU<br />
Experiment<br />
7<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des <strong>CBL</strong><br />
Systems angeschlossen<br />
• Die Temperatursensoren in das Plastilin stecken, oder in die gefüllten Proberöhren<br />
geben
DURCHFÜHRUNG<br />
• Starten von CHEMBIO<br />
• Die Einstellungen für die Temperatursensoren vornehmen<br />
• Eine gute Wahl für die Einstellungen wären 30 Minuten lang jede Minute eine<br />
Messung durchzuführen. Damit ist es möglich aussagekräftige Messwerte zu<br />
bekommen.<br />
! Die mit Wasser gefüllten Proberöhren verschließen. Dann erzielt man den besseren<br />
Effekt. Die Abstrahlung ist nicht so groß.<br />
• Messvorgang starten<br />
BEISPIEL<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Die Grafik zeigt den Temperaturanstieg<br />
von Wasser in einer weißen und einer<br />
schwarzen Proberöhre. Die Erwärmung<br />
erfolgte mit Hilfe einer 60 Watt Glühbirne.<br />
Bereits hier erreicht man eine beträchtliche<br />
Temperaturdifferenz.<br />
-- schwarze Proberöhre<br />
xx weiße Proberöhre<br />
Diese Temperaturdifferenz kann wieder<br />
als Graph dargestellt werden. Die<br />
Differenz beträgt nach einer halben Stunde<br />
bereits mehr als 1,5 °C.<br />
Wie viel Strahlungsenergie ein Körper aufnimmt, hängt von der Wellenlänge der<br />
Strahlung und vom Material ab. Die Absorptionsspektren sind sehr komplizierte Spektren,<br />
im Bereich des sichtbaren Lichts kann man allerdings klare Aussagen über die Absorption<br />
treffen. Werden daher beim Versuch die selben Materialien verwendet, braucht man sich<br />
nur über die Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts Gedanken zu machen. Das<br />
sichtbare Licht besitzt eine Wellenlänge, die von 390 – 770 nm reicht. An der unteren<br />
Grenze folgt die ultraviolette Strahlung, an der oberen Grenze die Infrarotstrahlung. Ein
schwarzer Körper absorbiert alle Wellenlängen. Ein spiegelnder bzw. weißer Körper<br />
hingegen reflektiert Lichtstrahlen aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Komplizierter<br />
werden die Aussagen bezüglich der Infrarotstrahlung. Daher ist es ratsam, beim obigen<br />
Versuch die gleichen Materialien zu verwenden. Dann ist sichergestellt, dass das<br />
Absorptionsspektrum sich nur im Bereich des sichtbaren Lichts verändert.<br />
Absorbiert ein Körper Lichtstrahlen, so wird die Energie dieser in Wärmeenergie<br />
umgewandelt. Weil ein schwarzer Körper mehr Lichtstrahlen absorbiert als ein weißer,<br />
steigt seine Temperatur auf einen größeren Wert.<br />
Wie die obigen Diagramme zeigen, erwärmt sich auch das Wasser im weißen Gefäß.<br />
Dieser Effekt ist um einiges größer, wenn man eine Glühbirne verwendet. Bei einer<br />
Glühbirne wird nur sehr wenig elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt. Der<br />
größte Teil geht als Wärme „verloren“.<br />
Wichtig ist es auch, bei diesem Versuch nicht nur gleiches Material zu verwenden, es<br />
muss auch die gleiche Oberfläche besitzen. Ein Körper mir rauer Oberfläche nimmt mehr<br />
Wärme auf, als ein Körper mit glatter Oberfläche.<br />
Auch ein Eisbär nutzt den Effekt aus, dass schwarze Pigmente seiner Haut mehr Energie<br />
von Lichtstrahlen absorbieren in Wärmeenergie umwandeln.
Bestimmung der<br />
Solarkonstanten<br />
Die Sonne ist der Energiespender der Erde. Sie versorgt unsere Erde mit lebensnotwendiger<br />
Energie, die von der Erde gespeichert wird. Der Großteil wird in Form von Wärme<br />
gespeichert, oder aber wieder ins All reflektiert. Ein weiterer Teil dient dazu, Luft und Wasser<br />
über den Erdball zu transportieren. Dadurch wird unser Wetter beeinflusst. Ein Bruchteil der<br />
Sonnenstrahlung wird von den Pflanzen verarbeitet und steht uns in weiterer Folge als<br />
Energiequellen in Form von Erdöl oder Kohle zur Verfügung.<br />
Ein Maß für diese Sonnenstrahlung ist die Solarkonstante. Von den 3,8·1023 kWm-2, die die<br />
Sonne abstrahlt, treffen nur 1,7·1017 Watt auf die Erde auf. Die Solarkonstante gibt nun an,<br />
wie viel Watt der Sonnenstrahlung auf einen Quadratmeter auftreffen. Sie beträgt im Mittel<br />
1370 Wm-2. Dieser Wert ist ein Mittelwert, da sich die Erde innerhalb eines Jahres nicht<br />
immer im gleichen Abstand zur Sonne befindet. So wird Anfang Jänner die Solarkonstante<br />
den höchsten, Anfang Juli den niedrigsten Wert erreichen.<br />
Um die Solarkonstante zu bestimmen, benötigt man ein schwarzes Gefäß, in das eine<br />
bestimmte Menge Wasser gegeben wird. Wird es der Sonnenstrahlung ausgesetzt, so erwärmt<br />
sich das Wasser. Mit Hilfe der folgenden Formel kann nun die Solarkonstante α bestimmt<br />
werden:<br />
α =<br />
cH O O<br />
2<br />
mH<br />
tA<br />
2<br />
∆T<br />
cH 2 O ....Wärmekapazität von Wasser, 4186 Jkg-1K-1<br />
mH 2 O ...Wassermenge in Kilogramm<br />
∆T.......Temperaturdifferenz<br />
t...........Zeitdauer des Experiments in Sekunden<br />
A.........Querschnittsfläche normal zur Sonnenstrahlung in m2<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Ein Temperatursensor<br />
Schwarzes Gefäß<br />
Wasser, das etwas kühler als die Umgebungstemperatur ist<br />
Experiment<br />
8
AUFBAU<br />
• Den Temperatursensor an den Kanal CH1 des <strong>CBL</strong> Systems anschließen<br />
• Das Gefäß so ausrichten, dass es normal zur Sonneneinstrahlungsrichtung steht, oder<br />
die Querschnittsfläche berechnen<br />
! Ein Gefäß mit berußter Oberfläche eignet sich besonders gut für diesen Versuch<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
• CHEMBIO starten<br />
• Für dieses Experiment eignen sich 10 Minuten als Experimentdauer, die Messwerte<br />
können alle 30 Sekunden aufgenommen werden.<br />
• Messvorgang starten und darauf achten, dass sich keine Wolke in der Nähe der Sonne<br />
befindet
BEISPIEL<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
300 Gramm Wasser wurden von der Sonne<br />
10 Minuten lang erwärmt. Dabei hatte das<br />
Wasser zu Beginn eine Temperatur von<br />
28,279 °C, am Ende 30,07 °C. Der<br />
konstante Anstieg der Temperatur ist klar<br />
ersichtlich.<br />
Die Querschnittsfläche normal zur<br />
Sonneneinstrahlung hat ungefähr 80 cm 2<br />
betragen. Setzt man alle Werte in die obige<br />
Gleichung ein, so ergibt sich ein Wert von<br />
469 Wm -2 für die erbrachte Leistung der<br />
Sonne.<br />
Der errechnete Wert liegt deutlich unter den vorhin angesprochenen 1370 Wm -2 . Dies<br />
kommt daher, dass dieser Wert die auf die Atmosphäre einfallende Sonnenenergie angibt.<br />
Auf der Erde selbst kommt nur ein Bruchteil davon an, da bei der Berechnung noch die<br />
Geometrie der Erde und die Luftreinheit berücksichtigt werden müssen. Außerdem wird<br />
die Strahlungsenergie der Sonne nicht zu 100% als Wärmeenergie dem Wasser zugefügt.<br />
Ein Teil der Wärme wird wieder an die Umgebung abgegeben. Durch die relativ kurze<br />
Experimentdauer, fällt diese Abgabe allerdings noch nicht so hoch aus.<br />
Würde man in einem Sonnenkollektor nur die Leistung der Strahlungsenergie der Sonne<br />
ausnützen, so würde man mit der oben berechneten Leistung rund 1800 Sekunden, das<br />
sind 30 Minuten, brauchen, um 50 Liter Wasser auf einer Fläche von 10 m 2 von 20 °C auf<br />
60°C zu erwärmen. Dabei ist aber die Wärmeabstrahlung nicht berücksichtigt. Sie wird<br />
bei einem Sonnenkollektor dadurch verhindert, dass die Kupferrohre unter ein Glas<br />
gegeben werden. Durch den Treibhauseffekt erwärmt sich auch die Luft unter dem Glas,<br />
womit die Erwärmung beschleunigt wird. Aus diesem Grund funktioniert ein<br />
Sonnenkollektor auch an Tagen, an denen die Sonnenstrahlung nicht ganz so hoch<br />
ausfällt.
Die Schwankung der Solarkonstante hat für das Klima auf der Erde ebenfalls große<br />
Bedeutung. Der hohe Wert im Jänner ist dafür verantwortlich, dass die Winter auf der<br />
Nordhalbkugel eher mild, die Sommer auf der Südhalbkugel dafür sehr heiß sind. Der<br />
niedrige Wert im Juli ist für die gemäßigten Sommer der Nordhalbkugel und für die kalten<br />
Winter der Südhalbkugel verantwortlich. Allerdings wirken sich die großen<br />
Wassermassen der Südhalbkugel auf das Klima positiv aus, während die großen<br />
Landmassen auf der Nordhalbkugel die Winter doch rauer erscheinen lässt.
