D iplomarbeit May Arnulf DER EINSATZ DES CBL ... - AM BRG Kepler

D i p l o m a r b e i t
May Arnulf
DER EINSATZ DES CBL-SYSTEMS IM
PHYSIKUNTERRICHT AM BEISPIEL WÄRMELEHRE
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Magisters
an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Karl-Franzens Universität Graz
Univ. Prof. Dr. Heinz Krenn
Dr. Gerhard Rath
Jänner 2002
INSTITUT FÜR EXPERIMENTALPHYSIK

KARL-FRANZENS UNIVERSITÄT GRAZ
Inhaltsverzeichnis
VORWORT 4
Die Ausrüstung 5
EINLEITUNG 7
KAPITEL 1 – DIE PROGRAMME UND DIE WEITERVERARBEITUNG 10
Die Programme CHEMBIO und PHYSICS
und die Weiterverarbeitung am TI-92 11
Weiterverarbeitung am Computer 17
Ein selbstgemachtes Programm für das CBL: Temperaturmessung über einen Tag 18
KAPITEL 2 – DIE EXPERIMENTE, DIE ARBEITSBLÄTTER 20
DIE EXPERIMENTE 21
Experiment 1 – Kühlen durch Verdunsten 22
Experiment 2 – Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung 25
Experiment 3 – Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur 29
Experiment 4 – Siedepunkterhöhung einer Lösung 33
Experiment 5 – Lösungswärme – Erniedrigung des Gefrierpunktes 36
Experiment 6 – Bestimmung der relativen Luftfeuchte mittels Psychrometer 40
Experiment 7 – Strahlungsabsorption – Modell eines Sonnenkollektors 44
Experiment 8 – Bestimmung der Solarkonstanten 47
Experiment 9 – Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen Sie das Wetter? 51
Experiment 10 – Der Treibhauseffekt 56
DIE ARBEITSBLÄTTER 59
Kühlen durch Verdunsten 60
Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung 62
Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur 64
Siedepunkterhöhung einer Lösung 65

Erniedrigung des Gefrierpunktes 67
Bestimmung der relativen Luftfeuchte 69
Strahlungsabsorption – Modell eines Sonnenkollektors 71
Bestimmung der Solarkonstanten 73
Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen Sie das Wetter? 75
Der Treibhauseffekt 77
KAPITEL 3 – DIDAKTISCHE ANMERKUNGEN 79
Experimente im Physikunterricht 80
Computer im Physikunterricht 82
Derzeitiger Einsatz des TI-92 im Unterricht 86
Die Stunden im BRG Kepler 88
Allgemeine Klassensituation 88
Die erste Stunde
Die zweite Stunde – der erste Versuch:
89
Der Abkühlvorgang - Wärmeübertragung
Die dritte Stunde – CBL für alle:
90
Lösungswärme - Gefrierpunktsenkung 91
Kühlen durch Verdunsten – Stunde vier
Die letzte Stunde – Ein Lehrerversuch:
92
Die relative Luftfeuchte 93
Schülerbefragung 94
TI-92 und CBL im Unterricht – Erfahrungen und Folgerung 97
LITERATURVERZEICHNIS 101
Quellen und verwendete Links aus dem Internet 102
Formelverzeichnis 102
ANHANG 103
Folien Chembio

Vorwort
Als Lehramtskandidat wollte ich eine Diplomarbeit schreiben, die praxisbezogen ist. Gerade
das Thema „Der Einsatz des CBL-Systems im Physikunterricht am Beispiel Wärmelehre“ hat
mir die Möglichkeit, einen Teil des Schulstoffes aufzubereiten, geboten. Deshalb habe ich
mich ohne zu zögern für dieses Thema entschieden. Der Einsatz neuer Medien im
Physikunterricht ist ein interessantes Gebiet. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mir ermöglicht
worden, ein neues Medium kennenzulernen. In meiner Schulzeit habe ich nur mit dem TI-30
Erfahrungen gemacht. Doch immer wieder hört man davon, dass neue Rechnergenerationen
im Klassenzimmer Einzug halten. So ist es besonders wichtig, sich früh genug mit solchen
auseinanderzusetzen, wenn man selbst den Schülern einen modernen Physikunterricht bieten
möchte. Im Rahmen der Diplomarbeit konnte ich diese Möglichkeit besonders nutzen, und
mir nicht nur den Umgang mit dem neuen Messsystem von Texas Instruments anlernen,
sondern auch den Umgang mit dem Rechner TI-92. Dies ist auch ein wichtiger Aspekt im
Hinblick auf mein Zweitfach, nämlich Mathematik. Man sieht die positiven und negativen
Aspekte, die ein Einsatz verschiedener neuer Medien im Unterricht mit sich bringt. Außerdem
wurde mir die Möglichkeit geboten, den Physikunterricht von Herrn Prof. Dr. Gerhard Rath
am BRG Keplerstraße in Graz mitzugestalten. Somit konnte ich erneut Erfahrungen sammeln,
die ich für sehr wichtig halte.
Das Ziel der Arbeit ist, neue Wege und Einsatzmöglichkeiten des mobilen Messsystems von
Texas Instruments aufzuzeigen. Mit diesem Einsatz ist es möglich den Physikunterricht für
Schüler und vor allem mit Schülern interessanter zu gestalten.
Ich möchte mich bei der Firma Texas Instruments bedanken, die mir das Material für diese
Diplomarbeit, das CBL-System und einen TI-92, zur Verfügung gestellt hat. Außerdem auch
bei Herrn Prof. Dr. Gerhard Rath, bei dem ich nicht nur den Physikunterricht mitgestalten
durfte, sondern der mich auch während dieser Arbeit betreute, ebenso wie Herr Prof. Dr.
Heinz Krenn.

DIE AUSRÜSTUNG
Zu Beginn der Arbeit musste ich mich zunächst einmal um die nötige Ausrüstung kümmern.
Über das Internet habe ich mich mit der Firma Texas Instruments in Verbindung gesetzt. Auf
der Homepage der Firma Texas Instruments http://www.ti.com ist eine eigene Seite
eingerichtet, auf der man Geräte der Firma ausleihen kann
(http://www.ti.com/calc/oesterreich). Dafür muss ein Anforderungsformular ausgefüllt
werden. (http://www.ti.com/calc/oesterreich/leihprogramm-2.htm). Nachdem ich dieses
abgeschickt hatte, wurde mir innerhalb weniger Tage eine komplette Ausrüstung, CBL2, TI-
92 und die Standardsensoren „Licht, Spannung und Temperatur“ kostenlos zur Verfügung
gestellt. Mittels eines Botendienstes hat die Ausrüstung den Weg von Brüssel zu mir nach
Graz gefunden. Formulare für den Rücktransport sind beigelegt. Am Ende der Leihdauer
schickt man den Koffer wieder mittels des selben Botendienstes an die Firma zurück.
Nachdem ich die Ausrüstung erhalten habe, habe ich das Glück gehabt, dass in Graz ein
Seminar für Lehrer abgehalten wurde, bei dem einige Versuche mit dem CBL-System
durchgeführt wurden. Ich wurde von Herrn Dr. Gerhard Rath davon informiert und ich nahm
am Seminar teil. Damit konnte ich mich schnell an die Arbeitsweise des Messsystems
gewöhnen und die Einarbeitungszeit war relativ kurz. In diesem Seminar habe ich auch die
verschiedenen Einsatzmöglichkeiten kennen gelernt und einen Überblick darüber bekommen,
welche Gebiete für das CBL-System bereits aufbereitet waren. Ich habe dabei festgestellt,
dass es eigentlich wenige Experimente gibt, bei denen eine Kombination mehrerer Sensoren
nötig ist. Es gibt sehr viele Sensoren, die man an das CBL-System anschließen kann.
Schließlich habe ich mich allerdings auf Versuche mit dem Temperatursensor der
Standardausrüstung beschränkt, weil gerade diese Sensoren am ehesten zur Verfügung stehen.
Nach einigen kurzen Versuchen zu Hause und nachdem ich die Einsatzmöglichkeiten
ausgelotet habe, habe ich begonnen, Experimente zu suchen, deren Durchführung und
Auswertung das CBL-System wesentlich erleichtert. Bei der Suche nach Versuchen, bei
denen zwei Temperatursensoren benötigt werden, hat mir das Internet sehr geholfen. Mit
Hilfe einer Suchmaschine, vorwiegend verwendete ich Google (http://www.google.at,
http://www.google.com), stieß ich rasch auf einige interessante Experimente. Hier vor allem
auf die Versuche aus dem Bereich der Meteorologie. Einige andere Experimente waren mir
bereits bekannt, auf Grund zahlreicher Besprechungen bei fachdidaktischen
Lehrveranstaltungen. Die restlichen ergaben sich aus eigenem Interesse. So habe ich mich
schließlich entschieden, zehn Versuche, die ich auch selbst ausprobiert habe, für den
Schulgebrauch aufzubereiten. In dieser Arbeit finden sich nicht nur Versuche aus dem

Bereich der Physik. Einige Versuche können auch fächerübergreifend mit Geographie,
Chemie und Biologie durchgeführt werden. Ich denke hier vor allem an die Experimente 4
und 5 für das Fach Chemie, 6 und 9 für Geographie und 7 für das Fach Biologie.