Erde, Wasser und Luft -<br />
Wie bestimmen Sie das Wetter ?<br />
Das Wetter wird von vielen Faktoren beeinflusst. Ein ganz wichtiger Faktor ist dabei, dass<br />
sich die Erde nicht überall gleichmäßig stark erwärmt. So erwärmt sich die Erde am Äquator<br />
stärker als an den Polen. Dadurch kommt es zu einer Luftströmung vom Äquator zu den Polen<br />
und umgekehrt. Dieses Phänomen mit Hilfe des TI-92 zu untersuchen, ist wohl unmöglich.<br />
Aber es gibt noch sehr viele andere wichtige Faktoren in der Meteorologie. So erwärmt sich<br />
die Erde, die Luft und das Wasser nicht gleich stark. An einem Sandstrand könnte man sich in<br />
der Mittagshitze leicht die Füße verbrennen, während das Meer noch immer für eine<br />
Abkühlung sorgt, und das obwohl das Meer, die Luft und der Sand am Strand die gleiche<br />
Energie von der Sonne zugeführt bekommen. Kaum ist die Sonne allerdings hinter einer<br />
Wolke verschwunden oder am späteren Nachmittag etwas weiter von unserem<br />
Aufenthaltspunkt entfernt, ist es am Strand wieder angenehm, der Sand nicht mehr heiß, die<br />
Luft auch nicht mehr so warm, das Wasser allerdings kaum kälter. Auch weht eine leichte<br />
Brise vom Land zum Meer, doch am Tag war es doch bestimmt umgekehrt.<br />
Dieses Phänomen, dass sich Erde und Wasser und daher auch die über ihnen liegende Luft<br />
unterschiedlich stark erwärmen, kann mit diesem Experiment auf einfache Weise genauer<br />
untersucht werden. Dazu benötigt man zwei Temperatursensoren. Mit einem Sensor wird der<br />
Temperaturverlauf des Wassers gemessen, das zunächst entweder von der Sonne direkt, oder<br />
von einer Glühbirne erwärmt wird, ein anderer misst den Temperaturverlauf in Sand.<br />
Ungefähr zur Hälfte der Beobachtungszeit werden die Proben in den Schatten gestellt, oder<br />
das Licht abgeschaltet. Damit kann nun auch der Abkühlvorgang untersucht werden. Die<br />
Beobachtungszeit kann dabei variieren.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Behälter für Sand (Erde) und Wasser<br />
Sand, Wasser gleicher Masse<br />
! Sand mit einer geringen Wärmekapazität (stark quarzhältiger Sand) eignet sich für diesen<br />
Versuch besonders gut. Diesen Sand findet man entweder an einem Strand an der Oberen<br />
Adria, oder auf Beachvolleyballplätzen.<br />
Experiment<br />
9
AUFBAU<br />
• Die zwei Sensoren schließt man an das <strong>CBL</strong>-System an<br />
• Ein Sensor misst die Erdtemperatur knapp unter der Oberfläche, der zweite die<br />
Wassertemperatur in gleicher Tiefe.<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
! Vor der Messung die vollen Behälter einige Zeit am gleichen Platz stehen lassen,<br />
damit die Proben die gleiche Anfangstemperatur aufweisen. Misst man den<br />
Temperaturverlauf im Freien, so empfiehlt es sich, die Proben über Nacht im Freien zu<br />
lassen.<br />
• Im Programm CHEMBIO stellt man die Temperatursensoren und ihre<br />
Anschlusskanäle ein<br />
• Im DATA COLLECTION Menü wählt man Time Graph. Es ist zu beachten, dass die<br />
Zeitspanne zwischen zwei Messwerten 1600 Sekunden nicht überschreiten kann.<br />
• Starten der Messung<br />
BEISPIEL<br />
Temperaturverlauf in 5 cm Tiefe.<br />
Es wurde das Wasser- und das Erdglas<br />
jeweils eine Stunde von einer 60W<br />
Glühbirne aufgeheizt. Nach einer Stunde<br />
wurde das Licht abgedreht und die Proben<br />
konnten auskühlen.<br />
Die Glühbirne erwärmte die Proben mit<br />
ungefähr 120 W/m 2 . Die Sonne liefert<br />
deutlich mehr Energie, am Ergebnis ändert<br />
sich allerdings nichts.<br />
-- Sand<br />
xx Wasser
Die Erwärmung dauerte hier 100 Minuten,<br />
erneut mittels 60 Watt Glühbirne. Der<br />
Temperaturunterschied fällt bereits<br />
deutlich höher aus. Nach 100 Minuten<br />
beträgt er 1,2° C.<br />
Auf die Proben wirkte bei diesem<br />
Experiment eine Leistung von 212,2<br />
W/m 2 . Sie errechnet sich mit folgender<br />
Formel:<br />
PGlühbirne<br />
P =<br />
2<br />
4 ⋅π<br />
⋅ d<br />
d ... Abstand Glühbirne - Probe<br />
Die Temperaturdifferenz als Zeit-Graph.<br />
Die Erdtemperatur steigt viel schneller an,<br />
als die Wassertemperatur. Erst wenn der<br />
Wärmeeinfluß nachlässt, ändert sich das<br />
Bild. Die Erde kann die Wärme nicht so<br />
gut speichern und die Temperatur sinkt<br />
rasch ab. Gegen Ende des Experiments ist<br />
die Wassertemperatur höher, als die<br />
Erdtemperatur.<br />
Mit Hilfe der Formel aus Experiment 8,<br />
lässt sich die spezifische Wärmekapazität<br />
des Wassers und der verwendeten Erde<br />
berechnen.<br />
Der Wert von 4500 Jkg -1 K -1 weicht vom<br />
tatsächlichen Wert 4186 Jkg -1 K -1 ab. Der<br />
Fehler beträgt hier ungefähr 7,5%. Das<br />
Wasser wurde gegen äußere Erwärmung<br />
nicht isoliert und hat daher auch an die<br />
Umgebung Temperatur abgegeben. Das<br />
wichtige Ergebnis, dass die<br />
Wärmekapazität des Wasser um einiges<br />
höher ist, als die der Erde, ist klar<br />
ersichtlich. Auch die Erde wurde nicht<br />
isoliert, daher weicht das Ergebnis auch<br />
hier vom tatsächlichen Wert ab. (Die<br />
Wärmekapazität von trockenen Sand<br />
beträgt um 800 Jkg -1 K -1 4 )<br />
Die Ergebnisse dieses Experiments eignen sich sehr gut, um einen kleinen Einblick in die<br />
Meteorologie zu bekommen. Anhand der Auswertung lassen sich einige der Eingangs<br />
gestellten Fragen anschaulich beantworten.<br />
4 Aus: Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.620, Tabelle 16
An dieser Stelle ist es nun möglich, den Lebensraum Wasser genauer zu untersuchen. Auch<br />
den großen Einfluss des Golfstroms auf das Klima im Nordwesten Europas und<br />
schließlich auch auf das Klima in unserer Gegend, kann man mit Hilfe dieser Ergebnisse<br />
leichter verstehen.<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Wegen der unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazität erwärmen sich das Wasser und<br />
die Erde unterschiedlich stark. Das Wasser mit einer spezifischen Wärmekapazität von<br />
4186 Jkg -1 K -1 braucht sehr lange, bis es um einige Grad wärmer wird. Dafür speichert es<br />
die Wärme länger und kühlt sich dadurch nicht so schnell ab. Im Gegensatz dazu ist<br />
reiner, trockener Sand mit einer spezifischen Wärmekapazität von 800 Jkg -1 K -1 leichter zu<br />
erwärmen, er gibt aber die Wärme auch schneller ab. Zu Beginn der Messung erwärmt<br />
sich das Wasser in 5 Zentimetern Tiefe allerdings schneller, da es im Wasser zu<br />
Konvektionsströmen kommt. Die Gartenerde erwärmt sich zu Beginn dadurch etwas<br />
langsamer. Sie setzt sich aus vielen verschiedenen Bestandteilen (auch Wasser)<br />
zusammen. Die errechnete spezifische Wärmekapazität wird dadurch größer, die<br />
Erwärmung fällt nicht so hoch aus..<br />
Anmerkung:<br />
Eine große Rolle bei der unterschiedlichen Erwärmung von Land und Wasser spielt die<br />
größere Masse des Wassers. Die Lichtstrahlen dringen tief in das Wasser ein und<br />
müssen daher eine größere Masse erwärmen. An Land erwärmen die Lichtstrahlen nur<br />
die Oberfläche.<br />
Weil sich nun auch die über dem Wasser beziehungsweise dem Sand liegenden<br />
Luftmassen ebenso unterschiedlich stark erwärmen, kommt es zu Winden. Diese treten<br />
aber nicht nur am Meer als Landwinde und Seewinde auf. Auch in Österreich gibt es viele<br />
Gebiete, die unterschiedlich stark erwärmt werden. An vielen Berghängen kommt es daher<br />
zu besonders starken Aufwinden, die von Segelfliegern oder Paragleitern ausgenützt<br />
werden. Es wird in diesem Zusammenhang oft der Begriff „Thermik“ angewendet.<br />
Die hohe Wärmekapazität von Wasser ist für unser Klima besonders wichtig, da sich die<br />
im Meer lebenden Wesen auf zu große Temperaturschwankungen nicht so schnell<br />
einstellen könnten. Auf der Südhalbkugel wirken die Wassermassen mäßigend auf das<br />
Klima. Der Golfstrom liefert Nord-West-Europa die Wärme aus dem Süden der USA. Der<br />
Humboldt-Strom im Westen Südamerikas ist dafür verantwortlich, dass auch auf den
Galapagos-Inseln Pinguine leben können. Er versorgt den ganzen Westen Südamerikas<br />
mit kaltem Wasser aus der Antarktis.
Der Treibhauseffekt<br />
Immer wieder liest man von Treibgasen, die den Treibhauseffekt beschleunigen, und so<br />
das Weltklima beeinflussen. Es gibt natürliche Treibgase, wie zum Beispiel Wasser,<br />
Kohlendioxid, Methan und Ozon. Sie sind dafür verantwortlich, dass auf der Erde ein<br />
Klima herrscht, bei dem Leben möglich ist, da sie einen Teil der von der Erde<br />
abstrahlenden Energie absorbieren und auf die Erde reemittieren. Derzeit verstärken<br />
künstliche Treibgase diesen Effekt und so erwärmt sich die Erde stärker, was zum<br />
Abschmelzen der Polkappen führen und einen Klimawechsel in den einzelnen<br />
Klimazonen hervorrufen kann.<br />
Wie stark sich der Treibhauseffekt am Beispiel CO2 auswirkt, soll hier gezeigt werden. In<br />
einem Glas wird CO2, in einem anderen reine Luft durch eine Lichtquelle erwärmt. Das <strong>CBL</strong>-<br />
System zeichnet die beiden Temperaturkurven auf.<br />
MATERIAL<br />
<strong>CBL</strong> System Zwei Temperatursensoren<br />
Zwei Gläser, die mit Folie verschlossen werden<br />
CO2<br />
Lichtquelle (Sonne, Overheadprojektor)<br />
! CO2 gewinnt man am besten aus Sodakapseln<br />
CO2 kann auch durch Schütteln einer Mineralwasserflasche in einem Luftballon<br />
aufgefangen werden<br />
AUFBAU<br />
Experiment<br />
10<br />
• In ein Glas gibt man CO2. Danach werden beide Gläser mit der Folie verschlossen und<br />
unter die Lichtquelle gestellt.<br />
• Die beiden Temperatursensoren werden durch die Folie in die Gläser gesteckt und<br />
anschließend an den Folien festgeklebt
DURCHFÜHRUNG<br />
• Starten von CHEMBIO und die Einstellungen für die Sensoren vornehmen<br />
• TIME GRAPH mit 120 Messwerten á 5 Sekunden wählen<br />
• Messvorgang starten, Lichtquelle einschalten<br />
Die beiden Gläser wurden mit einer 60W<br />
Glühbirne 10 Minuten lang bestrahlt. Das<br />
CO2 hat sich dabei wesentlich stärker<br />
erwärmt.<br />
-- CO2<br />
xx Luft<br />
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND<br />
Auch die Temperaturdifferenz zeigt die<br />
deutlich stärkere Erwärmung des CO2<br />
Gases an.
Ein Leben in dieser Form auf der Erde ist erst möglich, weil es in der Erdatmosphäre<br />
natürliche Treibgase gibt. Die beiden wichtigsten Treibgase sind Wasser und<br />
Kohlendioxid. Wasserdampf ist für eine Temperaturerhöhung von ungefähr 20°, CO2 für<br />
eine Erhöhung von 10° verantwortlich.<br />
Der Unterschied bei der Erwärmung von Luft und CO2 fällt in dann dementsprechend<br />
nicht so hoch aus. Der Grund liegt daran, dass auch die natürliche Luft viele Treibgase<br />
enthält. Dennoch kann man einen Unterschied erkennen.<br />
Treibgase, drei- und mehratomige Moleküle, verhindern, dass die von der Erde<br />
reflektierten Infrarotstrahlen, also die Wärme, ungenutzt ins All abgestrahlt werden. Sie<br />
absorbieren gerade diese Wärmestrahlung, also die Strahlung im infraroten Bereich. Dies<br />
kann mit Hilfe des Wien’schen Verschiebungsgesetzes nachgewiesen werden.<br />
Bei der Emission gelangt ein Teil der Energie wieder an die Erdoberfläche zurück. Ihre<br />
Erwärmung steigt daher an.
2.2. DIE ARBEITSBLÄTTER
Kühlen durch Verdunsten<br />
� Dein Kaffee ist noch zu heiß, Du würdest Dir beim Trinken die Zunge verbrennen. Du<br />
hast allerdings nicht mehr viel Zeit und beginnst über die Tasse zu blasen. Kühlt der Kaffee<br />
dadurch schneller ab?<br />
Für den folgenden Versuch benötigst Du<br />
• <strong>CBL</strong>-System und TI-92<br />
• Zwei Temperatursensoren<br />
• Zwei Kaffeetassen<br />
• Heißes Wasser<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
Gib in beide Tassen gleich viel Wasser.<br />
Starte CHEMBIO und nimm 15 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden auf. Nach<br />
den ersten Messungen beginnst Du über eine Tasse zu blasen.<br />
� Übertrage den Graphen vom TI in das untenstehende Koordinatensystem
� Beschreibe den Graphen mit eigenen Worten<br />
� Betrachte zuerst die linke Spalte und lies den Text. Überlege nun, was mit den<br />
Dampfmolekülen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft passiert, wenn die<br />
Flüssigkeit durch Blasen oder Fächeln gekühlt wird, und vervollständige das zweite Bild.<br />
Die schnellsten Moleküle können die<br />
Flüssigkeit verlassen. Im Wasserdampf<br />
herrscht unregelmäßige Bewegung. Daher<br />
kehren viele der Wassermolekühle wieder in<br />
die Flüssigkeit zurück. Die Flüssigkeit kühlt<br />
sich daher langsam ab.<br />
� Überlege, bei welchen Vorgängen die sogenannte Verdunstungskälte eine Rolle spielt?
Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung<br />
� Während der Kellner Deinen Kaffee bringt, bittet er Dich zum Telefon. Da Du Milch zum<br />
Kaffee nimmst, hast Du zwei Möglichkeiten:<br />
Die Milch gleich hineinzutun, oder wenn Du wiederkommst.<br />
In welchem Fall bleibt der Kaffee wärmer, wenn die Milch Zimmertemperatur hat?<br />
Überprüfe Deine Antwort, indem Du den Versuch einfach durchführst. Schließe dazu einen<br />
TI-92 an das <strong>CBL</strong>-System an. Verwende zwei Temperatursensoren. Gib in zwei Tassen gleich<br />
viel Kaffee. Nimm mit Hilfe von CHEMBIO 60 Messwerte á 5 Sekunden auf. Starte die<br />
Messung und warte die ersten drei Messungen ab. Gib erst jetzt Milch in eine der beiden<br />
Tassen dazu. Zirka eine Minute vor Ende der Messung gibst Du auch in die zweite Tasse<br />
gleich viel Milch.<br />
� Übertrage die wichtigsten Merkmale des Zeit-Temperatur-Graphen und des Zeit-<br />
Temperaturdifferenz-Graphen auf das Millimeterpapier und beschreibe sie mit eigenen<br />
Worten.<br />
Zeit – Temperatur<br />
Zeit - Temperaturdifferenz
Vervollständige den folgenden Satz:<br />
Je ______________ der Temperaturunterschied zwischen dem Kaffee und der Umgebung<br />
ist, desto ______________ kühlt der Kaffee aus.<br />
Betrachte nochmals alle Deine Ergebnisse und versuche mit Deinem Wissen folgende Frage<br />
zu beantworten:<br />
Du gehst an einem kalten Wintertag für drei Stunden aus der Wohnung. Du möchtest Energie<br />
sparen und hast nun folgende Möglichkeiten:<br />
Heizung abschalten; je weniger geheizt wird, desto weniger Energie wird verbraucht<br />
Heizung laufen lassen; Du sparst das Aufheizen bei der Rückkehr<br />
Wie entscheidest Du Dich, und warum?
Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur<br />
� Ein Druckkochtopf oder auch Schnellkochtopf ist ein Kochtopf mit einem speziellen<br />
Deckel. Im Deckel ist eine Gummidichtung und ein Überdruckventil eingebaut. Beim<br />
Kochen erreicht man höhere Temperaturen als in herkömmlichen Kochtöpfen. Dadurch<br />
werden verschiedene Speisen schneller gar und die Kochzeit verkürzt sich.<br />
In unserem Experiment wollen wir die höhere Siedetemperatur nachweisen. Wir verwenden<br />
zwei gleich große Gefäße. Eines verschließen wir mit einem Deckel, das andere stellen wir<br />
offen auf die Feuerstelle. In beide geben wir nun die Temperatursensoren und nehmen eine<br />
Zeit-Temperaturkurve auf.<br />
� Überlege, warum im geschlossenen Gefäß eine höhere Siedetemperatur erreicht wird.<br />
� Zeichne den Graphen in das Koordinatensystem. Vergiss nicht auf die Beschriftung!<br />
� Was passiert beim Sieden? Wie erkennt man den Siedepunkt im Diagramm und bei welcher<br />
Temperatur beginnt das Wasser jeweils zu sieden?
Siedepunkterhöhung einer Lösung<br />
� Eine Lösung - ein fester Stoff wird in einer Flüssigkeit gelöst – besitzt einen höheren<br />
Siedepunkt als die reine Flüssigkeit selbst. So kocht Wasser in Meereshöhe bei einer<br />
Temperatur von 100° C, Salzwasser bei höherer Temperatur.<br />
Mit diesem Versuch überprüfen wir dies. Außerdem wollen wir herausfinden, wovon die<br />
Siedepunkterhöhung abhängt.<br />
In Gruppen werden verschiedene Lösungen hergestellt. Eine 10%-ige Kochsalzlösung, eine<br />
5%-ige Kochsalzlösung, eine 5%-ige und eine 10%-ige Zuckerlösung. Weiters benötigt Ihr<br />
einen Temperatursensor, ein <strong>CBL</strong>-System und einen TI-92.<br />
AUFBAU UND DURCHFÜHRUNG<br />
Schließe den Temperatursensor an das <strong>CBL</strong> und dieses dann an den TI-92 an.<br />
50 ml der Lösung stellst Du auf die Feuerstelle. Dabei ist es wichtig, dass alle gleich viel<br />
Lösung verwenden, damit die Ergebnisse vergleichbar werden!!<br />
Nimm im Programm CHEMBIO die notwendigen Einstellungen vor, um bei einer<br />
Experimentdauer von 5 Minuten 30 Messpunkte zu sammeln.<br />
Starte den Messvorgang und nimm die Feuerstelle erst nach den ersten beiden Messungen in<br />
Betrieb!<br />
� Übertrage den Graphen auf das Blatt und zeichne7 auch den Graphen für das reine Wasser<br />
ein!<br />
� Beschreibe die beiden Graphen mit eigenen Worten.
Suche einen Partner der anderen Gruppen und vergleiche die Ergebnisse. Worin<br />
unterscheiden sie sich?<br />
� Versuche aus Deinen Ergebnissen eine Schlussfolgerung zu ziehen!<br />
Wovon hängt die Siedepunkterhöhung ab?<br />
Worin unterscheiden sich die gelösten Stoffe?
Gefrierpunkterniedrigung einer Lösung<br />
Lösungen haben in Abhängigkeit ihrer Konzentration und in Abhängigkeit des gelösten<br />
Stoffes eine erhöhte Siedetemperatur. Auch im Bereich des Schmelz- beziehungsweise des<br />
Gefrierpunktes kommt es zu einer Veränderung.<br />
Mit diesem Versuch wollen wir herausfinden, zu welcher Veränderung es kommt und wovon<br />
diese abhängt.<br />
MATERIAL<br />
Du benötigst einen Temperatursensor, das <strong>CBL</strong>-System und einen TI-92.<br />
Weiters Eis, noch besser wäre Schnee<br />
Kochsalz und Zucker<br />
Gefäße, in dem Du die Versuche durchführen kannst<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
Gib in die Gefäße je 100 Gramm Eis. Gib den Temperatursensor, der bereits mit dem <strong>CBL</strong><br />
verbunden ist, in das Gefäß und warte, bis eine Temperatur von 0° C angezeigt wird. Dies<br />
kannst Du ganz leicht im MONITOR INPUT Fenster überprüfen. Bereite inzwischen einmal<br />
verschiedene Mengen Kochsalz und Zucker vor (zum Beispiel 5g und 10g). Starte eine<br />
Messung, bei der Du 300 Sekunden lang alle 5 Sekunden einen Messwert aufnimmst. Gib<br />
nach den ersten Messungen das Lösungsmittel dazu und löse es unter ständigem Rühren auf.<br />
� Übertrage den Graphen in das Koordinatensystem.<br />
� Beschreibe den Graphen mit Deinen Worten!
Vergleiche Dein Ergebnis mit dem von Schülern der anderen Gruppen.<br />
� Versuche aus Deinen Ergebnissen eine Schlussfolgerung zu ziehen!<br />
Wovon hängt die Gefrierpunktsenkung ab?<br />
� Fasse die Ergebnisse der letzten beiden Versuche zusammen.<br />
� In einem Liter Meerwasser sind ungefähr 35 Gramm NaCl gelöst. Daraus resultiert<br />
eine rechnerische Siedepunkterhöhung von 0,6°, eine Gefrierpunktsenkung von 2,2°. Die<br />
tatsächlichen Verschiebungen fallen etwas geringer aus, weil das Meerwasser auch durch<br />
andere Elemente „verunreinigt“ ist. Daher friert Meerwasser bei –1,9° Celsius, während es<br />
erst bei 100,5° Celsius siedet.<br />
Versuche die Funktionsweise der Salzstreuung im Winter zu erklären!
Bestimmung der relativen Luftfeuchte<br />
� Wasserdampf gelangt ständig durch Verdunstung in die Atmosphäre. Daher ist in unserer<br />
Luft immer ein gewisser Teil Wasserdampf enthalten. Die Luft kann allerdings nicht<br />
beliebig viel Wasserdampf aufnehmen. Die maximale Menge, die bei einer bestimmten<br />
Temperatur aufgenommen werden kann, heißt Sättigungsmenge. Der dazugehörige<br />
Dampfdruck heißt Sättigungsdampfdruck. Die tatsächliche Menge an Wasserdampf, die<br />
in einem Kubikmeter Luft enthalten ist, heißt absolute Feuchtigkeit.<br />
Kalte Luft kann weniger Wasserdampf aufnehmen, als warme Luft. Das sieht man zum<br />
Beispiel an der Atemluft im Winter, wenn sich kleine Wassertröpfchen beim Ausatmen<br />
bilden. Daher ist vor allem das Verhältnis von absoluter Feuchtigkeit zur<br />
Sättigungsmenge von Bedeutung. Dieses Verhältnis nennt man relative Feuchtigkeit und<br />
wird in Prozent angegeben. Die relative Feuchtigkeit kann auch mittels der Dampfdrücke<br />
ermittelt werden. Es wird hier das Verhältnis aus tatsächlichem Dampfdruck und<br />
Sättigungsdampfdruck berechnet.<br />
Beträgt die relative Feuchtigkeit 50%, so kann die Luft noch einmal so viel Wasserdampf<br />
aufnehmen, als sie bereits aufgenommen hat.<br />
Um eine Wettervorhersage zu treffen, sollte man also auch die relative Luftfeuchte kennen.<br />
Wir bestimmen sie mittels eines sogenannten Aspirationspsychrometers.<br />
� Beschreibe den Versuch mit Deinen Worten<br />
� Versuche zu erklären, warum das befeuchtete Thermometer eine kühlere Temperatur<br />
anzeigt!
Wenn wir die relative Feuchtigkeit berechnen wollen, so können wir mit den Ergebnissen des<br />
Versuches zunächst den aktuellen Dampfdruck berechnen. Dies geschieht mit der<br />
nachfolgenden Formel:<br />
e<br />
sat.<br />
feucht<br />
p<br />
T<br />
T<br />
trocken<br />
feucht<br />
−4<br />
e = e − 6,<br />
6 ⋅10<br />
p ⋅ ( T − T<br />
sat,<br />
feucht<br />
trocken feucht<br />
� Notiere zunächst alle Werte, die in dieser Formel vorkommen. Lies den Sättigungsdruck<br />
aus der untenstehenden Tabelle ab!<br />
T / °C esat / hPa<br />
10 12,27<br />
11 13,12<br />
12 14,01<br />
13 14,97<br />
14 15,97<br />
Sättigungsdampfdruck<br />
e<br />
Luftdruck in hPa<br />
Temperatur des trockenen Thermometers<br />
Temperatur des feuchten Thermometers<br />
T / °C esat / hPa<br />
15 17,04<br />
16 18,17<br />
17 19,37<br />
18 20,62<br />
19 21,96<br />
in hPa bei der<br />
T / °C esat / hPa<br />
20 23,37<br />
21 24,86<br />
22 26,42<br />
23 28,09<br />
24 29,84<br />
)<br />
T / °C esat / hPa<br />
25 31,68<br />
26 33,61<br />
27 35,65<br />
28 37,80<br />
29 40,05<br />
� Berechne schließlich den aktuellen Dampfdruck und die relative Luftfeuchte, die im<br />
Klassenzimmer herrscht. Die relative Luftfeuchte wird aus dem Verhältnis aktueller<br />
Dampfdruck zu Sättigungsdampfdruck bei Ttrocken errechnet und in Prozent angegeben.<br />
� Überlege zuletzt, warum Brillengläser im Winter anlaufen!<br />
sat<br />
Temperatur T<br />
feucht
Strahlungsabsorption<br />
� Ein Sonnenkollektor wandelt die Energie der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um.<br />
Eine beschichtete Platte nimmt die Wärmeenergie der Sonnenstrahlen auf und gibt die Wärme<br />
an ein Rohrleitungssystem, das mit Wasser und Frostschutzmittel gefüllt ist, weiter. Erst<br />
mittels Wärmetauscher wird das Nutzwasser erwärmt.<br />
Für diesen Versuch benötigst Du:<br />
• Zwei Temperatursensoren<br />
• <strong>CBL</strong>-System und TI-92<br />
• Ein schwarzes, ein weißes Gefäß<br />
• Glühlampe<br />
• Wasser<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
Gib in beide Gefäße die gleiche Menge Wasser und stelle die Gefäße unter die Glühlampe.<br />
Gib die beiden Temperatursensoren hinein und starte das Programm CHEMBIO. Wähle für<br />
diesen Versuch die Funktion TIME GRAPH. Alle 10 Sekunden soll ein Messwert genommen<br />
werden. Die Versuchsdauer beträgt 10 Minuten.<br />
� Worin wird sich das Wasser am Ende des Versuches unterscheiden?<br />
� Überlege, wie Farben zustande kommen! Was unterscheidet schwarz von weiß?
� Zeichne den Graphen in das dafür vorgesehene Koordinatensystem. Übertrage nur die<br />
wichtigsten Daten!<br />
� Wie sollte ein Sonnenkollektor aufgebaut sein?<br />
Gib weitere Beispiele aus Deiner Umgebung zur Strahlenabsorption an!<br />
Überlege, wie ein am Nordpol lebender Eisbär die Energie der Sonne nutzt!
Bestimmung der Solarkonstanten<br />
23<br />
� Die Sonne strahlt mit einer Leistung von Pα<br />
= 3, 8⋅10<br />
kW in alle Richtungen in den<br />
Weltraum. Davon erreicht die Erde nur ein Bruchteil. Die Solarkonstante gibt an, wie viel<br />
dieser Leistung auf einen Quadratmeter auf die Erde trifft.<br />
Mit welcher Leistung strahlt die Sonne heute und erwärmt somit den Schulhof? Um dies<br />
herauszufinden benötigst Du folgendes<br />
MATERIAL<br />
• schwarzes Gefäß<br />
• Wasser, Menge vorher abwiegen<br />
• <strong>CBL</strong>, TI-92<br />
• Temperatursensor<br />
AUFBAU<br />
Schließe den Temperatursensor an das <strong>CBL</strong> und anschließend das <strong>CBL</strong>-System an den<br />
TI-92 an.<br />
Stelle das Wassergefäß an einen sonnigen Platz im Schulhof und gib den Sensor in das<br />
Wasser.<br />
Nimm im Programm CHEMBIO die notwendigen Einstellungen vor und nimm mit der<br />
Funktion TIME GRAPH 10 Minuten lang alle 30 Sekunden einen Messwert auf.<br />
� Berechne während der Versuchszeit, welchen Wert Du erwarten darfst. Dazu benötigst Du<br />
den mittleren Abstand Sonne-Erde D und die Strahlungsleistung P α der Sonne.<br />
Pα<br />
� Die sogenannte Solarkonstante berechnet sich dann aus: α = . 2<br />
4D π<br />
Gib diesen Wert in der Einheit<br />
−2<br />
Wm an.