Einleitung
In der Technik werden heute jede Menge Daten erfasst, die anschließend ausgewertet und
interpretiert werden müssen. Daher ist es ratsam, bereits in der Schule den Jugendlichen den
Umgang mit Messdaten zu lehren.
Ein System, dass sich besonders für den Schulunterricht eignet, ist das CBL-System
(Calculator Based Laboratory) von Texas Instruments. Zusammen mit einem Graphikrechner,
vom TI-83 aufwärts, können mit diesem System Messwerte aufgenommen, graphisch
dargestellt und weiterbearbeitet werden. Grundkenntnisse über die Handhabung der Geräte
können schnell erlernt werden. Gerade deshalb stellt der Umgang mit diesem System die
Schüler vor keine großen Schwierigkeiten und bringt ihnen gleichzeitig die heutige
Arbeitsweise der Technik einen Schritt näher.
In dieser Arbeit habe ich mich damit beschäftigt, wie man mit Hilfe des CBL-Systems den
Physikunterricht beleben kann. Ich habe mich dem Kapitel Wärmelehre gewidmet und zehn
Versuche zu diesem Thema für den Schulunterricht aufbereitet.
Die Arbeit ist folgendermaßen aufgebaut:
Weil ich bisher nur im BRG Keplerstraße in Graz auf Klassen mit dem TI-92 gestoßen bin,
habe ich mich entschieden zu Beginn der Arbeit das Programm, mit dem ich die Versuche
durchgeführt habe, vorzustellen. Diese Programme findet man im Internet auf der Homepage
der Firma Vernier unter http://www.vernier.com/legacy/cbl/progs.html. Ich habe mich bemüht
jeden einzelnen Schritt so genau wie möglich zu beschreiben. Dabei hat mir die mitgelieferte
Software von Texas Instruments, mit der man die Rechnerinhalte auf den Computer
übertragen kann, geholfen. Somit findet sich im ersten Teil der Arbeit eine genaue
Beschreibung für das von der Firma Vernier entwickelte Programm CHEMBIO, mit dem
Versuche aus dem Bereich Chemie und Biologie durchgeführt werden können. Das zweite
Programm, PHYSICS, ist im Prinzip gleich aufgebaut und die Beschreibung kann daher
übernommen werden. Geringe Unterschiede in der Bedienung werden ebenfalls erläutert. Der
eigentliche Unterschied der beiden Programme besteht darin, dass man verschiedene Sensoren
auswählen kann. So ist das Programm CHEMBIO für Versuche aus dem Bereich Chemie und
Biologie konzipiert, während PHYSICS auf Versuche aus dem Bereich der Physik
ausgerichtet ist. Für meine Versuche aus der Wärmelehre ergeben sich aber, wie bereits zuvor
erwähnt, keinerlei Unterschiede. Am Ende von diesem Kapitel beschreibe ich schließlich, wie
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
einfachen Befehlen die CBL-Einheit selbst programmiert werden. Dadurch können alle
benötigten Einstellungen bereits vorher programmiert werden, der Schüler braucht nur mehr
das Programm aufrufen und mit der Messung beginnen. Wie so ein Programm aussehen kann,
stelle ich im Anschluss an die Programmbeschreibungen von CHEMBIO und PHYSICS dar.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Versuchsbeschreibungen und mögliche
Arbeitsblätter. Die Versuche sind so angeordnet, dass sie hintereinander im Physikunterricht
gebracht werden können, sie sind aber allesamt unabhängig voneinander. Bei der Anordnung
der Versuche habe ich mich an das Schulbuch Sexl u.a.: Physik, Bd.2, hpt-Verlag gehalten.
Allein der physikalische Hintergrund der Experimente 4 und 5 ist im Buch bereits früher zu
finden.
Folgende Versuche habe ich durchgeführt und beschrieben:
Experiment 1 - Kühlen durch Verdunsten
Experiment 2 - Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung
Experiment 3 - Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur
Experiment 4 - Siedepunkterhöhung einer Lösung
Experiment 5 - Lösungswärme – Erniedrigung des Gefrierpunktes
Experiment 6 - Bestimmung der relativen Luftfeuchte mittels Psychrometers
Experiment 7 - Strahlenabsorption – Modell eines Sonnenkollektors
Experiment 8 - Bestimmung der Solarkonstanten
Experiment 9 - Erde, Wasser und Luft – Wie bestimmen sie das Wetter
Experiment 10 - Der Treibhauseffekt
Die Versuchsbeschreibungen sind alle gleich aufgebaut. Als Einleitung zu jedem der zehn
Versuche habe ich Fragen aufgeworfen, die mit der Auswertung der Daten am Rechner
beantwortet werden können. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Material, das für die
Durchführung benötigt wird. Im Anschluss habe ich beschrieben, wie man das Experiment
durchführt. Hier kann es natürlich zu Änderungen kommen, wenn von verschiedenen
Anfangsbedingungen (höhere Anfangstemperatur von Wasser, Wassermenge,
Umgebungstemperatur,...) ausgegangen wird. Jedem Versuch sind die Diagramme, die ich bei
der Durchführung erhalten habe, angefügt und sie sind beschrieben. Damit ist es möglich die
Ergebnisse zu vergleichen. Zuletzt folgt die physikalische Betrachtung der Versuche und die
Interpretation der Graphen. Ich habe mich auch hier bemüht, alle vorher aufgeworfenen
Fragen ausführlich zu erklären.

Nachdem das Ziel der Arbeit die Beschreibung der Nutzung des CBL-Systems im Unterricht
ist, folgen zu jedem der zehn Versuche Arbeitsblätter. Ich habe sie so gestaltet, dass sie zu
Beginn einen Informationsblock enthalten. Jede Information für den Schüler ist mit dem
Zeichen � versehen. Die Informationen sind so gehalten, dass sie nicht gleich die Antworten
auf die darauf folgenden Fragen beinhalten. Soll der Schüler eine Frage beantworten, so ist
dieser Teil des Arbeitsblattes mit einem Fragezeichen � gekennzeichnet. Die Fragen zielen
dabei auf das Aufstellen von Hypothesen ab, fordern physikalische Überlegungen der Schüler
oder betreffen Bereiche aus dem Leben. Damit sollten die Schüler auch den Bezug zum Alltag
herstellen können. Wenn ein Schüler aufgefordert wird, einen Graphen zu zeichnen, so weist
das Symbol � darauf hin. Rechnungen markieren das Rechnersymbol �, ein Notizblock �
steht dafür, dass die Schüler das Experiment oder den Graphen mit eigenen Worten
beschreiben sollten.
Im dritten Teil der Arbeit folgt eine didaktische Aufarbeitung. Zu Beginn des Abschnitts folgt
ein Abriss über den Einsatz von Experimenten allgemein und über den Einsatz von
Experimenten mit Computern im Physikunterricht. Danach habe ich meine eigenen
Erfahrungen beschrieben. Schließlich habe ich die Möglichkeit gehabt, mit Schülern der 6.b-
Klasse des BRG Keplerstraße Graz mit Hilfe von Herrn Dr. Gerhard Rath einige meiner
Experimente durchzuführen und die Arbeitsblätter auszuprobieren. Meine Erfahrungen, die
Beschreibung dieser Unterrichtseinheiten und die Analyse was sich mit dem Einsatz eines
solchen mobilen Messsystems im Physikunterricht ändert, bilden den Schlusspunkt dieser
Arbeit.

1. DIE PROGRAMME UND DIE WEITERVERARBEITUNG

DIE PROGRAMME CHEMBIO UND PHYSICS
UND DIE WEITERVERARBEITUNG AM TI-92
Im folgenden Abschnitt werden die Arbeitsschritte, die für jedes Experiment gelten und die
für eine Weiterverarbeitung der Daten benötigt werden, ganz genau erläutert. In der linken
Spalte der Tabelle werden die Screenshots des TI-92 dargestellt, in der rechten Spalte gibt es
Erläuterungen dazu. Bei allen Versuchen habe ich das Programm CHEMBIO verwendet. Die
Versuche können auch mit dem Programm PHYSICS durchgeführt werden. Unterschiede bei
der Bedienung der Programme werden in kursiver Schrift angeführt.
Nachdem das CBL-System an den TI-92
angeschlossen worden ist, startet man das
Programm CHEMBIO, indem chembio()
in die Befehlszeile eingegeben und die
Taste ÷ gedrückt wird.
Arbeitet man mit PHYSICS, so gibt man
entsprechend physics() in die Befehlszeile
ein.
Danach wird das Programm, hier
CHEMBIO, gestartet. Das erste Fenster
wird übersprungen, indem man die Taste ÷
drückt.
Anschließend erscheint das Hauptmenü
am Display. Hier können die
Grundeinstellungen vorgenommen
werden. Für die nachfolgenden
Experimente wählt man stets den ersten
Menüpunkt, 1:SET UP PROBES.
Dies erreicht man, indem man entweder ♦
oder ÷ am TI-92 drückt.

Im Programm CHEMBIO folgt die
Aufforderung, die Anzahl der Sensoren
anzugeben, die man verwenden will.
Es gibt die Möglichkeit bis zu drei
Sensoren zu wählen. Dazu gibt man die
Anzahl ein und drückt danach die ÷-Taste.
In den Versuchsbeschreibungen wird die
Anzahl der Sensoren immer angegeben.
Im Programm PHYSICS erscheint ein
vorgegebenes Menü. In dem die Anzahl
ausgewählt werden kann.
Nun werden die Sensoren ausgewählt. Für
die Versuche, die hier beschrieben werden,
wählt man stets 1:TEMPERATURE.
In PHYSICS 6:TEMPERATURE
Danach wird man vom Programm
CHEMBIO aufgefordert, die
Anschlusskanäle der Sensoren einzugeben.
Wird nur ein Sensor benötigt, ist man mit
den Grundeinstellungen fertig, ansonsten
müssen die letzten beiden Schritte
wiederholt werden. Es muss darauf
geachtet werden, dass immer der nächst
höhere Anschlusskanal eingegeben wird.
Ansonsten muss die ganze Auswahl
wiederholt werden.
Im Programm PHYSICS wird man
aufgefordert den Sensor an Kanal 1
anzuschließen. Die Eingabe muss daher
nicht durchgeführt werden.

Anschließend erscheint wieder das
Hauptmenü. Hier wählt man nun den
Programmpunkt 2:COLLECT DATA.
In diesem Untermenü hat man nun die
Möglichkeit die Messungen so
durchzuführen, dass die gemessenen
Werte direkt am TI-92 ablesbar sind,
beziehungsweise beim CBL am Display
selbst. Dazu dient der Menüpunkt
1:MONITOR INPUT. Dieser empfiehlt
sich zu Beginn jeder Messung. Damit kann
man leicht überprüfen, ob die
Temperatursensoren die gleiche
Temperatur anzeigen.
Das MONITOR INPUT-Fenster.
Die gemessenen Werte werden direkt
angezeigt. Hier die Temperatur, die an den
Kanälen 1 und 2 gemessen wird.
Wählt man 2:TIME GRAPH, so muss man
die Zeit zwischen den Messungen angeben
(ENTER TIME BETWEEN SAMPLES IN
SECONDS). Die kleinste zur Verfügung
stehende Zeiteinheit beträgt dabei 0,1
Sekunden, die größte 1600 Sekunden.
Danach muss die Anzahl der Messungen
bekannt gegeben werden (ENTER NUMBER
OF SAMPLES). Im Anschluss daran sieht
man folgendes Bild am TI-92. In diesem
Beispiel werden 100 Messpunkte jeweils
nach einer Sekunde aufgenommen.
Hat man die getroffenen Einstellungen
kontrolliert, so bestätigt man sie mit ÷.
Muss man sie ändern, so wählt man
2:MODIFY SETUP und wiederholt die
Eingabe.