� Der berechnete Wert ist ein Mittelwert und hängt vom Abstand Sonne-Erde ab. Dieser<br />
Abstand ist nicht konstant und ändert sich im Laufe eines Jahres.<br />
� Überlege, zu welcher Jahreszeit die Solarkonstante den höchsten beziehungsweise den<br />
niedrigsten Wert annehmen wird.<br />
Welchen Einfluss hat dieser Umstand auf Sommer und Winter der Nordhalbkugel und der<br />
Südhalbkugel?<br />
� Wenn der Versuch abgeschlossen ist, berechne die Leistung, mit der die Sonne heute den<br />
Erdboden erwärmt.<br />
cH<br />
Om<br />
H O∆T<br />
2 2<br />
Dazu verwendest Du die folgende Formel: E =<br />
tA<br />
in m2<br />
cH O<br />
Dabei ist 2 ....... Wärmekapazität von Wasser<br />
mH 2 O ..... Wassermenge in Kilogramm<br />
∆T.......... Temperaturdifferenz<br />
t............. Zeitdauer des Experiments<br />
A............ Querschnittsfläche des Gefäßes normal zur Strahlungsrichtung<br />
� Überprüfe, ob Deine beiden berechneten Werte übereinstimmen!<br />
� Wenn nicht, worin könnten die Gründe dafür liegen?<br />
� Ihr habt zu Hause einen Sonnenkollektor mit einer Fläche von 10 m 2 . Wie lange würde es<br />
heute dauern, mit dieser Anlage 50 Liter Wasser von 20° C auf 60° C zu erwärmen?
Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen Sie das Wetter?<br />
� Der untenstehende Graph zeigt den Temperaturverlauf von Wasser und Erde während<br />
einer Zeitdauer von 4 Stunden. Dabei wurden 635 g Wasser und 715 g Gartenerde von<br />
einer Glühbirne mit einer Leistung von 210 Wm -2 in einem Glas mit 4 cm Radius<br />
erwärmt, danach wieder sich selbst überlassen.<br />
Temperatur in °C<br />
27<br />
26<br />
25<br />
24<br />
23<br />
Temperaturverlauf Wasser - Erde<br />
1 34 67 100 133 166 199 232<br />
Zeitdauer in Minuten<br />
Temperaturverlauf Erde Temperaturverlauf Wasser<br />
� Beschreibe die Diagramme und interpretiere die Graphen<br />
� Lies die Temperaturen zum Zeitpunkt 1 und 100 ab! Berechne daraus die spezifische<br />
Wärmekapazität von der Gartenerde und von Wasser.<br />
c m ∆T<br />
Verwende dazu die Formel: P =<br />
tA
� Vergleiche die beiden Ergebnisse, was fällt Dir auf?<br />
� Weil sich Wasser und Erde unterschiedlich stark erwärmen, erwärmen sich auch die<br />
darüber liegenden Luftmassen im Laufe eines Tages unterschiedlich. Daher kommt es<br />
auch zu verschiedenen Luftströmungen während des Tages.<br />
Die beiden Bilder stellen einen Küstenabschnitt und die dazugehörigen Luftströmungen bei<br />
Tag und Nacht dar.<br />
� Versuche den Bildern die richtigen Zeiten zuzuordnen, und Deine Wahl zu begründen.<br />
� Kennst Du Gebiete auf der Erde oder in Deiner Umgebung, die sich ebenfalls<br />
unterschiedlich erwärmen und so das (lokale) Wetter beeinflussen?<br />
☺ Versuche zu erklären, warum der Golfstrom für Europa eine so große Bedeutung hat!
Der Treibhauseffekt<br />
� Betrachtet man nur die Entfernung Erde – Sonne, so würde auf der Erde eine<br />
Temperatur von –18 °C herrschen. In der Erdatmosphäre gibt es aber Treibgase, die zur<br />
Erwärmung der Erde beitragen. Somit wird ein Leben auf der Erde überhaupt erst möglich.<br />
Immer wieder liest man davon, dass CO2 ein solches Treibgas ist. In wie weit dieses Gas zu<br />
einer Temperaturerhöhung führt, wollen wir mit diesem Versuch feststellen.<br />
Material<br />
AUFBAU<br />
• zwei gleich große Gefäße<br />
• Folie zum Abdecken der Gefäße<br />
• 2 Gummiringe<br />
• 1 Luftballon<br />
• Eine Mineralwasserflasche<br />
• TI-92 und <strong>CBL</strong><br />
• 2 Temperatursensoren<br />
• Lichtquelle<br />
Stülpe den Luftballon über die Mineralwasserflasche. Das CO2 wird im Luftballon<br />
aufgefangen, wenn Du jetzt die Flasche schüttelst. Nimm den Luftballon ab und schütte nun<br />
das CO2 in eines der beiden Gefäße. Weil CO2 schwerer als Luft ist, brauchst Du nur den<br />
Luftballon langsam über dem Gefäß entleeren. Verschließe nun die beiden Gefäße mit der<br />
Folie und den Gummiringen. Stecke die beiden Temperatursensoren durch die Folie und<br />
fixiere sie so, dass sie sich ungefähr in der Mitte des Gefäßes befinden. Stelle beide Gefäße<br />
unter die Lichtquelle.<br />
DURCHFÜHRUNG<br />
Starte nun CHEMBIO und nimm die Einstellungen so vor, dass das <strong>CBL</strong>-System 10 Minuten<br />
lang alle 10 Sekunden einen Messwert aufnimmt. Starte die Messung und schalte erst dann<br />
die Lichtquelle ein.<br />
� Übertrage den Graphen vom TI-92 in das untenstehende Koordinatensystem
� Beschreibe den Graphen<br />
� Übertrage auch den Zeit-Temperturdifferenz-Graphen vom TI-92 in das untenstehende<br />
Koordinatensystem<br />
� Welche anderen Treibgase kennst Du noch?
3. DIDAKTISCHE ANMERKUNGEN
Experimente im Physikunterricht<br />
„Physik ist diejenige Naturwissenschaft, die sich mit der Erforschung aller experimentell und<br />
messend erfassbaren Vorgänge in der Natur sowie mit deren mathematischer Beschreibung<br />
befasst.“ 5<br />
Der Physikunterricht sollte daher auch wissenschaftliches Arbeiten vermitteln. Dazu gehört<br />
neben dem Experimentieren auch das Aufstellen von Theorien und deren Überprüfung.<br />
Wichtig ist es, dass Ergebnisse aus Experimenten interpretiert werden. Im Idealfall sollte der<br />
Schüler die Ergebnisse auf andere Bereiche, vor allem auf Bereiche die den Schüler selbst<br />
betreffen, übertragen können. Somit wäre der Physikunterricht lebendiger und motivierender.<br />
Das Experiment ist daher ein wichtiger Bestandteil des Unterrichts. Es ist hier zu beachten,<br />
dass die Experimente reproduzierbar sein müssen. Die Forderung nach Reproduzierbarkeit ist<br />
wohl eine der schwierigsten Anforderungen. Bereits bei Schülerversuchen wird dies klar,<br />
wenn in mehreren Gruppen einfachste Experimente durchgeführt werden. Nicht alle Gruppen<br />
werden die gleichen Ergebnisse liefern. Eine Streuung ist immer vorhanden. Einen Trend, in<br />
welche Richtung die Ergebnisse führen, wird man aber immer erkennen können. Werden die<br />
Versuche wiederholt, so wird der Mittelwert deutlicher erkennbar sein. An dieser Stelle kann<br />
man bereits darauf hinweisen, dass Physik mit Mathematik in einem engen Zusammenhang<br />
steht. Mittelwerte von Messergebnissen - später auch eine umfangreichere statistische<br />
Auswertung - sollten meiner Meinung nach immer gebildet werden und Ergebnisse, die davon<br />
stark abweichen, besprochen werden. Mit Hilfe von Experimenten ist es auch möglich, den<br />
Schülern die Arbeitsweise von Forschungsgruppen näherzubringen. Solche Gruppen arbeiten<br />
heute meist an Projekten. Diese müssen in einer gewissen Zeit vollendet sein. In solchen<br />
Projektstunden können Hypothesen aufgestellt, experimentell überprüft und diskutiert<br />
werden. Vor allem die Diskussion von Ergebnissen ist einer der wichtigsten Punkte. Eine<br />
solche kritische Diskussion darf nie fehlen.<br />
Durch Experimente im Physikunterricht, können mehrere Ziele, die vermittelt werden sollten,<br />
dem Schüler nähergebracht werden. Der Schüler lernt, wie er benötigte Daten beschaffen<br />
kann, und er lernt diese zu interpretieren. Das heißt, er lernt die Bedeutung der Daten zu<br />
erkennen und verstehen. Durch geschickte Fragestellungen des Lehrers ist es möglich, dass<br />
der Schüler physikalische Gesetze und Prinzipien nicht nur in vertrauten Situationen<br />
anwenden lernt, sondern auch in für ihn neuen Situationen. Ein weiterer Vorteil von<br />
Experimenten ist, dass sie in jeder Unterrichtsphase einsetzbar sind. Sie eignen sich zum<br />
5 Aus: DUDEN Grundwissen, Physik, 1999
Einstieg genauso, wie an einer anderen Stelle der Unterrichtsstunde. Für den Schüler ist es<br />
besonders wichtig, sich mit dem physikalischen Sachverhalt unmittelbar auseinanderzusetzen.<br />
Diese Möglichkeit hat er, wenn er die Versuche selbst durchführt. Schülerversuche regen<br />
außerdem zu weiterführenden Fragen an.<br />
In der Schule kann man zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Arten von<br />
Experimenten unterscheiden. Einerseits gibt es Experimente, die zur Gewinnung von<br />
Erkenntnissen eingesetzt werden, anderseits gibt es Experimente, die physikalische<br />
Zusammenhänge veranschaulichen. Wie bereits vorhin erwähnt, können physikalische<br />
Versuche in jeder Phase des Unterrichts eingesetzt werden. Versuche eignen sich um eine<br />
Einführung in ein Thema zu geben, es gibt Überraschungs-, Schau-, Erkenntnis-,<br />
Entwicklungs-, Bestätigungs-, Anwendungs- und Wiederholungsversuche. Bei<br />
Schülerversuchen können einerseits Sachverhalte beobachtet werden, andererseits lernt man<br />
Messinstrumente zu bedienen. Im Falle der vorhin beschriebenen Versuche aus der<br />
Wärmelehre treffen beide Fälle zu. Weiters muss zwischen Lehrerversuch und<br />
Schülerversuch unterschieden werden.<br />
Beim Lehrerversuch wird der Schüler in die Rolle des passiven Zuschauers gedrängt. Dies<br />
kann verhindert werden, wenn der Schüler bereits an den Vorüberlegungen und Planungen<br />
des Versuchs beteiligt wird. Dadurch wird der Schüler zum aktiv Beteiligten, was ihn<br />
zusätzlich motiviert. Der Lehrer muss bei dieser Art der Einbindung allerdings achtsam sein.<br />
Der Versuch muss schließlich auch durchführbar sein, die Schülerüberlegungen dürfen aber<br />
nicht übergangen werden. Lehrerversuche sind öfters komplizierter im Aufbau. Es besteht die<br />
Gefahr, dass Versuche für den Schüler nicht mehr nachvollziehbar sind. Diese Gefahr muss<br />
gemindert werden. Dies kann erreicht werden, indem man einfachere Vorversuche durchführt,<br />
oder aber einen Bezug zur Lebenswelt der Schüler herstellt.<br />
Weitaus wichtiger als der Lehrerversuch ist der Schülerversuch. Bei ihm wird der Schüler<br />
zum Handelnden. Er ist selbstverantwortlich und ist mit dem physikalischen Sachverhalt<br />
unmittelbar konfrontiert. Der Schüler kann das Geschehen beeinflussen und beobachten.<br />
Außerdem hat er die Möglichkeit aktiv und produktiv am Unterricht teilzunehmen. Die<br />
Selbsttätigkeit des Schülers hebt die Motivation und fördert so das Interesse der Schüler.<br />
Schülerversuche werden allerdings recht selten im Unterricht eingesetzt, weil dafür ein großer<br />
technischer Aufwand und vor allem ein großer Zeitaufwand benötigt wird. Trotzdem sollte
der Anteil an Schülerversuchen möglichst hoch gehalten werden. Ein weiteres Problem, das<br />
bei Schülerversuchen auftritt, ist die recht große Anzahl an Schülern. Besonders gut für<br />
Schülerversuche eignet sich die Zweiergruppe. Versuche in Zweiergruppen sind aber<br />
praktisch nie durchführbar. Sehr häufig werden die Versuche daher in Vierergruppen<br />
durchgeführt. Hierbei muss aber bereits ein „Arbeitsplan“ für die vier Schüler vorliegen,<br />
damit wirklich jeder Schüler in die Arbeit eingebunden wird. Auch die Sitzordnung muss<br />
geändert werden, damit die Kommunikation in der Gruppe nicht leidet.<br />
Bei Schülerversuchen hat man die Möglichkeit, alle Schüler den selben Versuch durchführen<br />
zu lassen. Bei dieser Form kann man Ergebnisse vergleichen und die Unterschiede, die sicher<br />
auftreten werden, besprechen. Andererseits kann man die Versuche aber auch dafür<br />
verwenden, um den gleichen Sachverhalt auf verschiedene Arten zu überprüfen, oder aber<br />
auch völlig verschiedene Versuche durchführen zu lassen. Diese unterschiedlichen Versuche<br />
können anschließend der Klasse präsentiert werden. Schülerversuche nehmen sicherlich sehr<br />
viel Zeit in Anspruch, heben aber im allgemeinen das Interesse der Schüler.<br />
Computer im Physikunterricht<br />
Für den Einsatz von Versuchen im Unterricht stehen dem Physiklehrer viele verschiedene<br />
Geräte zur Verfügung. In letzter Zeit kommt natürlich auch vermehrt der Computer zum<br />
Einsatz. Computer können nicht nur für Versuche herangenommen werden, vielmehr ergeben<br />
sich sehr viele verschiedene Möglichkeiten den Computer zu verwenden. Er kann dazu<br />
verwendet werden, um Texte wie auf der Tafel darzustellen, um Bilder zu zeigen, die man<br />
sich mittlerweile bequem und einfach aus dem Internet herunterlädt. Er eignet sich, um<br />
Versuche durchzuführen beziehungsweise zu simulieren, die ansonsten nie im Unterricht<br />
gezeigt werden könnten. Als Speichermedium dient er dazu, Ergebnisse zu speichern, zu<br />
kombinieren und weiter zu bearbeiten. Außerdem hat man die Möglichkeit sich Informationen<br />
zu beschaffen, für die ansonsten eine sehr große Fachbibliothek eingerichtet werden müsste.<br />
Verwendet der Physiklehrer den Computer als Versuchsgerät, so müssen zwei<br />
Einsatzmöglichkeiten verglichen werden.<br />
Einerseits eignet sich der Computer hervorragend für Simulationen von physikalischen<br />
Vorgängen. Hier können die Auswirkungen von verschiedenen Start- und Nebenbedingungen<br />
schnell und relativ einfach überprüft werden. Das Problem, welches hier auftritt ist, dass die<br />
Beschreibung der Naturvorgänge zu idealisiert und abstrahiert erscheinen kann. Auch der<br />
Aufbau komplizierter Versuche ist bei dieser Art der Nutzung nicht mehr notwendig. Der
Lehrer braucht nur das entsprechende Computerprogramm zu starten. Es ist daher sinnvoll,<br />
Simulationen nur dort einzusetzen, wo Schulversuche unmöglich sind und bei denen man eine<br />
Visualisierung der Problemstellung erreichen will. Als Beispiel nenne ich hier nur die<br />
Visualisierung des Doppler-Effekts. Andererseits können Versuche, die ohne Computer in<br />
einer gewissen Schulstufe nicht durchgeführt werden konnten, nun im Unterricht gezeigt<br />
werden, da der Schüler nicht unbedingt das mathematische Rüstzeug dafür benötigt. Zum<br />
Beispiel können Differentialgleichungen in einfachere Differenzengleichungen, die der<br />
Computer mehrmals hintereinander durchführt, umgewandelt werden.<br />
Setzt man den Computer als Messinstrument ein, so kann wohl einer seiner größten Vorteile<br />
genutzt werden. Die Anzahl der Messwerte vergrößert sich gegenüber den herkömmlichen<br />
Methoden schlagartig. In Schülerversuchen kann die Anzahl der Messwerte zwar noch relativ<br />
hoch gehalten werden, da meist in Zweier- oder Vierergruppen gearbeitet wird, im Vergleich<br />
mit einem Computer ist diese Zahl allerdings doch sehr gering. Diese große Anzahl von Daten<br />
kann nun auch gespeichert werden, man kann sie später bearbeiten und in anderen<br />
Programmen verwenden. Die Verarbeitung der Daten erfolgt sehr schnell. Somit können in<br />
der gleichen Zeit mehrere Messreihen durchgeführt und verglichen werden. Die<br />
Fehleranfälligkeit der Messdaten reduziert sich auf die Toleranzgrenzen des verwendeten<br />
Gerätes und auf den Versuchsaufbau. Der Faktor Mensch wird beinahe ausgeschaltet. Wichtig<br />
ist aber, dass der Schüler mitdenken kann.<br />
Die Ergebnisse müssen auf alle Fälle besprochen werden. Dadurch ändert sich der Unterricht.<br />
Schüler müssen mitdenken, argumentieren und kritisch die Ergebnisse betrachten. Sie werden<br />
angeregt, am Unterricht aktiver mitzuarbeiten. Die Interpretationen von Daten und Graphen<br />
ist nun ein ganz wichtiger Aspekt, noch wichtiger als bei Versuchen, die herkömmlich<br />
durchgeführt werden. Erlernt der Schüler diese Fähigkeit, so hilft sie ihm nicht nur im<br />
Physikunterricht. Diese Fähigkeit ist im Computerzeitalter wohl schon eine der wichtigsten.<br />
Außerdem können durch die große Anzahl von Messdaten verschiedenste physikalische<br />
Aspekte, die sonst vielleicht verborgen bleiben, besprochen werden. So kommt es bei der<br />
Erwärmung einer Lösung nicht nur zu einer Siedepunkterhöhung, die Lösung erwärmt sich<br />
wegen der niedrigeren Wärmekapazität schneller. Liest man die Temperatur in diesem<br />
Versuch selbst von einem herkömmlichen Thermometer ab, so bleibt dieser Aspekt<br />
möglicherweise verborgen. Auch die Auflösung der Messergebnisse wird mit dem Einsatz<br />
eines Computers höher. So ist es im herkömmlichen Sinn wohl unmöglich, die Temperatur<br />
eines Gegenstandes während eines Versuchs auf Tausendstel genau abzulesen. Somit können
ereits sehr viel kleinere Temperaturunterschiede, wenn man die Messgenauigkeit<br />
berücksichtigt, aufgelöst werden. Die Einsatzmöglichkeiten vergrößern sich damit nochmals.<br />
Bei all den positiven Auswirkungen auf den Physikunterricht darf aber nicht vergessen<br />
werden, dass mit dem Einsatz des Computers auch Probleme auftreten können. Durch den im<br />
allgemeinen komplizierteren Aufbau von Versuchen kommt es meist zu Problemen mit dem<br />
Verständnis. Kann dieses Problem nicht behoben werden, erkennt der Schüler keinen<br />
Unterschied zwischen vorgegebenen Daten aus einem Buch und den von ihm selbst<br />
gesammelten Daten. Weil die Anschaffung von Computern und ähnlichen Systemen auch<br />
nicht gerade kostengünstig ist, steht einer Schule meist nur ein Gerät zur Verfügung. Der<br />
Lehrer wird somit dazu verleitet, Lehrerversuche durchzuführen. Sie sind aber, wie bereits<br />
vorhin erwähnt, nicht unbedingt dazu geeignet, die Schüler für den Physikunterricht zu<br />
motivieren und ihr Interesse zu steigern.<br />
Ich möchte jetzt noch einen Vergleich zwischen dem Einsatz von Computern und dem<br />
mobilen Messsystem von Texas Instruments anstellen. Alle Argumente, die für den Einsatz<br />
eines Computers im Physikunterricht gelten, gelten meiner Meinung nach auch für den<br />
Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems. Es ist vorteilhaft, wenn die Schüler mit einem graphikfähigen<br />
Rechner bereits ausgerüstet sind, und diesen Rechner in anderen Gegenständen auch<br />
verwenden. Damit fällt die Einschulung am Taschenrechner für den Physiklehrer weg. Hat<br />
jeder Schüler einen Rechner, so kann jeder einzelne die Daten auf seinem Rechner selbst<br />
bearbeiten und die Ergebnisse können leichter besprochen werden. Hat man diese<br />
Möglichkeit nicht, so können Taschenrechner bei Texas Instruments für eine gewisse Zeit<br />
ausgeliehen werden. Entscheidet man sich für diese Möglichkeit, muss den Schülern<br />
allerdings eine gewisse Zeit zur Einarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Diese Aufgabe<br />
kann zwar schnell erledigt werden, Zeit dafür muss man trotzdem „opfern“. Mit dem <strong>CBL</strong>-<br />
System ist es nun möglich, eine sehr große Anzahl von Versuchen durchzuführen. Die<br />
Datenerhebung geht gleich schnell wie mit Computern. Für die Besprechung danach wird<br />
ebenso eine Menge Zeit benötigt.<br />
Die großen Vorteile des <strong>CBL</strong>-Systems sind aber einerseits der Preis, andererseits die<br />
Mobilität. So können mit Hilfe des <strong>CBL</strong>-Systems sehr viele Versuche außerhalb des<br />
Physiksaals durchgeführt werden. Der Schüler hat somit die Möglichkeit die Physik in der<br />
Natur zu erleben. Die Physik wird sicherlich lebendiger, wenn die Versuche an Ort und Stelle<br />
durchgeführt werden können, und nicht nur in Modellen im Physiksaal. Diese Tatsachen<br />
sprechen wohl für einen Einsatz des mobilen Messsystems. Hat eine Schule mehrere <strong>CBL</strong>-
Systeme im Einsatz, so können die Schülergruppen so eingeteilt werden, dass ein Teil der<br />
Klasse mit herkömmlichen Methoden einen Versuch durchführt, der andere Teil aber mit<br />
Hilfe eines Computersystems. Die Ergebnisse werden verschieden sein. Bespricht man die<br />
Unterschiede, so kann dies sehr viel zum Verständis eines physikalischen Sachverhaltes<br />
beitragen. Die Schüler lernen schneller und sie behalten die Physik leichter im Gedächtnis.
<strong>DER</strong>ZEITIGER <strong>EINSATZ</strong> <strong>DES</strong> TI-92 IM UNTERRICHT<br />
Es gibt einige Initiativen, um den Einsatz von <strong>CBL</strong> und TI-92 im Unterricht zu fördern. So<br />
gibt es zum Beispiel das Projekt T 3 . T 3 steht dabei für Teachers Training with Technology und<br />
ist eine Initiative zur Förderung des technologie-unterstützten Mathematikunterrichtes. Da<br />
viele Mathematiklehrer auch Physiklehrer sind, verwenden sie die Graphikrechner nicht nur<br />
im Mathematikunterricht. Der Einsatz dieser Rechner beschränkt sich allerdings doch auf<br />
einzelne Lehrer. Es gibt zwar genügend Seminare, zu denen alle Lehrer eingeladen werden, es<br />
scheitert aber doch immer wieder an der Ausstattung der Schulen. Einer informellen Umfrage<br />
zufolge, gibt es unter den 22 Allgemeinbildenden Höheren Schulen in Graz nur zwei Schulen,<br />
die mit dem <strong>CBL</strong>-System ausgerüstet sind.<br />
Daher beschränkt sich natürlich auch der Einsatz des Systems auf diese Schulen. Es gibt<br />
dennoch ausreichend Literatur, die sich mit dem Einsatz von Taschenrechnern und <strong>CBL</strong><br />
beziehungsweise CBR im Physikunterricht auseinandersetzt. So gibt es einige Hefte in<br />
deutscher Sprache, eine große Anzahl an Heften in englischer Sprache. Als Beispiele möchte<br />
ich hier nennen:<br />
Keunecke, K.-H.<br />
Computerunterstützter Physikunterricht, Experimente zur Mechanik und ihre Auswertung<br />
mit dem CAS des TI-92, Texas Instruments, 1998<br />
Grote, M.<br />
<strong>CBL</strong>-Praktikum mit dem TI-92, Schwingungen und Wellen, Texas Instruments<br />
Hinkelmann, H.-D.<br />
Experimente zur Mechanik mit dem CBR, Hagenberg. bk teachware, 1999<br />
Hinkelmann, H.-D.<br />
Experimente aus der Physik mit <strong>CBL</strong>2 und TI-92 Plus, Hagenberg. Bk teachware, 2001<br />
Volz, D.L., Sapatka S.<br />
Physical Science with <strong>CBL</strong>, Vernier Software, 1997
Gastineau, J.<br />
Physics with <strong>CBL</strong>, Vernier Software, 1998<br />
BRUENINGSEN, C., KRAXIEC W.<br />
Exploring Physics and Math with the <strong>CBL</strong>-System, Texas Instruments, 1994<br />
Breitschuh, Th.<br />
Messen mit dem Taschenrechner, Klett-Verlag<br />
Weiters gibt es noch ein Heft von Bernhard Buchner. Die Angaben dazu findet man im<br />
Quellennachweis der D<strong>iplomarbeit</strong>, auf Seite 101.<br />
Alle diese Hefte beinhalten Versuchsbeschreibungen, die mit Hilfe von <strong>CBL</strong>, CBR und TI-<br />
Rechnern durchgeführt werden können. Die Versuche werden genau beschrieben und es gibt<br />
Anregungen für weiterführende Arbeiten. Jeder Lehrer muss die Versuche allerdings selbst<br />
ausprobieren und so entscheiden, ob sich der Einsatz im Unterricht für ihn lohnt.