In PHYSICS kann zwischen NON-LIVE
DISPLAY und LIVE DISPLAY gewählt
werden. Für NON-LIVE DISPLAY werden
keine weiteren Einstellungen benötigt. Die
Messung wird einfach durchgeführt. Bei
LIVE DISPLAY muss der Abschnitt der
y-Achse wie folgt gewählt werden.
Bevor die Messung gestartet wird, muss
man die y-Achseneinstellung für den
Graphen treffen. Dazu gibt man die
geringste und die höchste zu erwartende
Temperatur, mit etwas Spielraum, an. yscl
skaliert die y-Achse und setzt im
angegebenen Abstand Marken. Drückt
man die Taste ÷ so beginnt das CBL-
System mit den Messungen.
Wenn die Messungen abgeschlossen sind,
zeigt der TI-92 an, in welchen Listen die
Werte abgespeichert sind. Die Zeit ist
immer in der Liste c1 gespeichert. Die
Messwerte werden in den Listen c2, c3
und gegebenenfalls c4 gespeichert. Drückt
man nun ÷, so wird der Zeit-Graph am
Rechner dargestellt.
Mit Hilfe der Cursortasten ≅ kann man den
Graphen abfahren, beziehungsweise
zwischen den Graphen wechseln. Es ist
jetzt möglich, die einzelnen Wertepaare
abzulesen.
In PHYSICS werden die Graphen nur
getrennt dargestellt. Um beide gleichzeitig
zu untersuchen muss das Programm
verlassen werden und die Plots müssen
entsprechend ausgewählt werden.
÷ beendet diese Ansicht. Bevor man zum
Hauptmenü zurückkehrt, wird die
Möglichkeit geboten, das Experiment zu
wiederholen. Wird hier 2:YES gewählt, so
wird das Experiment mit den gleichen
Zeitabständen wiederholt, man hat
allerdings die Möglichkeit die
Achsenabschnitte neu zu wählen.
Mit 1:NO gelangt man wieder ins
Hauptmenü.

Hier können völlig neue Einstellungen
getroffen werden, und neue Versuche
durchgeführt werden.
Die Programme CHEMBIO und
PHYSICS werden beendet, indem man
den Menüpunkt 7:QUIT wählt und mit
das Programm ordnungsgemäß verlässt.
Um die Daten des Experiments zu
speichern oder um diese weiter bearbeiten
zu können, wählt man nun im Menü
APPLICATIONS den Punkt
6:Data/Matrix Editor und im Untermenü
1:Current. Das Menü APPLICATIONS
wird durch drücken der Taste Ο, die sich
links unter den Cursortasten befindet,
geöffnet.
Hier gibt es jetzt die Möglichkeit, die
Messdaten in eine Rechnung einzubinden,
und diese sogleich für alle Wertepaare
auszurechnen.
In diesem Beispiel wurde die Spalte c4 so
programmiert, dass sie jeweils die
Differenz der Spalten c3 und c2 anzeigt.
Im #-Editor, den man durch Drücken von
∞W erreicht, können diejenigen Spalten
ausgewählt werden, die man als Graphen
darstellen will. Die Plots wählt man mit
Hilfe der Taste aus. Ihre Darstellungsart
kann mit ÷ geändert werden. Mit Hilfe der
Funktionen y1, y2,... können
Ausgleichskurven eingegeben und diese
dargestellt werden.
Wurde ein Plot mit ÷ ausgewählt,
erscheint dieses Fenster.
Plot Type wählt die Darstellungsart aus.
Hier ist vor allem die Einstellung xyline
empfehlenswert. Dabei werden alle
Messpunkte mit einer Linie verbunden.
Die Darstellungsart der Messpunkte wählt
man bei Mark aus. Welche Daten
dargestellt werden gibt man im Feld x
bzw. y ein. Zum %-Editor gelangt man mit
der Tastenkombination ∞R.

Weiterverarbeitung am Computer
Im Graphikfenster ( ∞R ) des TI-92 führt
zur Auswahl der Zoom-Funktionen. In
diesem Fenster ist es möglich, geeignete
Stellen des Graphen zu vergrößern und
damit näher zu untersuchen.
Auch im ∃-Editor, ∞E, kann man die
geeigneten Einstellungen vornehmen. Hier
können die genauen Achsenabschnitte für
beide Achsen eingestellt werden.
Die Daten einer Messreihe können am TI-92 gespeichert und immer wieder abgerufen
werden. Der Speicher des TI-92 ist aber begrenzt. Daher empfiehlt es sich, will man die Daten
aufheben, diese auf einen Computer zu übertragen. Auf dem PC können die Daten auch
weiterverarbeitet werden. Hier möchte ich insbesondere auf die Möglichkeit zur
Datenverarbeitung mittels Microsoft Excel hinweisen. Um die Messdaten übertragen zu
können, benötigt man ein Datenübertragungskabel und das Programm TI-GRAPH LINK.
Dieses Programm wird von Microsoft Windows unterstützt. Mit Hilfe dieses Programms
können nicht nur die gespeicherten Variablen übertragen werden, auch Screenshots können
damit gemacht werden.
Um eine Liste oder Matrix zu speichern, ruft
man zuerst im Applications Menü den
Data/Matrix Editor auf und wählt Current.
Mit den Cursor Tasten ≅ wird die Liste, die
gespeichert werden soll, ausgewählt. und
Menüpunkt 2:Save Copy As... ( ∞ S) wählen.
Soll die gesamte Matrix gespeichert werden,
wählt man gleich Speichern.

Durch Drücken der Cursor Taste Β kann der
Variablentyp gewählt werden. Um eine ganze
Liste zu speichern, wählt man List. Wählt
man Data, so werden alle Listen in einer
Matrix gespeichert. Die Variablen können
ruhig im Hauptordner gespeichert werden.
Der Variablenname ist einzugeben. Durch
zweimaliges Drücken der Taste ÷ wird die
Liste am Rechner gespeichert.
Ist der Rechner mit einem Computer verbunden, so wählt man im Programm TI-GRAPH
LINK das Menü Link und Empfangen. Es werden nun alle Variablen angezeigt. Durch
Doppelklicken werden die Variablen ausgewählt, die übertragen werden sollen. Mit Ok
werden die Listen auf den Computer übertragen. Wenn die Verarbeitung der Daten mit
Microsoft Excel erfolgen soll, muss man die Variablen öffnen (Menü Datei, Öffnen) und alle
Punkte, die die Zahlen von den
Dezimalstellen trennen, durch Kommas ersetzen. Dies geschieht am schnellsten, wenn man
im Menü Bearbeiten Ersetzen auswählt. Durch Alles ersetzen werden alle Punkte durch
Kommas ersetzt. Markiert man jetzt die Daten und wählt Bearbeiten, Kopieren, so können die
Daten überall eingefügt werden.

Ein selbstgemachtes Programm für das CBL:
Temperaturmessung über einen Tag
Alle Versuche können mit den Programmen CHEMBIO oder PHYSICS durchgeführt werden.
Man kann aber eigene Programme für diese Versuche schreiben. Dazu werden nur wenige
Befehle benötigt. Der Vorteil eines eigenen Programms besteht natürlich darin, dass mit dem
Starten des Programms die Messung einfach durchgeführt werden kann, ohne dass Schüler
Einstellungen vornehmen müssen. Allerdings ist man nicht mehr so flexibel und kann die
Einstellungen nicht jederzeit ändern, sie sind bereits vorgegeben. Ich möchte trotzdem ein
Programm vorstellen, dass sich für die Aufnahme von Zeit-Temperaturkurven eignet.
Dieses Programm würde sich für Experiment 9 eignen.
Wetter()
Programmname; darf höchstens 8 Zeichen lang sein;
Durch Eingabe von wetter() im Home-Fenster des
TI-92 wird das Programm gestartet
Prgm Hier beginnt das Programm
ClrHome:ClrIO Löschen der Bildschirme Home und Programm I/O
Disp ""
Disp " Mit diesem Programm "
Disp " können Sie 24 Stunden lang "
Disp "alle 15 Minuten einen Messwert"
Disp " aufnehmen"
Disp ""
Ist nicht notwendig; dieser Text erscheint, nachdem
das Programm gestartet wurde
Pause Programm wird angehalten, bis ÷ gedrückt wird
ClrHome:ClrIO
ClrGraph:ClrDraw
Löscht alle Bildschirme
set*mode("Graph","Function") Die Modi Graph und Function werden geladen
PlotsOff
FnOff
Send {0}
{1}>sand
Send {1,1,10}
Die Auswahl aller y = Funktionen und Plots wird
aufgehoben
Befehl 0 (All Clear) wird an das CBL geschickt.
Alle Einstellungen werden gelöscht
Eine Variable vom Typ List mit dem Namen Sand
wird erzeugt
Befehl an das CBL. An Kanal 1 ist ein
Temperatursensor angeschlossen (10)
{2}>wasser Die Liste mit dem Namen Wasser wird erzeugt.

Send {1,2,10}
Disp""
Disp""
Disp "Mit Enter Starten Sie die Messung"
Pause
Befehl an das CBL, dass an Kanal 2 ein
Temperatursensor angeschlossen ist.
ClrHome Bildschirm wird gelöscht
Send {3,900,72,0,1}
Send {3,900,72,0,2}
Get sand
Get wasser
Wird am Bildschirm angezeigt. Das Programm wird
angehalten.
Wieder Befehle an das CBL.
Alle 900 Sekunden wird eine Messung
durchgeführt. Die Anzahl der Messungen beträgt 72,
für Kanal 1 und 2
Die Messwerte werden in den Listen Sand und
Wasser gespeichert. Sand speichert die Werte von
Kanal 1, Wasser die Messwerte von Kanal 2.
ClrHome:ClrIO Löschen der Bildschirme
NewData Daten,zeit,sand,wasser
NewPlot 1,2,zeit,sand,,,,4
Die Messwerte werden in einer Matrix namens
Daten gespeichert. In der ersten Spalte steht die Zeit,
die zweite beinhaltet die Messwerte von Kanal 1, in
der dritten Spalte stehen die Messwerte von Kanal 2.
Die Variable Daten kann später auf andere Rechner
oder einen Computer übertragen werden.
Ein neuer Plot wird erstellt. Auf der x-Achse werden
die Werte der Liste Zeit, auf der y-Achse die Werte
der Liste Sand aufgetragen. Die Messpunkte werden
als Punkte (4) dargestellt und mit einer Linie (2)
verbunden
NewPlot 2,2,zeit,wasser,,,,5 Die Messpunkte werden als Kreuze (5) dargestellt
ZoomData
Die Window-Einstellungen werden vom Rechner
selbst durchgeführt.
DispG Die Graphen werden dargestellt
PxlText "T [C]",4,4
PxlText "t [S]",80,200
EndPrgm Programmende
Beschriftung der Achsen und Position der Schrift
Damit dieses Programm ausgeführt werden kann, muss vorher die Liste Zeit angelegt werden.
Die Liste Zeit muss 72 Einträge beinhalten. Für dieses Programm wäre es sinnvoll die Zeit in
Sekunden, oder Stunden anzugeben. Die Einträge müssten daher 900, 1800, 2700,... oder
0.25, 0.5, 0.75,... lauten.