Die Stunden im <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong><br />
Ich hatte die Möglichkeit in der 6.b-Klasse des <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong>straße in Graz im Schuljahr<br />
2001/2002 einige meiner beschriebenen Experimente durchzuführen. Bei diesen<br />
Unterrichtseinheiten konnte ich somit die Einsatzmöglichkeiten des <strong>CBL</strong>-Systems selbst<br />
erproben. Gemeinsam mit dem Physiklehrer Dr. Gerhard Rath haben wir uns für vier meiner<br />
vorhin beschriebenen Experimente entschieden. Ich führte mit den Schülern folgende<br />
Versuche, in dieser Reihenfolge, durch:<br />
Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung<br />
Lösungswärme – Gefrierpunktsenkung<br />
Kühlen durch Verdunsten<br />
Die relative Luftfeuchte<br />
Ich habe mich für diese vier Experimente deswegen entschieden, weil sie verschiedenste<br />
Aspekte berücksichtigen. Der erste Versuch sollte die Schüler motivieren und sie für das<br />
<strong>CBL</strong>-System begeistern. Es konnte allerdings nur die halbe Klasse damit arbeiten, die andere<br />
Hälfte musste mit herkömmlichen Methoden die Abkühlkurven aufnehmen. Daher wollte ich<br />
unbedingt einen Versuch durchführen, bei dem die ganze Klasse mit dem <strong>CBL</strong>-System<br />
arbeiten konnte. Dafür eignete sich der zweite Versuch. Auch die Bestimmung der<br />
Solarkonstante hätte sich geeignet. Hat man aber nur bestimmte Stunden zur Verfügung, so<br />
muss an diesem Tag die Sonne scheinen. Daher entschied ich mich lieber für den Nachweis<br />
der Gefrierpunkterniedrigung. Der dritte Versuch diente zur Erklärung des vierten Versuches.<br />
Die Bestimmung der relativen Luftfeuchte benötigt schon einige Vorarbeit. Dieser Versuch<br />
war überdies der einzige, den ich als Lehrerversuch durchführte. Damit konnte ich mit diesen<br />
vier Versuchen viele Erkenntnisse sammeln.<br />
Allgemeine Klassensituation<br />
In der 6.b-Klasse des <strong>BRG</strong> <strong>Kepler</strong>straße saßen 24 Schüler. Davon hatten drei Schüler einen<br />
TI-92, ein weiterer einen TI-89. Somit standen mir für die Unterrichtseinheiten insgesamt 8<br />
Graphikrechner von Texas Instruments zur Verfügung. Mit diesen 8 Rechnern war es<br />
möglich, die Klasse in sieben Arbeitsgruppen aufzuteilen und einen Rechner als Reserve<br />
zurückzuhalten. Die Gruppen wurden zu Beginn eingeteilt, die Schüler arbeiteten immer in<br />
der selben Gruppe zusammen. Neben den acht Rechnern standen uns insgesamt 4 <strong>CBL</strong>-
Systeme zur Verfügung. Bei den <strong>CBL</strong>-Systemen handelte es sich um zwei <strong>CBL</strong> und zwei<br />
<strong>CBL</strong>2-Systeme. Für die durchgeführten Versuche ergaben sich dabei allerdings keinerlei<br />
Unterschiede. Mit den vier <strong>CBL</strong>-Systemen standen uns somit auch vier Temperatursensoren<br />
der Standardausrüstung zur Verfügung. Erst hier erkannte ich, dass gerade die Anzahl der<br />
Sensoren das eigentliche Problem der Ausrüstung sein könnte. Weil uns nur diese vier<br />
Sensoren zur Verfügung standen, entschlossen wir uns dafür, dass je drei Arbeitsgruppen mit<br />
herkömmlichen Methoden die Messungen durchführen mussten. Vier Gruppen konnten das<br />
<strong>CBL</strong>-System nutzen. Je zwei Gruppen mussten allerdings warten, bis die anderen Gruppen<br />
ihren Versuch durchgeführt hatten. Der einzige Versuch, den die ganze Klasse mit dem <strong>CBL</strong>-<br />
System durchführen konnte, war der Nachweis der Lösungswärme. Hier wurde nur ein Sensor<br />
benötigt und auch die Versuchszeit konnte kurz gehalten werden. Wegen der<br />
unterschiedlichen Arbeitsweise war es mir aber möglich direkte Vergleiche zwischen <strong>CBL</strong><br />
und herkömmlichem Experimentiergerät herauszuarbeiten.<br />
DIE ERSTE STUNDE<br />
Nun war es also so weit, ich hatte die Möglichkeit Anfang Oktober zum ersten Mal mit der<br />
Klasse zu arbeiten. Nachdem nur wenige mit dem Graphikrechner von Texas Instruments<br />
vertraut waren, bestand die erste Aufgabe darin, den Schülern den TI-92 und das <strong>CBL</strong>-System<br />
näher zu bringen. Dafür stand mir eine siebente Stunde zur Verfügung. Es war in einer Stunde<br />
möglich, den Schülern soviel beizubringen, dass sie erste Temperaturmessungen durchführen<br />
und erste Temperaturkurven aufzeichnen konnten. Auch die grundlegenden Kenntnisse, wie<br />
mit dem Programm CHEMBIO umgegangen werden muss, konnten die Schüler erlernen.<br />
Dazu bereitete ich Folien vor, auf denen die wichtigsten Screenshots zu sehen waren. Damit<br />
hatten die Schüler immer wieder die Möglichkeit Fehler sofort zu erkennen. Die Folien sind<br />
der Arbeit angehängt. Für das Kennenlernen des Programms wurde fast die gesamte Stunde<br />
benötigt, denn mein Ziel war es, dass alle Gruppen zumindest eine Kurve aufnehmen konnten.<br />
Auf Grund der Tatsache, dass nur vier <strong>CBL</strong>-Systeme, was bereits eine beträchtliche Anzahl<br />
ist, zur Verfügung standen, dauerte dies relativ lange. Einige Gruppen nahmen recht viele<br />
Temperaturkurven auf, ohne das System einer weiteren Gruppe zur Verfügung zu stellen.<br />
Daher war es auch recht mühsam weitere Arbeitsschritte zu erklären und die Aufmerksamkeit<br />
wieder auf mich zu lenken. In dieser Stunde wollte ich auch eine Messung mit zwei Sensoren<br />
durchführen lassen. Dies wäre nicht sinnvoll gewesen, da es jeweils nur zwei Gruppen<br />
möglich gewesen wäre, gleichzeitig diese Messung durchzuführen. Am Ende der Stunde habe<br />
ich noch die Weiterbearbeitung der Daten besprochen. Diese Weiterbearbeitung konnte aber
am darauffolgenden Tag von den Schülern nicht selbständig durchgeführt werden. Die<br />
Informationen am Vortag waren einfach zu viel. Es zeigte sich in dieser Stunde, dass die<br />
Schüler, die einen Graphikrechner besitzen, weit schneller die benötigten Fähigkeiten<br />
erlernten. So musste den restlichen Schülern teilweise erst Grundlegendes im Umgang mit<br />
dem Rechner beigebracht werden. Dies geschah in der Gruppe und nicht vor der ganzen<br />
Klasse.<br />
DIE ZWEITE STUNDE – <strong>DER</strong> ERSTE VERSUCH:<br />
<strong>DER</strong> ABKÜHLVORGANG – WÄRMEÜBERTRAGUNG<br />
Am darauffolgenden Tag konnte ich mit den Schülern den ersten Versuch durchführen. Als<br />
ersten Versuch sollten die Schüler die Abkühlkurven von Kaffee und Kaffe mit Milch<br />
aufnehmen. Die Versuchsbeschreibung findet sich auf Seite 25, das dazugehörige Arbeitsblatt<br />
auf Seite 62 dieser Arbeit. Die Schüler hatten in Bezug auf Wärmeübertragung keinerlei<br />
Vorkenntnisse. Sie sollten anhand des Experiments erkennen, dass ein Temperaturausgleich<br />
schneller stattfindet, je höher der Temperaturunterschied ist. Sie sollten das Erlernte auch in<br />
einem Gebiet anwenden können, das für sie neu ist.<br />
Die sieben Arbeitsgruppen wurden nun so eingeteilt, dass drei Gruppen mit zwei<br />
Thermometern den Versuch durchführten. Sie sollten so viele Messpunkte wie möglich über<br />
zehn Minuten sammeln. Für die Gruppen, die mit dem <strong>CBL</strong> arbeiteten, änderte ich die<br />
Versuchzeit so ab, dass die Schüler in fünf Minuten sechzig Messpunkte sammeln sollten.<br />
Somit war es möglich, dass alle Gruppen annähernd gleichzeitig mit dem Versuch fertig<br />
waren.<br />
Wegen der sieben Gruppen musste zu Beginn genügend Material vorhanden sein. Dies war<br />
die größte Schwierigkeit des Experiments. Wir benötigten vierzehn Tassen, wobei zwei<br />
jeweils gleich sein mussten, sechs funktionierende Thermometer, Kaffee und Milch. Gleich<br />
beim ersten Versuch wurden also die Grenzen der Ausrüstung aufgezeigt. Für dieses<br />
Experiment verwendete ich echten Kaffee und Haltbarmilch. Der Kaffee wurde noch vor der<br />
Stunde vorbereitet, damit wirklich die ganze Stunde für das Experiment zur Verfügung stand.<br />
Die Schüler zeigten zu Beginn der Stunde bereits großes Interesse, als ich ihnen erklärte um<br />
was es bei diesem Experiment geht. Zusätzliche Motivation wurde dadurch erzeugt, dass sie<br />
am Ende des Versuches den Kaffee trinken konnten. Bevor die Arbeitsblätter ausgeteilt<br />
wurden, habe ich den Schülern die Vorgangsweise erklärt. Da ich aber die Arbeitsschritte<br />
auch am Arbeitsblatt erklärte, beschränkte ich mich vorerst nur auf eine Einleitung. Leider hat<br />
den Text am Arbeitsblatt fast kein Schüler gelesen. Somit musste jeder Gruppe die
Arbeitsweise nochmals erklärt werden. Ein Problem, dass sich bei den mit dem <strong>CBL</strong>-System<br />
ausgerüsteten Gruppen zeigte war, dass nun zwei Temperatursensoren angeschlossen werden<br />
mussten. Die Schüler konnten zwar Messungen mit einem Sensor durchführen, aber mit zwei<br />
Sensoren mussten sie andere Einstellungen treffen. Da allerdings nur je zwei Gruppen<br />
gleichzeitig mit dem <strong>CBL</strong> arbeiteten, stellte diese Situation kein großes Problem dar.<br />
Die Gruppen, die mit dem <strong>CBL</strong> arbeiteten, bekamen alle die gleichen Ergebnisse, die<br />
Graphen waren sehr ähnlich. Und das, obwohl die Menge Kaffee und die Menge Milch<br />
beliebig waren. Auch die Gruppen, die herkömmlich arbeiteten kamen zum richtigen<br />
Ergebnis, obwohl alle verschiedene Zeitspannen zwischen den Messungen wählten.<br />
Bei der Weiterbearbeitung der Daten, hier also die Darstellung des Zeit-Temperaturdifferenz-<br />
Graphen zeigte sich der große Vorteil des TI-Rechners. Die Gruppen, die mit dem <strong>CBL</strong>-<br />
System arbeiteten und damit die Werte am Rechner bearbeiten konnten, kamen immer zum<br />
richtigen Graphen, während die Schüler, die die Temperaturdifferenz selbst berechnen<br />
mussten teilweise zu falschen Werten und damit falschen Graphen kamen. Daher war es einer<br />
Gruppe nicht möglich den „je-desto-Satz“ richtig zu vervollständigen.<br />
Am Ende sollten die Schüler ihre Erfahrungen auf ein weiteres Alltagsproblem übertragen<br />
können. Dies war den Schülern aber ohne weiteren Erklärungen nicht möglich. Die Frage<br />
wurde nicht richtig gelesen beziehungsweise falsch verstanden. Die Schüler ignorierten die<br />
Frage in Bezug auf das Energiesparen und bezogen die Frage auf ihr Wohlbefinden.<br />
Die Zeit, die dieser Versuch in Anspruch nahm, stellte kein Problem dar. Innerhalb einer<br />
halben Stunde konnten alle Schüler das Experiment durchführen, zu Ergebnissen kommen<br />
und das Arbeitsblatt ausfüllen.<br />
DIE DRITTE STUNDE – <strong>CBL</strong> FÜR ALLE:<br />
LÖSUNGSWÄRME – GEFRIERPUNKTSENKUNG<br />
In dieser Stunde führten die Schüler den zweiten Versuch durch. Die Schüler sollten<br />
untersuchen was geschieht, wenn eine gewisse Menge Zucker beziehungsweise Salz zu einer<br />
bestimmten Menge Eis gegeben wird. Sie sollten erkennen, dass eine Lösung einen<br />
niedrigeren Gefrierpunkt besitzt, als das Lösungsmittel selbst. Dieser Versuch entspricht<br />
Experiment 5, Seite 36.<br />
Für dieses Experiment benötigt man nur einen Temperatursensor. Daher war es in dieser<br />
Stunde möglich, dass alle Schüler mit dem <strong>CBL</strong> den Versuch durchführen konnten. Das<br />
Material für diesen Versuch zu besorgen war nicht schwierig. Alles was benötigt wurde fand<br />
sich in der Schule.
Die sieben Gruppen bekamen wiederum Arbeitsblätter. Der Temperaturverlauf bei Zugabe<br />
von 5 Gramm Salz, 10 Gramm Salz, 5 Gramm Zucker und 10 Gramm Zucker zu je 50 Gramm<br />
Eis sollte von je zwei Gruppen untersucht werden. Da die Stunden in denen mit dem <strong>CBL</strong>-<br />
System gearbeitet wurde hintereinander stattfanden, hatten sich die Schüler bereits an die<br />
Arbeitsweise gewöhnt. Daher kam es in dieser Stunde zu keinen großen Schwierigkeiten.<br />
Leider konnten wieder nur vier Gruppen gleichzeitig Messungen durchführen. Die Zeitdauer<br />
für eine Messung betrug 5 Minuten. Das Weitergeben des <strong>CBL</strong>-Systems verlief reibungslos.<br />
Alle Gruppen erzielten gute Ergebnisse und beantworteten die nachfolgenden Fragen. Die<br />
Schüler waren es bereits gewohnt, einen physikalischen Sachverhalt selbst herauszufinden<br />
und zu interpretieren. Die einzige Schwierigkeit bestand für die Schüler darin, dass ich ihnen<br />
die Einstellungen für die y-Achse nicht bekannt gegeben habe. Dadurch verlief die Messung<br />
meist in einem Bereich der von den Schülern nicht mitverfolgt werden konnte. Fast alle<br />
Schüler wählten die x-Achse als unteren Wert. Diesen Fehler habe ich bei den Gruppen, die<br />
erst bei der zweiten Runde ihre Messungen durchführten, vermieden. Ich gab ihnen den<br />
Hinweis, welchen Bereich sie für die Temperaturmessung wählen sollten.<br />
Auch in dieser Stunde kam nie ein Zeitproblem auf, obwohl nicht alle Gruppen gleichzeitig<br />
arbeiten konnten.<br />
KÜHLEN DURCH VERDUNSTEN – STUNDE VIER<br />
Eine Woche ist seit der letzten Stunde vergangen. Nachdem die Schüler der 6.b-Klasse einige<br />
Theorie über die Aggregatzustände hörten, sollten sie das Phänomen der Verdunstungskälte<br />
untersuchen. Der Versuch „Kühlen durch Verdunsten“ ist Experiment 1 meiner Arbeit. Die<br />
Durchführung wird auf Seite 22 beschrieben. Das dazugehörige Arbeitsblatt findet man auf<br />
Seite 60. Die Schüler sollten in dieser Stunde erkennen, dass eine Flüssigkeit schneller<br />
auskühlt, wenn man über sie hinweg bläst. Diese Eigenschaft hat sicher jeder Schüler schon<br />
oft angewendet, eine Untersuchung dieser Tatsache sollte zeigen ob diese Vorgangsweise<br />
auch sinnvoll ist.<br />
Es wurden für dieses Experiment wieder zwei Temperatursensoren benötigt. Daher mussten<br />
drei Gruppen mit herkömmlichen Methoden diesen Versuch durchführen. Die Gruppen, die<br />
beim ersten Versuch mit zwei Thermometern arbeiteten bekamen nun die Möglichkeit mit<br />
dem <strong>CBL</strong>-System zu arbeiten. Doch gerade darin bestand das erste Problem. Nur eine einzige<br />
Gruppe war bereit, mit Thermometern zu arbeiten, die restlichen zwei Gruppen warteten mit<br />
dem Beginn der Arbeit, bis die „<strong>CBL</strong>-Gruppen“ mit dem Versuch fertig waren. Die
Versuchszeit war bei diesem Versuch mit zweieinhalb Minuten allerdings so kurz, dass es<br />
sich in der Stunde ausging, dass alle Gruppen ihre Versuche zu Ende bringen konnten.<br />
Es zeigte sich in dieser Stunde, dass alle Schüler mit dem <strong>CBL</strong> umgehen konnten, obwohl<br />
eine Woche seit der letzten Stunde vergangen war. Die Ergebnisse dieses Versuchs waren gut,<br />
es zeigte sich jedoch, dass er wesentlich sensibler auf die Anfangsbedingungen reagiert, als<br />
die vorangegangenen Versuche. Das Leitungswasser hatte zwar die gleiche<br />
Anfangstemperatur, die Bedingungen wie Gefäßgröße, Wassermenge und Stärke, mit der der<br />
Wasserdampf über einem der Gefäße weggeblasen wurde, spielten aber eine wichtige Rolle.<br />
Wie bereits erwähnt, kamen trotzdem alle Gruppen zum richtigen Ergebnis, also dass sich die<br />
Flüssigkeit durch Fächeln oder Blasen - ein kritisches Wort für Sechzehnjährige - schneller<br />
abkühlt. Das Bearbeiten der Arbeitsblätter stellte für die Schüler wiederum keine<br />
Schwierigkeit dar. Sie waren an die Arbeitsweise bereits gewöhnt.<br />
Als wichtigste Erkenntnis dieser Stunde ist festzuhalten, dass es besser wäre, Versuche bei<br />
denen die Schüler zwei unterschiedliche Arbeitsmethoden anwenden sollten, hintereinander<br />
zu machen. Werden moderne Technologien so eingesetzt, dass alle Schüler einmal damit<br />
arbeiten können, ist es sehr schwer sie wieder an andere Arbeitstechniken zu gewöhnen.<br />
Würde ich die Gelegenheit bekommen, diese Experimente nochmals durchzuführen, so würde<br />
ich die Reihenfolge der Experimente vertauschen, solange man nur wenige <strong>CBL</strong>-Systeme<br />
anbieten kann.<br />
DIE LETZTE STUNDE – EIN LEHRERVERSUCH:<br />
DIE RELATIVE LUFTFEUCHTE<br />
In der letzten Stunde der Unterrichtseinheit wählte ich einen Versuch, den ich als<br />
Lehrerversuch zeigen wollte. Dieser Versuch „Die Bestimmung der relativen Luftfeuchte<br />
mittels Psychrometer“ entspricht Experiment 6, Seite 40. Der letzte Versuch war auch etwas<br />
aufwendiger. Zwar nicht vom Versuchsaufbau, aber von der Physik her. Die Schüler sollten<br />
gemeinsam mit mir die relative Luftfeuchte im Klassenzimmer berechnen. Sie sollten in<br />
dieser Stunde auch lernen, dass kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme<br />
Luft.<br />
Der Versuch wurde am Lehrertisch durchgeführt. Ein kleiner 12 Volt Ventilator sorgte für<br />
den Luftstrom. Um ein Thermometer war ein feuchtes Taschentuch gewickelt. Eine kleine<br />
Wetterstation lieferte die Werte des Luftdrucks und der relativen Luftfeuchte zum Vergleich.<br />
Einige Schüler fragten bereits, ob sie diesen Versuch heute nicht auch selbst durchführen<br />
könnten. Sie wollten also mit dem <strong>CBL</strong>-System arbeiten und selbst physikalische
Sachverhalte klären. Dies war auf Grund der notwendigen Ausrüstung nicht möglich.<br />
Außerdem wollte ich diesen Versuch unbedingt selbst durchführen. Gerade hier zeigte sich<br />
einer der Nachteile von Lehrerversuchen. Der Versuchsaufbau konnte nicht von allen<br />
Schülern eingesehen werden. Ohne Projektion des Graphen auf die Wand war die<br />
Versuchsdurchführung für die Schüler nicht beobachtbar. Der erhaltene Graph wurde den<br />
Schülern erst im Anschluss an die Messung gezeigt.<br />
Die größte Schwierigkeit an diesem Versuch lag aber schließlich an der Auswertung der<br />
Ergebnisse. So waren die Schüler kaum in der Lage, die angegebene Rechnung<br />
durchzuführen. Die Schüler sollten zuerst versuchen, die Rechnung selbständig zu lösen. erst<br />
im Anschluss daran wollte ich mit ihnen die Rechnung gemeinsam noch einmal lösen. Es<br />
kamen hier aber viele Schwierigkeiten zum Vorschein. Einerseits bereitete ihnen das Ablesen<br />
des Sättigungsdampfdrucks Schwierigkeiten, andererseits die physikalischen Einheiten, die<br />
Konstante A und der Dampfdruck e. Gemeinsam konnte die Rechnung schließlich gelöst<br />
werden. Sie lieferte als Ergebnis 60% Luftfeuchte, das Hygrometer zeigte 65% an. Das<br />
Ergebnis kann sich also sehen lassen.<br />
SCHÜLERBEFRAGUNG<br />
Als Abschluss dieser Unterrichtseinheit sollten die Schüler Fragen zum Unterricht mit dem<br />
<strong>CBL</strong>-System beantworten. Hier sind nun einige der Antworten der Schüler, die wohl keine<br />
weitere Interpretation benötigen.<br />
1. Was war gut?<br />
„Der Unterricht ist kurzweilig“<br />
„Alternative zum normalen Unterricht“<br />
„Ich habe neue Erkenntnisse gewonnen“<br />
„Endlich Unterricht mit technischen Hilfsmitteln“<br />
„Wir hatten genug Zeit, um die Themen zu bearbeiten“<br />
„Abwechslung zur Theorie“<br />
„Ich habe mich mit Protokollen und Thema auseinandergesetzt“<br />
„es geht relativ schnell“<br />
„Durch die Versuche konnten wir praktisch arbeiten, was ich sehr gut finde“<br />
„Interessanter und lustiger Unterricht“<br />
„Wir haben auch mehr dadurch gelernt“
„Man lernt den Einsatz technischer Hilfsmittel kennen und kann schneller arbeiten“<br />
„Es hat Spaß gemacht“<br />
„Schnelle und genaue Auswertung der Diagramme“<br />
„sehr effizientes Arbeiten, keine langen Aufbauzeiten bei den Versuchen“<br />
„Weitere Funktionen des Rechners kennen lernen“<br />
„Abwechslung zum normalen Physikunterricht“<br />
2. Was war schlecht?<br />
„zu wenige <strong>CBL</strong>-Systeme und TI’s“<br />
„Es kann nur einer arbeiten“<br />
„Wer von Computern nicht so viel Ahnung hat, könnte mit der Handhabung Probleme<br />
haben“<br />
„Es war schlecht, dass einige nicht gewusst haben, wie man den TI bedient“<br />
Die Argumente gegen den Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems beschränkten sich nur auf die<br />
Anzahl der vorhandenen Geräte. Kein Schüler fand den Einsatz uninteressant oder<br />
überflüssig.<br />
3. Vergleich TI-92 und <strong>CBL</strong>-System mit herkömmlicher Messmethode<br />
Was bringt es und was lernt man?<br />
„Man lernt mit dem TI umzugehen, wenn man vorher noch nie damit gearbeitet hat“<br />
„Man lernt die Möglichkeiten der Technik kennen“<br />
„Mit dem TI-92 machen die Versuche mehr Spaß und die Ergebnisse sind genauer“<br />
„TI-92 und <strong>CBL</strong> ist praktischer, aber nicht ganz leicht zu bedienen. Herkömmlicher<br />
Aufbau etwas umständlicher“<br />
„Arbeit wird mit TI-92 erleichtert und ist weniger zeitraubend“<br />
„Mit modernen Geräten zu arbeiten ist sehr wichtig“<br />
„Bei dieser Arbeitsmethode (TI-92 und <strong>CBL</strong>) kann Information leichter gespeichert<br />
werden“<br />
„Man lernt mit modernen Geräten wirkungsvoll zu arbeiten“<br />
„Ein moderner Unterricht ist sehr wichtig für die Zukunft und hilft den Schülern<br />
weiter“<br />
„Schnelle und genaue Ergebnisse“
„Man lernt Messergebnisse richtig auszuwerten“<br />
Die Schüler waren durchwegs vom Einsatz des TI-92 und des <strong>CBL</strong>-Systems begeistert, wie<br />
man aus den Antworten schließen kann. Hat man mehr Geräte zur Verfügung so können auch<br />
die wenigen negativen Eindrücke verringert werden.