2. DIE EXPERIMENTE, DIE ARBEITSBLÄTTER

2.1. DIE EXPERIMENTE

Kühlen durch Verdunsten
Kann man den Abkühlvorgang einer Flüssigkeit beschleunigen? Jeder weiß, dass man eine
heiße Flüssigkeit durch Blasen oder Fächeln abkühlen kann. Ob die Flüssigkeit dadurch
allerdings wirklich schneller an Wärme verliert soll durch diesen Versuch geklärt werden.
Dazu werden zwei Gefäße mit heißem Wasser gefüllt und in diese zwei Temperatursensoren
gegeben. Wird die Messung gestartet, so beginnt man über das Wasser in einem der Gefäße
zu blasen oder fächeln. So sollte es möglich sein, die obige Frage zu beantworten.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Heißes Wasser
Fächer
Zwei gleiche Gefäße
AUFBAU
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Die Temperatursensoren werden in die Gefäße gegeben, das heiße Wasser wird
ebenfalls dazugegeben
! Das Wasser soll die gleiche Temperatur haben, damit die Ergebnisse vergleichbar
werden. Mit einem Wasserkocher wird dies leichter erreicht, als mit heißem Wasser
aus der Leitung.
DURCHFÜHRUNG
• Starten des Programms CHEMBIO und zwei Temperatursensoren auswählen
• 15 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden reichen für dieses Experiment
• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse
• Starten der Messungen
BEISPIEL
Experiment
1

Temperatur in °C
75
70
65
60
55
Kühlen durch Verdampfen
Nach dem Aufnehmen der Daten zeichnet
der TI-92 folgende Temperaturkurven. Mit
Hilfe des Cursors können die beiden
Kurven abgefahren und die Wertepaare für
Zeit und Temperatur abgelesen werden.
-- CH1 ... einfacher Abkühlvorgang
xx CH2 ... Kühlen durch Verdampfen
Im Data/Matrix Editor ist es möglich, die
Temperaturdifferenz aller Wertepaare zu
bestimmen. Dazu programmiert man die
freie Spalte c4 so, dass sie diese anzeigt. In
diesem Beispiel berechnet sie sich aus
c4 = c3 – c2.
Der Graph der Temperaturdifferenz sieht
folgendermaßen aus. Beginnt man mit dem
Kühlvorgang, so nimmt die Temperatur
sehr stark ab. Am Ende beträgt die
Differenz immerhin fast 4 °C.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Zeit in sec
Kühlen ohne Fächer Kühlen mit Fächer
Auswertung mit Microsoft Excel
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND

Wärme ist ungeordnete Molekülbewegung. Beim Abkühlvorgang verlangsamt sich diese
Molekülbewegung, der Gegenstand gibt Wärme ab. An der Oberfläche einer Flüssigkeit
entwickelt sich Dampf. Es treten stets die schnellsten Flüssigkeitsmoleküle in den darüber
liegenden Dampfraum ein, wodurch sich die Flüssigkeit abkühlt. Es finden viele
Dampfmoleküle den Weg in die Flüssigkeit zurück und bremsen somit den
Abkühlvorgang. Bläst man nun den über der Flüssigkeit liegenden Wasserdampf weg, so
können die schnellen Dampfmoleküle nicht mehr in die Flüssigkeit zurückgelangen.
Somit kühlt die Flüssigkeit schneller ab.
Die Flüssigkeit kühlt sich auf Grund der sogenannten Verdunstungskälte ab. Diesen
Effekt nutzt man auch beim „Vereisen“ oder Schwitzen.

Der Abkühlvorgang –
Wärmeübertragung
Während der Kellner Ihren Kaffee bringt, bittet er Sie zum Telefon. Da Sie Milch zum Kaffee
nehmen, haben Sie zwei Möglichkeiten:
Die Milch gleich hineinzutun, oder wenn Sie wiederkommen.
In welchem Fall bleibt Ihr Kaffee wärmer, wenn die Milch Zimmertemperatur hat?1
Diese Frage soll in diesem Versuch anschaulich geklärt werden. Mit Hilfe des CBL-Systems
und zwei Temperatursensoren kann man die beiden Abkühlvorgänge genau beobachten und
anschließend die Frage beantworten.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Kaffee
Milch mit Zimmertemperatur
Zwei gleiche Kaffeetassen
AUFBAU
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Die Temperatursensoren werden in die Tassen gegeben
! Für diesen Versuch eignet sich Filterkaffee sehr gut. Die Anfangstemperaturen sind
dann beinahe gleich.
DURCHFÜHRUNG
• Starten des Programms CHEMBIO. Bei den Sensoren wählt man, zwei
Temperatursensoren aus.
• Für diesen Versuch ist es ratsam 5 bis 10 Minuten einzuplanen. Die Messwerte sollten
in einem Abstand von 5 Sekunden aufgenommen werden (60 bis 120).
1 Aus Gerthsen Physik, 19.Auflage, S.285
Experiment
2

• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse
ymin? 20 ymax? 80 yscl? 1
• Vor dem Starten der Messung gibt man in beide Tassen gleich viel Kaffee. Nach den
ersten aufgenommen Messwerten, wird in die erste Tasse Milch mit
Zimmertemperatur dazugegeben. Einige Zeit bevor die Messung zu Ende ist, sollte
man auch in die zweite Tasse die Milch dazugeben. Dabei ist zu beachten, dass im
Anschluss daran noch einige Messungen durchgeführt werden sollten, damit die
beiden Graphen gut vergleichbar sind und damit das erwünschte Resultat erkennbar
ist.
BEISPIEL
Ein mögliches Ergebnis, könnte so ein
Graph sein. Deutlich ist zu erkennen, wann
die Milch jeweils dazugegeben wurde.
-- Abkühlvorgang Gemisch
xx Abkühlvorgang Kaffee
Die Spalte c4 wurde so programmiert, dass
sie die Temperaturdifferenz zum
jeweiligen Zeitpunkt angibt (c4 = c3 – c2).
Man sieht, dass einige Messungen
abgewartet werden sollten, damit man von
einer annähernd gleichen
Anfangstemperatur ausgehen kann.
Einmal sieht man sich nun in aller Ruhe
die Graphen der Messungen genauer an
und untersucht nochmals die
Abkühlkurven, ...

INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
...oder man bespricht den Graphen der
Temperaturdifferenz. Dazu wird Plot3
x:c1, y:c4 ausgewählt. Dabei muss man
auch im ∃-Fenster die geeigneten
Einstellungen vornehmen!
Wie schnell eine Flüssigkeit abkühlt hängt von ihrer eigenen Temperatur, dem Volumen,
der Oberfläche und der Umgebungstemperatur ab. Bei gleichem Volumen und gleicher
Oberfläche kühlt eine Flüssigkeit umso schneller ab, je größer der Temperaturunterschied
zwischen Flüssigkeit und Umgebung ist. Bei größerer Oberfläche kühlt eine Flüssigkeit
schneller aus.
In diesem Beispiel hat der Kaffee zu Beginn die gleiche Temperatur. Gibt man nun
zimmerwarme Milch in den Kaffee, so verliert nur das Gemisch beziehungsweise nur der
Kaffee Wärme. In der Tasse mit Milch ändert sich das Volumen und die Oberfläche. Die
Oberflächen- und Volumenzunahme ist allerdings sehr klein. Deshalb bleibt der Kaffee
wärmer, in den die Milch zuerst gegeben wird.
Bei der Analyse des Zeit-Temperaturdifferenz-Graphen erkennt man, dass der Graph ein
Gefälle aufweist. Die Flüssigkeit mit der höheren Temperatur gibt also mehr Wärme an
die Umgebung ab, als die kühlere Flüssigkeit. Der Knick zu Beginn des Graphen resultiert
daraus, dass der Kaffee nicht gleichzeitig in die Tassen gegeben wurde. Somit konnten die
beiden Sensoren nicht gleich ansprechen und haben nicht die gleiche Temperatur
angezeigt. Nach der dritten Messung betrug der Temperaturunterschied allerdings nur
mehr 0,2°.

Der Temperatursprung, der beim Zugeben der Milch auftritt, ist nicht gleich groß. Zu
Beginn wird der Kaffee deutlich stärker gekühlt, als gegen Ende der Versuchszeit. Diese
Tatsache kann leicht aus der Richmannschen Mischungsregel abgeleitet werden:
Setzt man für
( T T ) = c m ( T − T )
c1m1 1 m 2 2 m
− [1]
Hier gilt: c1 ....... spezifische Wärmekapazität Kaffee
m1 ...... Masse Kaffee
T1 ....... Temperatur Kaffee
c2 ....... spezifische Wärmekapazität Milch
m2 ...... Masse Milch
T2 ....... Temperatur Milch
Tm ...... Temperatur Gemisch
T m
c1m1T1
+ c2m
2T2
=
c m + c m
1
1
In die obige Formel ein und formt diese nach m T T T − = ∆ 1 um, so erkennt man die direkte
Proportionalität von Wärmeverlust und Ausgangstemperaturen.
1
1
2
2
( T − T )
c2m
2 1 2
∆ T =
c m + c m
Eine praktische Anwendung dieser Ergebnisse ist ein Thermostat. So ist es besser die
Heizung nicht andauernd voll aufgedreht zu lassen. Der Temperaturunterschied zwischen
Außentemperatur und Innentemperatur wäre immer hoch, es würde immer sehr viel
Wärme abgestrahlt werden. Mit Thermostat hingegen verliert man weniger Wärme an die
Umgebung. Es wird daher Energie eingespart.
2
2
2

Kochen im Druckkochtopf –
Erhöhung der Siedetemperatur
In einem Druckkochtopf werden Fleisch und Gemüse schneller gar als in einem „normalen“
Kochtopf. Will man daheim Wasser zum Kochen bringen, so wird einem stets geraten, dass
man doch einen Deckel auf den Kochtopf geben sollte. Denn somit kocht das Wasser
schneller und man spart Zeit und Energie.
In unserem Versuch vergleichen wir nun einmal den Vorgang. Wir bringen einmal Wasser in
einem Kochtopf ohne Deckel zum Kochen, in einem anderen hören wir auf den Rat der
Köchin oder des Kochs, und geben einen Deckel darauf. Die beiden Temperaturkurven sollten
uns anschließend Aufschluss darüber geben, in wie weit das Wasser schneller kocht und
warum in einem Druckkochtopf das Fleisch schneller gar wird. Oder ist dies einfach nur so
überliefert worden und stimmt dies gar nicht?
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Zwei Herdplatten oder Feuerstellen mit gleicher Größe und gleicher Leistung
Zwei Kochtöpfe, die gleiche Größe und gleiches Material haben sollten
! Hat man nur Herdplatten unterschiedlicher Fläche, aber gleicher Leistung, so muss man die
Wassermenge in den Töpfen anpassen. Sie verhält sich gleich wie die Fläche der
Herdplatten zueinander.
AUFBAU
Experiment
3
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Die Temperatursensoren werden in die Kochtöpfe gegeben, ein Topf wird mit einem
Deckel verschlossen.

DURCHFÜHRUNG
• Im Programm CHEMBIO zwei Temperatursensoren auswählen
• ENTER TIME BETWEEN SAMPLES IN SECONDS: 10
• ENTER NUMBER OF SAMPLES: 60
! Diese Einstellung habe ich für die Erwärmung eines halben Liter Wassers auf einem
Herd mit einer Leistung von 1200 Watt getroffen.
Mit Tauchsiedern kann die Zeitspanne für den Versuch erheblich verkürzt werden!
Das Wasser in den Töpfen wird wahrscheinlich früher zum Sieden gebracht.
Allerdings kann man am Graphen anschließend sehr schön erkennen, dass die
Temperatur beim Sieden konstant bleibt, wenn man das Wasser etwas kochen lässt.
• Beim Wählen der Achsenabschnitte eine erhöhte Siedetemperatur beachten!
ymin? 15 ÷ ymax? 110 ÷ yscl? 1 ÷
• Nachdem die Messung gestartet wurde, werden die beiden Herdplatten eingeschaltet.
Schon nach kurzer Zeit sollte man erkennen, dass das Wasser im verschlossenen Topf
sich schneller erwärmt als im offenen.
BEISPIEL
Dieser Graph zeigt ein mögliches
Ergebnis. Man erkennt hier bereits einen
Unterschied, auf Grund der großen
Differenz von Anfangs- und
Endtemperatur vor Erreichen der
Siedetemperatur eignet er sich aber nicht
wirklich für eine Besprechung. Allerdings
kann man die konstante Siedetemperatur
eindeutig erkennen.
-- Erwärmung des geschlossenen Gefäßes
xx Erwärmung des offenen Gefäßes
Dies ist der Graph, der die
Temperaturdifferenz als Funktion der Zeit
darstellt. Auch hier erkennt man, wann das
Sieden des Wassers einsetzt. Die Differenz
beim Sieden bleibt konstant.

Temperatur in °C
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
40
70
Siedepunkterhöhung
100
130
160
190
Kocht das Wasser im verschlossenen
Gefäß wirklich früher?
Diese Frage lässt sich leichter
beantworten, wenn ein Teil des Graphen
vergrößert dargestellt wird.
220
250
280
Zeit in sec
310
340
370
400
430
460
490
520
Kochen mit Deckel Kochen ohne Deckel
Auswertung mit Microsoft Excel
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Wie man aus den Graphen erkennt, erwärmt sich das Wasser im verschlossenen Gefäß
schneller. Das kommt daher, weil der Wasserdampf nicht entweichen kann und sich die
Flüssigkeit dadurch nicht abkühlt. Dieser Effekt ist in einem Druckkochtopf, der dicht
verschlossen wird, größer. In diesem Experiment entweicht ein Teil des Dampfes, da die
Zuführungsleitungen des Temperatursensors genug Platz lassen, sodass der Dampf
entweichen kann. Dennoch erkennt man den Effekt, der aber etwas geringer ausfällt.
Wie kommt es zur erhöhten Siedetemperatur?
Eine Flüssigkeit siedet, wenn der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem darauf lastenden
Gesamtdruck wird. Kocht man Wasser, so ist der darauf lastende Druck natürlich der
Luftdruck. Weil der Wasserdampf wegen des Deckels nicht entweichen kann, vergrößert
sich der Druck, der auf das Wasser wirkt. Damit der Wasserdampf entweichen kann, muss
er auch die Kraft aufbringen, um den Deckel zu heben.

Verwendet man zum Kochen einen normalen Kochtopf, so hebt der Wasserdampf den
Deckel, sobald der Druck im Inneren groß genug wird. Bei einem Druckkochtopf gibt es
ein Überdruckventil, durch das der Wasserdampf entweichen kann.
Wie man an der Auswertung des Beispiels erkennen kann, beginnt das Wasser im
verschlossenen Gefäß auch früher zu Sieden. Der Volksmund hat also recht. Es ist besser,
Wasser in einem verschlossenen Gefäß zum Kochen zu bringen.

Siedepunkterhöhung
einer Lösung
Eine Lösung hat einen höheren Siedepunkt als das reine Lösungsmittel. Dabei hängt die
Erhöhung des Siedepunktes von der Konzentration der Lösung ab. Dies lässt sich mit Hilfe
des TI-92 und des CBL-Systems sehr deutlich zeigen. Man verwendet hiefür zwei Gefäße und
zwei Temperatursensoren. In eines der Gefäße gibt man Wasser, ins zweite eine
Kochsalzlösung oder Zuckerlösung. Je höher die Konzentration der Lösung ist, desto
deutlicher erkennt man die Siedepunkterhöhung.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Zwei Gefäße gleicher Größe und von gleichem Material
Zwei Feuerstellen mit gleicher Leistung
Kochsalz, Zucker
AUFBAU
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Die Gefäße werden mit der gleichen Menge Wasser bzw. der Lösung gefüllt, die
Sensoren in die Gefäße gegeben
DURCHFÜHRUNG
• Einstellungen im Programm CHEMBIO vornehmen
Experiment
4
• 60 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden eignen sich für dieses Experiment
sehr gut. Das Wasser und die Lösung wird, bei entsprechender Menge, allerdings
früher zu sieden beginnen. Daher kann man in diesem Fall die Zeitspanne auch
verkürzen. Belässt man die Dauer des Experiments allerdings bei 10 Minuten, so
erkennt man die konstante Temperatur, die beim Sieden gehalten wird, aus dem
Graphen.
• Nachdem die Achsenabschnitte bestimmt wurden - Siedetemperatur bei der Lösung
über 100 °C beachten – startet man die Messung. Erst nach den ersten beiden

BEISPIEL
Messungen sollten die Feuerstellen in Betrieb genommen werden. Dadurch erreicht
man, dass die selbe Anfangstemperatur angezeigt wird und die Graphen leichter
vergleichbar sind.
In diesem Versuch wurde 500g Wasser
und die entsprechende Menge einer 10%igen
Kochsalzlösung erwärmt. Man
erkennt bereits hier ganz deutlich die
höhere Siedetemperatur der Salzlösung.
-- Lösung
xx Wasser
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Die Temperaturdifferenz. Die Lösung
erwärmt sich viel schneller, beim Sieden
bleibt die Differenz konstant.
Verantwortlich für die Siedepunkterhöhung in einer Lösung ist der osmotische Druck.
Dies ist jener Druck, den die in der Lösung befindlichen Moleküle des gelösten Stoffes
auf eine für sie undurchlässige Membran ausüben.
Für eine ideale Lösung gilt die Zustandsgleichung idealer Gase. Nach van’t Hoff gilt
νRT
daher: posm = [2]
V
Löst man 20g Zucker ( 12H
22O11
)
Für 20g Kochsalz ( )
C in einem Liter Wasser, so erhält man p ≈ 1,
5 bar .
NaCl in einem Liter Wasser allerdings p ≈ 8,
6 bar .
Aufgrund des osmotischen Drucks kommt es zu einer Dampfdrucksenkung der Lösung,
die von der Dichte der Flüssigkeit, der Konzentration und Molmasse des gelösten Stoffes
abhängt.
osm
µ
∆ p = p c
[2]
ρ
Fl
osm

p......
Dampfdruck
µ ...... Molmasse
ρ Fl
...
Dichte der Flüssigkeit
c.......
Konzentration
Die Dampfdrucksenkung bewirkt nun eine Siedepunkterhöhung. Sie ist von der molaren
Konzentration abhängig und berechnet sich aus:
m......
Masse des gelösten Stoffes
m
M
F
... Masse des Lösungsmittels
r
m
∆ T = E
[3]
m
F M r
3
E...... ebullioskopische
Konstante; für Wasser 0,
51⋅10
K
... relative Molekülmasse
des gelösten Stoffes
Die nebenstehende Grafik 2 zeigt den
Zusammenhang zwischen Dampfdrucksenkung
und der Siedepunkterhöhung. Bei gleichem
äußeren Druck siedet die Lösung später.
__ Dampfdruckkurve Lösungsmittel
--- Dampfdruckkurve Lösung
Die obigen Diagramme zeigen auch, dass sich die Lösung viel schneller erwärmt, als das
Wasser. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4200 Jkg -1 K -1 , die von
Kochsalz hingegen nur 867 Jkg -1 K -1 . Somit wird die spezifische Wärmekapazität der
Kochsalzlösung ebenfalls niedriger, die Lösung erwärmt sich dadurch schneller.
Bei diesem Versuch muss man berücksichtigen, dass gleich viel Wasser wie Lösung
verwendet worden ist. Beim Kochen gibt man zur gleichen Menge Wasser das Salz noch
dazu. Daher muss das Salz erst zum Schluss zum Wasser gegeben werden, wenn der
Kochvorgang beschleunigt werden soll.
2 Aus: Vogel, Gerthsen Physik, 19. Auflage, S. 277

Lösungswärme –
Erniedrigung des Gefrierpunktes
Warum wird im Winter Salz auf verschneite Strassen aufgebracht? Wie funktionieren
Kühlflüssigkeiten in der Technik und im Tierreich?
In diesem Experiment soll diese Frage beantwortet werden. Mit Hilfe eines
Temperatursensors und dem CBL-System kann man eine Reihe von Experimenten
durchführen, die zeigen, dass ein Lösungsmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt, als
die reine Flüssigkeit.
MATERIAL
CBL System Ein Temperatursensor
Gefäß
Salz, Zucker
Eis, Schnee
AUFBAU
• Der Temperatursensor wird am Kanal CH1 des CBL Systems angeschlossen
• Das Eis wird in das Gefäß gegeben, der Temperatursensor ebenso
! Eiswürfel zerschlagen! Noch besser eignet sich Schnee für dieses Experiment
DURCHFÜHRUNG
• Für dieses Experiment wird nur ein Temperatursensor benötigt. Daher auch bei der
Auswahl im Programm CHEMBIO darauf achten!
! Im Fenster MONITOR INPUT kann überprüft werden, ob der Sensor eine
Temperatur von 0° C anzeigt.
• 40 Messwerte, die alle 5 Sekunden aufgenommen werden, liefern bereits gute
Ergebnisse
• Eine mögliche Auswahl des y-Achsenabschnitts
ymin? -15 ymax? 10 yscl? .5
Experiment
5
• Starten der Messung. Erst nach den ersten Messungen das Salz oder den Zucker zum
Eis geben. Anschließend wird der Stoff im Lösungsmittel durch ständiges Rühren
gelöst.