TI-92 und <strong>CBL</strong> im Unterricht – Erfahrungen und Folgerung<br />
Wie sich in den oben beschriebenen Stunden gezeigt hat, verändert sich der Unterricht, wenn<br />
das <strong>CBL</strong>-System eingesetzt wird. Die Schüler werden aktiv in den Unterricht eingebunden.<br />
Dies geschieht zwar immer, wenn der Physikunterricht auf Schülerexperimente aufgebaut ist.<br />
Mit dem <strong>CBL</strong>-System kommt aber ein modernes Messverfahren zum Einsatz. Werden<br />
moderne Geräte im Physikunterricht eingesetzt, so fördert dies auf alle Fälle das Interesse der<br />
Schüler.<br />
Im Gegensatz zu Computern, die häufig das Problem der „Black-Box“ nicht überwinden<br />
können, läuft der Schüler beim Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems nicht Gefahr den Versuchsaufbau<br />
und die Durchführung nicht zu verstehen. Das <strong>CBL</strong>-System ist für den Schüler nur ein<br />
Hilfsmittel, um bei einem von ihm aufgebauten Versuch reelle Messdaten zu erhalten. Das<br />
<strong>CBL</strong>-System sollte dem Schüler also die Arbeit nur erleichtern und nicht vollkommen<br />
abnehmen. Wenn die Arbeit erleichtert wird, so können sich die Schüler wesentlich schneller<br />
dem physikalischen Sachverhalt nähern. Sie sind nicht damit beschäftigt, irgendwelche<br />
Messwerte zu sammeln, sondern können sich schon während der Versuchszeit mit der<br />
physikalischen Problemstellung auseinander setzen. Außerdem zeigte sich schon bei den<br />
einfachen Versuchsdurchführungen der Wärmelehre, dass herkömmliche Thermometer<br />
größere Fehler aufweisen, als die Temperatursensoren des <strong>CBL</strong>-Systems.<br />
Beim Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems kann auch die Versuchszeit verkürzt werden. Auf Grund der<br />
großen Anzahl an gesammelten Messwerten und wegen der genaueren Auflösung der<br />
Messwerte, können früher Aussagen getroffen werden. Ein Schüler kann auf einem<br />
Thermometer höchstens halbe Grad auflösen. Die Temperatursensoren messen die<br />
Temperatur aber auf Tausendstel Grad. Zwar gibt es hier nur bestimmte Temperaturschritte,<br />
dennoch wird die Auflösung um einiges genauer. Kann die Versuchszeit jetzt auf die Hälfte<br />
gekürzt werden, so steht dem Lehrer wesentlich mehr Zeit zur Verfügung. Deswegen zahlt<br />
sich ein Einsatz des Systems sicherlich aus.<br />
Der Einsatz von TI-92 und <strong>CBL</strong> im Unterricht bedeutet aber auch, dass der Lehrer die Stunde<br />
besser vorbereiten muss. Schließlich muss sich der Lehrer Gedanken machen, wie er die<br />
Schüler beschäftigt und welchen physikalischen Sachverhalt die Schüler eigentlich aus dem<br />
Versuch herausfiltern sollten. Es zeigte sich nämlich, dass wegen der großen Anzahl an<br />
Messwerten oft mehrere Sachverhalte geklärt werden können. Auch die Organisation des<br />
Materials kann durchaus aufwendiger sein, als bei herkömmlichen Versuchen. Steht für<br />
Schülerversuche ansonsten das gesamte Material in der Schule zur Verfügung, so ist es bei
Versuchen mit dem <strong>CBL</strong>-System schon eine Herausforderung das zusätzliche Material zu<br />
besorgen. Es ergeben sich einfach viel mehr Möglichkeiten. Somit steht das zusätzlich<br />
benötigte Material der Schule nicht immer zur Verfügung. Hat der Lehrer aber die<br />
Organisation des Materials abgeschlossen, so muss die Stunde organisiert werden. In der<br />
Stunde selbst muss der Lehrer beratend zur Seite stehen. Können sich die Schüler nämlich auf<br />
die Messwerte konzentrieren und den Zeit-Graphen beobachten, so wird ihr Interesse<br />
geweckt. Sofort werden viele Fragen aufgeworfen, auf die der Lehrer gut vorbereitet sein<br />
muss. Der Lehrer ist daher auch in der Stunde gefordert, weil sich viele Fragen erst auf Grund<br />
des Beobachteten ergeben. Die Physikstunde wird lebendiger, der Großteil der Schüler<br />
arbeitet aktiv mit.<br />
Zu den technischen Hilfsmitteln, die verwendet werden – TI-92 und <strong>CBL</strong> – kommen<br />
eigentlich keine großen Fragen auf. Auch etwaige Fehlerquellen können rasch beseitigt<br />
werden. Sie beschränken sich im Regelfall auf das Wechseln der Batterien oder des Link-<br />
Kabels. Daher können die Versuche immer durchgeführt werden.<br />
Eine besondere Herausforderung stellt auch das Gestalten der Arbeitsblätter dar. Sie sollten<br />
nicht zu viel Information enthalten, sie sollten den Schüler aber auch nicht überfordern. Ich<br />
finde den Einsatz von Arbeitsblättern besonders wichtig. Die Schüler sind somit gefordert,<br />
selbst Überlegungen anzustellen. In Schulbüchern ist es meist so, dass auf gestellte Fragen die<br />
Antworten am unteren Ende der Seite gegeben werden. Diese sind zumeist auch färbig<br />
hervorgehoben. Der Schüler wird daher nicht zum Denken ermutigt, sondern beschränkt sich<br />
auf das Blättern im Buch.<br />
Ein großes Problem beim Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems ist die Ausrüstung der Schüler und der<br />
Schule. Haben nur wenige Schüler einen Graphikrechner, so wird man den Unterricht eher auf<br />
Lehrerversuche aufbauen. Verwendet man das <strong>CBL</strong>-System für Lehrerversuche, so sollte auf<br />
alle Fälle ein Projektionsgerät an den TI-92 angeschlossen werden. Damit hat der Lehrer die<br />
Möglichkeit, das Display entweder über den Overheadprojektor zu präsentieren oder mit Hilfe<br />
des TI-Presenters die Messung auf einen Fernseher oder PC zu übertragen. Es mehren sich<br />
aber bereits Klassen, in denen der TI-92 eingesetzt wird. Dies ist natürlich von großem<br />
Vorteil. Die Schüler sind zumindest mit dem Rechner vertraut, die Daten könnten allen<br />
Schülern am Rechner zur Verfügung stehen. Somit hat wirklich jeder Schüler die Möglichkeit<br />
sich mit den Messdaten zu beschäftigen. Hat jeder Schüler einen TI-92 zur Verfügung, so sind<br />
auch Lehrerversuche effektiver. Auch hier können die Messdaten sehr schnell auf die Rechner<br />
mittels Link-Kabel übertragen werden. Jeder Schüler kann dann für sich die Daten<br />
untersuchen und weiterbearbeiten. Ist die Klasse nicht mit TI-92 Rechnern ausgerüstet, so<br />
muss man einige Zeit zum Kennenlernen des Gerätes opfern. Die Schule muss dann neben
anderem Versuchsmaterial auch TI-Rechner zur Verfügung stellen können, oder der Lehrer<br />
leiht diese für kurze Zeit aus. Mit dem Leihprogramm stehen dem Lehrer einige Geräte zur<br />
Verfügung. Es muss der Einsatz aber auf Projekttage beschränkt werden. Der Stoff muss<br />
zunächst theoretisch dem Schüler vermittelt werden, ehe er den Stoff experimentell<br />
überprüfen kann. Hat man die Rechner jederzeit zur Verfügung, so können die Sachverhalte<br />
selbst erarbeitet werden. Dies ist sicherlich eine der größten Stärken des <strong>CBL</strong>-Systems. Es<br />
kommt kaum zu Komplikationen, die Ergebnisse sind immer klar ersichtlich. Dies macht den<br />
Unterricht lebendiger und für die Schüler sicher interessanter.<br />
Will man Schülerversuche mit dem <strong>CBL</strong>-System durchführen, so ist ein weiteres Problem die<br />
Ausrüstung der Gruppen mit <strong>CBL</strong>-Systemen. Ist die Schüleranzahl gering, so kommt man<br />
vielleicht mit wenigen <strong>CBL</strong>-Systemen aus, im Regelfall werden die Schüler aber in sechs bis<br />
acht Arbeitsgruppen zu je vier Schülern eingeteilt. Daher werden mindestens acht <strong>CBL</strong>-<br />
Systeme, besser wären zehn, für die Schule benötigt. Es zeigte sich zwar, dass es möglich ist,<br />
mit vier Systemen zu arbeiten. Es wäre trotzdem besser, wenn jede Vierergruppe ein System<br />
zur Verfügung hat. Die Versuchszeit würde sich für die ganze Klasse verkürzen und daher<br />
würde mehr Zeit für Erklärungen zur Verfügung stehen.<br />
Bei den angeführten Versuchen ist auch die Anzahl der mitgelieferten Sensoren zu gering. Es<br />
standen zwar genügend <strong>CBL</strong>-Systeme zur Verwendung bereit, allerdings zu jedem System<br />
nur die einfache Standardausrüstung. Daher konnten für die beschriebenen Versuche nur zwei<br />
<strong>CBL</strong>-Systeme genützt werden. Will man alle Gruppen mit <strong>CBL</strong>-Systemen ausrüsten, so<br />
benötigt man auch die entsprechende Anzahl an Sensoren. Es müssten also weitere Sensoren<br />
angekauft oder selbst gebaut werden. Im Hinblick auf die Einsatzmöglichkeiten wäre dies für<br />
eine Schule, die einen naturwissenschaftlichen Schwerpunkt hat, sicherlich eine gute<br />
Investition. In Schulen, die sich nicht auf naturwissenschaftliche Fächer spezialisieren, könnte<br />
der Einsatz von <strong>CBL</strong>-Systemen sicher einige Schüler für naturwissenschaftlichen Unterricht<br />
begeistern. Der große Vorteil des <strong>CBL</strong>-Systems ist nämlich, dass es in mehreren Fächern und<br />
damit auch fächerübergreifend eingesetzt werden kann. Das System kann neben Versuchen in<br />
Physik ebenso für Versuche aus dem Bereich Chemie und Biologie verwendet werden. Damit<br />
wäre es möglich, in drei Fächern mit dem <strong>CBL</strong>-System zu arbeiten. In diesem<br />
Zusammenhang relativieren sich die Anschaffungskosten. Es könnten Projekttage oder<br />
Projektwochen durchgeführt werden, in denen Phänomene dieser drei Gegenstände untersucht<br />
und beschrieben werden. Bei solchen Projekttagen kann das Messsystem auch außerhalb des<br />
Physiksaales eingesetzt werden. Alleine die beschriebenen Versuche aus der Meteorologie<br />
eignen sich dafür, den Physiksaal zu verlassen und Physik in der Natur den Schülern näher zu<br />
bringen.
Die von mir beschriebenen Versuche können natürlich auch alle ohne TI-92 und ohne <strong>CBL</strong>-<br />
System durchgeführt werden. Die Schüler müssen dann allerdings viel mehr Zeit für das<br />
Messen aufwenden. Sie sind mit den relativ ungenauen Messungen auch nicht zufrieden.<br />
Daher geht beim Einsatz von Thermometern viel Energie für das genaue Ablesen der<br />
Temperatur verloren. Diese Energie kann beim Einsatz des <strong>CBL</strong>-Systems bereits in<br />
physikalische Überlegungen umgelenkt werden. Der Schüler vertraut dem System und<br />
überlegt bereits, warum eine Kurve genau so aussieht wie sie aufgezeichnet wird.<br />
Sind alle Schüler einer Klasse mit dem TI-92 ausgerüstet, so ist es auf Grund der relativ<br />
hohen Anschaffungskosten notwendig, den Rechner nicht nur für Versuche in der Physik<br />
einzusetzen. Gerade dann muss der Rechner im Mathematikunterricht und bestenfalls auch für<br />
Versuche in Chemie und Biologie Verwendung finden. Es erhebt sich die Frage, ob eine<br />
Schule auf den Ankauf von zwei Computern zu Gunsten von <strong>CBL</strong>-Systemen verzichtet. Aus<br />
heutiger Sicht kann ich diesen Weg empfehlen, da sich, wie bereits erwähnt, eine Fülle von<br />
Möglichkeiten für den Einsatz bietet.
Literaturverzeichnis<br />
Vogel, H.<br />
Gerthsen Physik, 19.Auflage, Heidelberg. Springer 1997<br />
Sexl, Raab, Streeruwitz.<br />
Physik 1, Wien. Ueberreuter 1982<br />
Schreiner, Josef.<br />
Physik 2, 1.Auflage, Wien. Hpt-Verlag 1989<br />
Duden Grundwissen Physik, Mannheim. 1999<br />
Kuchling, H.<br />
Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, Leipzig. Fachbuchverlag 1996<br />
Buchner, B.<br />
Das <strong>CBL</strong>-System: Möglichkeiten zur Nutzung im Physikunterricht mit Schwerpunkt auf<br />
die Elektrizitätslehre, Texas Instruments<br />
Moore, Patrick<br />
Das Weltall, München. Orbis Verlag 1988<br />
Bleichroth, Dahncke, Jung, Kuhn, Merzyn, Weltner.<br />
Fachdidaktik Physik, Köln. Aulis Verlag Deubner & Co KG 1991<br />
Informationsmaterial von Texas Instruments, TI-Nachrichten<br />
TI-92 Handbuch, Texas Instruments 1996<br />
<strong>CBL</strong> Handbuch, Texas Instruments
Quellen und verwendete Links aus dem Internet<br />
Leitfaden zum Meteorologischen Instrumenten-Praktikum, Institut für Meteorologie und<br />
Klimatologie, Universität Hannover, April 2001<br />
http://www.muk.uni-hannover.de/studium/vorlesungen/ipraktikum_leitfaden.pdf<br />
Kursteil „Pflanzenökologie I“, Thema:Gaswechsel – Ökosystem, Dr.Ludger Grünhage<br />
http://www.uni-giessen.de/~gf1034/AG.Jäger/Kursunterlagen/Anfänger/Pflanze-I.pdf<br />
http://www.ti.com/calc/oesterreich/ ... Homepage von Texas Instruments<br />
http://www.phweingarten.de/homepage/faecher/physik/muckenfuss/Wetterkunde.html#aufsatzwetter<br />
Informationen zum Thema Meteorologie<br />
http://www.umweltministerium.bayern.de/service/umwberat/ubbstr.htm<br />
Informationen über die Salzstreuung, Gefrierpunktsenkung<br />
http://www.physik.tu-dresden.de/iapd/katalog/intern/waerme/<br />
Homepage des Physikinstituts der Technischen Universität Dresden,<br />
Informationen zum Thema Wärmelehre<br />
FORMELVERZEICHNIS<br />
[1] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.254<br />
[2] H.Vogel, Gerthsen Physik, 19.Auflage, S.276<br />
[3] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.263<br />
[4] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.260<br />
[5] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.260<br />
[6] Leitfaden zum Meteorologischen Instrumenten-Praktikum, Uni Hannover, April 2001
ANHANG