BEISPIEL
Dieser Graph zeigt den Temperaturverlauf,
einer 60g Eis und 20g Kochsalz Mischung.
Man erkennt deutlich den
Temperaturanstieg, wenn man das Salz
zum Eis gibt, und wie anschließend die
Temperatur im Gemisch auf –12,2 °C
absinkt. Dabei hat sich allerdings nicht der
ganze Stoff aufgelöst.
Der Verlauf der Temperatur bei einem
Gemisch von 60g Eis mit 10g Kochsalz ist
ähnlich. Da sich das Salz vollständig
aufgelöst hat, werden hier schneller tiefere
Temperaturen als beim obigen Versuch
erreicht. Nach dem Auflösen des Salzes
stellt sich eine konstante Temperatur ein.
Zum Vergleich sieht man nun den
Temperaturverlauf in einer 60g Eis und
20g Zucker Lösung. Auch hier kommt es
zu einer Gefrierpunktsenkung, die nicht so
drastisch ausfällt. Der Grund ist die
größere molare Masse von Zucker.

Temperatur in °C
10
5
0
-5
-10
-15
5
20
Lösungswärme - Gefrierpunktsenkung
35
50
65
80
95
110
125
Zeit in sec
Salzlösung Zuckerlösung
140
Auswertung mit Microsoft Excel
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Die obigen Diagramme zeigen zu Beginn alle einen Temperaturanstieg, nachdem der zu
lösende Stoff in das Eis gegeben wurde. Dieser Anstieg resultiert daraus, dass die
Stoffmenge im Verhältnis zum Eis sehr groß gewesen ist und das Salz oder der Zucker
Zimmertemperatur hatten. Der Anstieg im „Zucker“-Diagramm ist nur scheinbar höher.
Da Zucker eine niedrigere Lösungswärme besitzt, scheint hier der Anstieg höher
auszufallen, weil der TI-92 das ganze Graphikfenster für das Diagramm ausnutzt.
Für die Gefrierpunktsenkung ist wiederum die Dampfdrucksenkung auf Grund des
osmotischen Drucks verantwortlich. Der Zusammenhang zwischen Dampfdrucksenkung
und osmotischem Druck wurde bereits im vorigen Experiment beschrieben. Die
Temperaturerniedrigung errechnet sich nun ähnlich:
M
...Masse
F M r
m.....
Masse des gelösten Stoffes
mF
r
155
170
185
200
m
∆ T = K
[4]
m
3
K..... kryptonische
Konstante; für Wasser −1,
86 ⋅10
K
des Lösungsmittels
... relative Molekülmasse
des gelösten Stoffes

In diesem Versuch misst man eigentlich die Lösungswärme. Zum Lösen des Kochsalzes,
beziehungsweise des Zuckers, wird Energie benötigt. Diese Energie wird dem Eis entzogen,
es kühlt sich infolge dessen ab. Da das Eis dabei aber auch schmilzt, erkennt man, dass es
auch zu einer Gefrierpunktsenkung der Lösung kommen muss. Wie die obige Formel zeigt,
hängt die Gefrierpunktsenkung, wie auch die Siedepunkterhöhung, von der Konzentration und
der molaren Masse des gelösten Stoffes ab.
Eine der wichtigsten Anwendungen, bei denen die Gefrierpunktsenkung eine Rolle spielt, ist
die Salzstreuung im Winter. Das Salz, das auf die Strasse aufgebracht wird, bringt das Eis
zum Schmelzen. Das Wasser rinnt von der Strasse ab womit diese nicht mehr vereisen kann.
Variiert man die Menge des Salzes, so kann man erkennen, dass die Salzstreuung nur bis zu
einer gewissen Temperatur funktionieren kann. Diese beträgt für Kochsalz ungefähr minus 8
°Celsius. Weitere Verwendung findet auch Calziumchlorid und Magnesiumchlorid.
Magnesiumchlorid kann bis zu einer Temperatur von –20 °C verwendet werden.
Auch der Schmelzpunkt von Legierungen liegt meist tiefer als der niedrigste Schmelzpunkt
der Bestandteile. Als Beispiel nenne ich hier das Rosesche Metall [5], eine Legierung aus
Bismut, Blei und Zinn. Ihr Schmelzpunkt liegt bei 94 °C, während Bismut bei 271 °C, Blei
bei 327 °C und Zinn bei 232 °C schmilzt.

Bestimmung der relativen Luftfeuchte
mittels Psychrometer
In diesem Versuch geht es darum, mittels zweier Thermometer die relative Luftfeuchte zu
bestimmen. Dabei wird der aktuelle Dampfdruck der Luft gemessen, in dem man um eines
der beiden Thermometer ein befeuchtetes Tuch wickelt und beide Thermometer in einen
Luftstrom hält. Durch die Verdunstungskälte zeigt das feuchte Thermometer eine niedrigere
Temperatur an. Der aktuelle Dampfdruck lässt sich dann durch folgende Formel berechnen:
e = e − A⋅
p ⋅ ( T − T )
[6]
sat,
feucht
trocken feucht
e
Die relative Luftfeuchte in Prozent errechnet sich anschließend aus: ϕ = 100
e
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Mit Wasser befeuchtetes Tuch Ventilator
Tabelle für Sättigungsdruck für Wasserdampf
Barometer, (Hygrometer zum Vergleich des Ergebnisses)
AUFBAU
e
sat.
feucht
A =
p
T
T
trocken
feucht
Sättigungsdampfdruck
in hPa bei der
6,6 ⋅10
-4
K
−1
Luftdruck in
,
für Wasser am feuchten
hPa
Temperatur des trockenen Thermometers
Temperatur des feuchten Thermometers
Temperatur T
Tuch
sat,trocken
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Um einen der beiden Temperatursensoren wird das befeuchtete Tuch gewickelt
• Die beiden Sensoren werden in der Nähe des Ventilators fixiert
feucht
Experiment
6

DURCHFÜHRUNG
• Starten des Programms CHEMBIO und Einrichten der beiden Temperatursensoren
• ENTER TIME BETWEEN SAMPLES IN SECONDS: 5
• ENTER NUMBER OF SAMPLES: 60
300 Sekunden sollten im Normalfall reichen, damit sich an den beiden Sensoren eine
konstante Temperatur einstellt. Dieser Wert kann aber geändert werden.
• Wählen des Achsenabschnitts der y-Achse
ymin? 10 ymax? 30 yscl? 1
• Durch drücken der ÷- Taste startet man nun die Messung
BEISPIEL
Ventilator einschalten nicht vergessen!!
Etwa so sollten die beiden Graphen
aussehen.
-- Temperaturverlauf feucht
xx Temperaturverlauf trocken

Die Spalte c4 wurde so programmiert, dass
sie die Temperaturdifferenz zum
jeweiligen Zeitpunkt angibt (c4 = c3 – c2).
Die letzten Werte zeigen klar, dass sich
eine konstante Temperatur eingestellt hat
Die Zeitgraphen für Ttrocken, Tfeucht und ∆T.
Alle drei Graphen können in einem Plot
dargestellt werden.
-- Tfeucht
xx Ttrocken
□□ ∆T
Im Home-Fenster ( ∞ Q ) kann nun die
Rechnung durchgeführt werden, nachdem
man den Sättigungsdampfdruck der
Temperatur Tfeucht und den Luftdruck
abgelesen hat.
Hier: psat = 19,37 hPa 3
pluft = 1029 hPa
Die tatsächliche Luftfeuchte betrug laut Haar-Hygrometer 65%. Der in unserem
Experiment ermittelte Wert ist 60,6 %. An dieser Stelle kann man nun mögliche
Fehlerquellen analysieren.
FEHLERQUELLEN
Messbereich der beiden Temperatursensoren
Ablesen des Luftdrucks von einem analogen Barometer
Bestimmung des Sättigungsdampfdruckes aus Tabelle
Ablesen der relativen Luftfeuchte vom analogen Hygrometer
3 Aus: Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.632, Tabelle 28

INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Die Abkühlung am feuchten Thermometer erfolgt auf Grund der Verdunstungskälte.
Betrachtet man ein ideales Psychrometer, das heißt, es wird die Strahlung und der
Wärmestrom aus dem Inneren vernachlässigt, so wird die zur Verdunstung nötige Wärme
V nur der Wärme L aus dem Luftstrom entzogen. Es gilt daher L + V = 0 .
Dabei ist L = −α
L ( T feucht − Ttrocken
)
0,
622LV
und V = − α L ( esat,
feucht − e)
, mit
pc
L
V
p..........
... Luftdruck
p
.......... . Verdunstungswärme
α .......... .Wärmeübergangskoeffizient,
Luft
e
L
sat,
feucht
Für den Koeffizienten
... Sättigungsdampfdruck
bei der
e..........
.... Dampfdruck der
c
p = 1013 hPa ,
Üblicherweise setzt man
p
Luft
Temperatur T
feucht
.......... .. spezifische
Wärmekapazität
der Luft bei konstantem Druck
c p
A = aus Formel [6] auf Seite 39 erhält man mit
0,
622L
−1
−1
c p = 1008 Jkg K und
V
6 −1
LV = 2,
5⋅10
Jkg
,
−1
A = 0,
657 K .
−4
−1
A = 6,
6 ⋅10
K . Damit kann der Luftdruck und der
Sättigungsdampfdruck in hPa in die daraus resultierende „Sprungsche
Psychrometerformel“ eingesetzt werden:
−4
e = e − 0,
66 ⋅10
⋅ p ⋅ ( T − T
sat,
feucht
trocken feucht
Diese Formel gilt auch dann, wenn am feuchten Thermometer nicht Wasser, sondern Eis
auftritt. Für Eis wird die Konstante A = 5,8·10 -4 K -1 , also etwas kleiner. Wegen der
kleinen Werte von ∆T bleibt der absolute Fehler vom Dampfdruck der Luft gering.
Die relative Luftfeuchte spielt nicht nur in der Meteorologie eine wichtige Rolle. Auch für
den Wasserhaushalt der Pflanzen ist die Luftfeuchtigkeit wichtig. Hier spielt aber vor
allem das Wasserdampf-Sättigungsdefizit eine wichtige Rolle. Unter dem
Sättigungsdefizit versteht man die Differenz zwischen dem Sättigungsdampfdruck und
dem aktuellen Dampfdruck.
)

Strahlungsabsorption –
Modell eines Sonnenkollektors
Jede Lichtquelle strahlt Energie auch in Form von Wärme ab. Dabei erwärmen sich einige
Gegenstände in unserer Umgebung schneller, andere langsamer. Vor allem dunkle
Gegenstände erwärmen sich sehr rasch, während helle Gegenstände den Anschein haben, sich
nur sehr langsam zu erwärmen. Ist dies nur ein subjektiver Eindruck, oder kann das auch
experimentell untermauert werden?
Ist es in einem dunkelblauen Auto wirklich wärmer, als in einem weißen?
Warum baut man Sonnenkollektoren so, dass Kupferrohre in eine schwarze Folie verpackt
werden?
Warum sind Seen mit dunklem, schlammigen Untergrund wärmer, als Seen deren Untergrund
heller Kalkstein ist?
Die Temperatur über frisch asphaltierten Strassen ist um einiges höher, als die Temperatur
über einem alten Straßenbelag. Stimmt das?
Und was hat das ganze eigentlich mit den Farben schwarz und weiß zu tun?
All diese Fragen können mit diesem Experiment beantwortet werden.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Weiße und schwarze Proberöhre für Sonnenkollektormodell, Wasser
Weißes und schwarzes Plastilin für allgemeine Strahlenabsorption
Lichtquelle (Sonne, Overheadprojektor, Glühbirne)
! Besonders gute Ergebnisse erzielt man mit einer Glühbirne. Sie strahlt sehr viel Energie
im infraroten Bereich ab und erwärmt dadurch die beiden Proben weitaus stärker
AUFBAU
Experiment
7
• Die beiden Temperatursensoren werden an den Kanälen CH1 und CH2 des CBL
Systems angeschlossen
• Die Temperatursensoren in das Plastilin stecken, oder in die gefüllten Proberöhren
geben

DURCHFÜHRUNG
• Starten von CHEMBIO
• Die Einstellungen für die Temperatursensoren vornehmen
• Eine gute Wahl für die Einstellungen wären 30 Minuten lang jede Minute eine
Messung durchzuführen. Damit ist es möglich aussagekräftige Messwerte zu
bekommen.
! Die mit Wasser gefüllten Proberöhren verschließen. Dann erzielt man den besseren
Effekt. Die Abstrahlung ist nicht so groß.
• Messvorgang starten
BEISPIEL
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Die Grafik zeigt den Temperaturanstieg
von Wasser in einer weißen und einer
schwarzen Proberöhre. Die Erwärmung
erfolgte mit Hilfe einer 60 Watt Glühbirne.
Bereits hier erreicht man eine beträchtliche
Temperaturdifferenz.
-- schwarze Proberöhre
xx weiße Proberöhre
Diese Temperaturdifferenz kann wieder
als Graph dargestellt werden. Die
Differenz beträgt nach einer halben Stunde
bereits mehr als 1,5 °C.
Wie viel Strahlungsenergie ein Körper aufnimmt, hängt von der Wellenlänge der
Strahlung und vom Material ab. Die Absorptionsspektren sind sehr komplizierte Spektren,
im Bereich des sichtbaren Lichts kann man allerdings klare Aussagen über die Absorption
treffen. Werden daher beim Versuch die selben Materialien verwendet, braucht man sich
nur über die Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts Gedanken zu machen. Das
sichtbare Licht besitzt eine Wellenlänge, die von 390 – 770 nm reicht. An der unteren
Grenze folgt die ultraviolette Strahlung, an der oberen Grenze die Infrarotstrahlung. Ein

schwarzer Körper absorbiert alle Wellenlängen. Ein spiegelnder bzw. weißer Körper
hingegen reflektiert Lichtstrahlen aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Komplizierter
werden die Aussagen bezüglich der Infrarotstrahlung. Daher ist es ratsam, beim obigen
Versuch die gleichen Materialien zu verwenden. Dann ist sichergestellt, dass das
Absorptionsspektrum sich nur im Bereich des sichtbaren Lichts verändert.
Absorbiert ein Körper Lichtstrahlen, so wird die Energie dieser in Wärmeenergie
umgewandelt. Weil ein schwarzer Körper mehr Lichtstrahlen absorbiert als ein weißer,
steigt seine Temperatur auf einen größeren Wert.
Wie die obigen Diagramme zeigen, erwärmt sich auch das Wasser im weißen Gefäß.
Dieser Effekt ist um einiges größer, wenn man eine Glühbirne verwendet. Bei einer
Glühbirne wird nur sehr wenig elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt. Der
größte Teil geht als Wärme „verloren“.
Wichtig ist es auch, bei diesem Versuch nicht nur gleiches Material zu verwenden, es
muss auch die gleiche Oberfläche besitzen. Ein Körper mir rauer Oberfläche nimmt mehr
Wärme auf, als ein Körper mit glatter Oberfläche.
Auch ein Eisbär nutzt den Effekt aus, dass schwarze Pigmente seiner Haut mehr Energie
von Lichtstrahlen absorbieren in Wärmeenergie umwandeln.

Bestimmung der
Solarkonstanten
Die Sonne ist der Energiespender der Erde. Sie versorgt unsere Erde mit lebensnotwendiger
Energie, die von der Erde gespeichert wird. Der Großteil wird in Form von Wärme
gespeichert, oder aber wieder ins All reflektiert. Ein weiterer Teil dient dazu, Luft und Wasser
über den Erdball zu transportieren. Dadurch wird unser Wetter beeinflusst. Ein Bruchteil der
Sonnenstrahlung wird von den Pflanzen verarbeitet und steht uns in weiterer Folge als
Energiequellen in Form von Erdöl oder Kohle zur Verfügung.
Ein Maß für diese Sonnenstrahlung ist die Solarkonstante. Von den 3,8·1023 kWm-2, die die
Sonne abstrahlt, treffen nur 1,7·1017 Watt auf die Erde auf. Die Solarkonstante gibt nun an,
wie viel Watt der Sonnenstrahlung auf einen Quadratmeter auftreffen. Sie beträgt im Mittel
1370 Wm-2. Dieser Wert ist ein Mittelwert, da sich die Erde innerhalb eines Jahres nicht
immer im gleichen Abstand zur Sonne befindet. So wird Anfang Jänner die Solarkonstante
den höchsten, Anfang Juli den niedrigsten Wert erreichen.
Um die Solarkonstante zu bestimmen, benötigt man ein schwarzes Gefäß, in das eine
bestimmte Menge Wasser gegeben wird. Wird es der Sonnenstrahlung ausgesetzt, so erwärmt
sich das Wasser. Mit Hilfe der folgenden Formel kann nun die Solarkonstante α bestimmt
werden:
α =
cH O O
2
mH
tA
2
∆T
cH 2 O ....Wärmekapazität von Wasser, 4186 Jkg-1K-1
mH 2 O ...Wassermenge in Kilogramm
∆T.......Temperaturdifferenz
t...........Zeitdauer des Experiments in Sekunden
A.........Querschnittsfläche normal zur Sonnenstrahlung in m2
MATERIAL
CBL System Ein Temperatursensor
Schwarzes Gefäß
Wasser, das etwas kühler als die Umgebungstemperatur ist
Experiment
8

AUFBAU
• Den Temperatursensor an den Kanal CH1 des CBL Systems anschließen
• Das Gefäß so ausrichten, dass es normal zur Sonneneinstrahlungsrichtung steht, oder
die Querschnittsfläche berechnen
! Ein Gefäß mit berußter Oberfläche eignet sich besonders gut für diesen Versuch
DURCHFÜHRUNG
• CHEMBIO starten
• Für dieses Experiment eignen sich 10 Minuten als Experimentdauer, die Messwerte
können alle 30 Sekunden aufgenommen werden.
• Messvorgang starten und darauf achten, dass sich keine Wolke in der Nähe der Sonne
befindet

BEISPIEL
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
300 Gramm Wasser wurden von der Sonne
10 Minuten lang erwärmt. Dabei hatte das
Wasser zu Beginn eine Temperatur von
28,279 °C, am Ende 30,07 °C. Der
konstante Anstieg der Temperatur ist klar
ersichtlich.
Die Querschnittsfläche normal zur
Sonneneinstrahlung hat ungefähr 80 cm 2
betragen. Setzt man alle Werte in die obige
Gleichung ein, so ergibt sich ein Wert von
469 Wm -2 für die erbrachte Leistung der
Sonne.
Der errechnete Wert liegt deutlich unter den vorhin angesprochenen 1370 Wm -2 . Dies
kommt daher, dass dieser Wert die auf die Atmosphäre einfallende Sonnenenergie angibt.
Auf der Erde selbst kommt nur ein Bruchteil davon an, da bei der Berechnung noch die
Geometrie der Erde und die Luftreinheit berücksichtigt werden müssen. Außerdem wird
die Strahlungsenergie der Sonne nicht zu 100% als Wärmeenergie dem Wasser zugefügt.
Ein Teil der Wärme wird wieder an die Umgebung abgegeben. Durch die relativ kurze
Experimentdauer, fällt diese Abgabe allerdings noch nicht so hoch aus.
Würde man in einem Sonnenkollektor nur die Leistung der Strahlungsenergie der Sonne
ausnützen, so würde man mit der oben berechneten Leistung rund 1800 Sekunden, das
sind 30 Minuten, brauchen, um 50 Liter Wasser auf einer Fläche von 10 m 2 von 20 °C auf
60°C zu erwärmen. Dabei ist aber die Wärmeabstrahlung nicht berücksichtigt. Sie wird
bei einem Sonnenkollektor dadurch verhindert, dass die Kupferrohre unter ein Glas
gegeben werden. Durch den Treibhauseffekt erwärmt sich auch die Luft unter dem Glas,
womit die Erwärmung beschleunigt wird. Aus diesem Grund funktioniert ein
Sonnenkollektor auch an Tagen, an denen die Sonnenstrahlung nicht ganz so hoch
ausfällt.

Die Schwankung der Solarkonstante hat für das Klima auf der Erde ebenfalls große
Bedeutung. Der hohe Wert im Jänner ist dafür verantwortlich, dass die Winter auf der
Nordhalbkugel eher mild, die Sommer auf der Südhalbkugel dafür sehr heiß sind. Der
niedrige Wert im Juli ist für die gemäßigten Sommer der Nordhalbkugel und für die kalten
Winter der Südhalbkugel verantwortlich. Allerdings wirken sich die großen
Wassermassen der Südhalbkugel auf das Klima positiv aus, während die großen
Landmassen auf der Nordhalbkugel die Winter doch rauer erscheinen lässt.

Erde, Wasser und Luft -
Wie bestimmen Sie das Wetter ?
Das Wetter wird von vielen Faktoren beeinflusst. Ein ganz wichtiger Faktor ist dabei, dass
sich die Erde nicht überall gleichmäßig stark erwärmt. So erwärmt sich die Erde am Äquator
stärker als an den Polen. Dadurch kommt es zu einer Luftströmung vom Äquator zu den Polen
und umgekehrt. Dieses Phänomen mit Hilfe des TI-92 zu untersuchen, ist wohl unmöglich.
Aber es gibt noch sehr viele andere wichtige Faktoren in der Meteorologie. So erwärmt sich
die Erde, die Luft und das Wasser nicht gleich stark. An einem Sandstrand könnte man sich in
der Mittagshitze leicht die Füße verbrennen, während das Meer noch immer für eine
Abkühlung sorgt, und das obwohl das Meer, die Luft und der Sand am Strand die gleiche
Energie von der Sonne zugeführt bekommen. Kaum ist die Sonne allerdings hinter einer
Wolke verschwunden oder am späteren Nachmittag etwas weiter von unserem
Aufenthaltspunkt entfernt, ist es am Strand wieder angenehm, der Sand nicht mehr heiß, die
Luft auch nicht mehr so warm, das Wasser allerdings kaum kälter. Auch weht eine leichte
Brise vom Land zum Meer, doch am Tag war es doch bestimmt umgekehrt.
Dieses Phänomen, dass sich Erde und Wasser und daher auch die über ihnen liegende Luft
unterschiedlich stark erwärmen, kann mit diesem Experiment auf einfache Weise genauer
untersucht werden. Dazu benötigt man zwei Temperatursensoren. Mit einem Sensor wird der
Temperaturverlauf des Wassers gemessen, das zunächst entweder von der Sonne direkt, oder
von einer Glühbirne erwärmt wird, ein anderer misst den Temperaturverlauf in Sand.
Ungefähr zur Hälfte der Beobachtungszeit werden die Proben in den Schatten gestellt, oder
das Licht abgeschaltet. Damit kann nun auch der Abkühlvorgang untersucht werden. Die
Beobachtungszeit kann dabei variieren.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Behälter für Sand (Erde) und Wasser
Sand, Wasser gleicher Masse
! Sand mit einer geringen Wärmekapazität (stark quarzhältiger Sand) eignet sich für diesen
Versuch besonders gut. Diesen Sand findet man entweder an einem Strand an der Oberen
Adria, oder auf Beachvolleyballplätzen.
Experiment
9

AUFBAU
• Die zwei Sensoren schließt man an das CBL-System an
• Ein Sensor misst die Erdtemperatur knapp unter der Oberfläche, der zweite die
Wassertemperatur in gleicher Tiefe.
DURCHFÜHRUNG
! Vor der Messung die vollen Behälter einige Zeit am gleichen Platz stehen lassen,
damit die Proben die gleiche Anfangstemperatur aufweisen. Misst man den
Temperaturverlauf im Freien, so empfiehlt es sich, die Proben über Nacht im Freien zu
lassen.
• Im Programm CHEMBIO stellt man die Temperatursensoren und ihre
Anschlusskanäle ein
• Im DATA COLLECTION Menü wählt man Time Graph. Es ist zu beachten, dass die
Zeitspanne zwischen zwei Messwerten 1600 Sekunden nicht überschreiten kann.
• Starten der Messung
BEISPIEL
Temperaturverlauf in 5 cm Tiefe.
Es wurde das Wasser- und das Erdglas
jeweils eine Stunde von einer 60W
Glühbirne aufgeheizt. Nach einer Stunde
wurde das Licht abgedreht und die Proben
konnten auskühlen.
Die Glühbirne erwärmte die Proben mit
ungefähr 120 W/m 2 . Die Sonne liefert
deutlich mehr Energie, am Ergebnis ändert
sich allerdings nichts.
-- Sand
xx Wasser

Die Erwärmung dauerte hier 100 Minuten,
erneut mittels 60 Watt Glühbirne. Der
Temperaturunterschied fällt bereits
deutlich höher aus. Nach 100 Minuten
beträgt er 1,2° C.
Auf die Proben wirkte bei diesem
Experiment eine Leistung von 212,2
W/m 2 . Sie errechnet sich mit folgender
Formel:
PGlühbirne
P =
2
4 ⋅π
⋅ d
d ... Abstand Glühbirne - Probe
Die Temperaturdifferenz als Zeit-Graph.
Die Erdtemperatur steigt viel schneller an,
als die Wassertemperatur. Erst wenn der
Wärmeeinfluß nachlässt, ändert sich das
Bild. Die Erde kann die Wärme nicht so
gut speichern und die Temperatur sinkt
rasch ab. Gegen Ende des Experiments ist
die Wassertemperatur höher, als die
Erdtemperatur.
Mit Hilfe der Formel aus Experiment 8,
lässt sich die spezifische Wärmekapazität
des Wassers und der verwendeten Erde
berechnen.
Der Wert von 4500 Jkg -1 K -1 weicht vom
tatsächlichen Wert 4186 Jkg -1 K -1 ab. Der
Fehler beträgt hier ungefähr 7,5%. Das
Wasser wurde gegen äußere Erwärmung
nicht isoliert und hat daher auch an die
Umgebung Temperatur abgegeben. Das
wichtige Ergebnis, dass die
Wärmekapazität des Wasser um einiges
höher ist, als die der Erde, ist klar
ersichtlich. Auch die Erde wurde nicht
isoliert, daher weicht das Ergebnis auch
hier vom tatsächlichen Wert ab. (Die
Wärmekapazität von trockenen Sand
beträgt um 800 Jkg -1 K -1 4 )
Die Ergebnisse dieses Experiments eignen sich sehr gut, um einen kleinen Einblick in die
Meteorologie zu bekommen. Anhand der Auswertung lassen sich einige der Eingangs
gestellten Fragen anschaulich beantworten.
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
den großen Einfluss des Golfstroms auf das Klima im Nordwesten Europas und
schließlich auch auf das Klima in unserer Gegend, kann man mit Hilfe dieser Ergebnisse
leichter verstehen.
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Wegen der unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazität erwärmen sich das Wasser und
die Erde unterschiedlich stark. Das Wasser mit einer spezifischen Wärmekapazität von
4186 Jkg -1 K -1 braucht sehr lange, bis es um einige Grad wärmer wird. Dafür speichert es
die Wärme länger und kühlt sich dadurch nicht so schnell ab. Im Gegensatz dazu ist
reiner, trockener Sand mit einer spezifischen Wärmekapazität von 800 Jkg -1 K -1 leichter zu
erwärmen, er gibt aber die Wärme auch schneller ab. Zu Beginn der Messung erwärmt
sich das Wasser in 5 Zentimetern Tiefe allerdings schneller, da es im Wasser zu
Konvektionsströmen kommt. Die Gartenerde erwärmt sich zu Beginn dadurch etwas
langsamer. Sie setzt sich aus vielen verschiedenen Bestandteilen (auch Wasser)
zusammen. Die errechnete spezifische Wärmekapazität wird dadurch größer, die
Erwärmung fällt nicht so hoch aus..
Anmerkung:
Eine große Rolle bei der unterschiedlichen Erwärmung von Land und Wasser spielt die
größere Masse des Wassers. Die Lichtstrahlen dringen tief in das Wasser ein und
müssen daher eine größere Masse erwärmen. An Land erwärmen die Lichtstrahlen nur
die Oberfläche.
Weil sich nun auch die über dem Wasser beziehungsweise dem Sand liegenden
Luftmassen ebenso unterschiedlich stark erwärmen, kommt es zu Winden. Diese treten
aber nicht nur am Meer als Landwinde und Seewinde auf. Auch in Österreich gibt es viele
Gebiete, die unterschiedlich stark erwärmt werden. An vielen Berghängen kommt es daher
zu besonders starken Aufwinden, die von Segelfliegern oder Paragleitern ausgenützt
werden. Es wird in diesem Zusammenhang oft der Begriff „Thermik“ angewendet.
Die hohe Wärmekapazität von Wasser ist für unser Klima besonders wichtig, da sich die
im Meer lebenden Wesen auf zu große Temperaturschwankungen nicht so schnell
einstellen könnten. Auf der Südhalbkugel wirken die Wassermassen mäßigend auf das
Klima. Der Golfstrom liefert Nord-West-Europa die Wärme aus dem Süden der USA. Der
Humboldt-Strom im Westen Südamerikas ist dafür verantwortlich, dass auch auf den

Galapagos-Inseln Pinguine leben können. Er versorgt den ganzen Westen Südamerikas
mit kaltem Wasser aus der Antarktis.

Der Treibhauseffekt
Immer wieder liest man von Treibgasen, die den Treibhauseffekt beschleunigen, und so
das Weltklima beeinflussen. Es gibt natürliche Treibgase, wie zum Beispiel Wasser,
Kohlendioxid, Methan und Ozon. Sie sind dafür verantwortlich, dass auf der Erde ein
Klima herrscht, bei dem Leben möglich ist, da sie einen Teil der von der Erde
abstrahlenden Energie absorbieren und auf die Erde reemittieren. Derzeit verstärken
künstliche Treibgase diesen Effekt und so erwärmt sich die Erde stärker, was zum
Abschmelzen der Polkappen führen und einen Klimawechsel in den einzelnen
Klimazonen hervorrufen kann.
Wie stark sich der Treibhauseffekt am Beispiel CO2 auswirkt, soll hier gezeigt werden. In
einem Glas wird CO2, in einem anderen reine Luft durch eine Lichtquelle erwärmt. Das CBL-
System zeichnet die beiden Temperaturkurven auf.
MATERIAL
CBL System Zwei Temperatursensoren
Zwei Gläser, die mit Folie verschlossen werden
CO2
Lichtquelle (Sonne, Overheadprojektor)
! CO2 gewinnt man am besten aus Sodakapseln
CO2 kann auch durch Schütteln einer Mineralwasserflasche in einem Luftballon
aufgefangen werden
AUFBAU
Experiment
10
• In ein Glas gibt man CO2. Danach werden beide Gläser mit der Folie verschlossen und
unter die Lichtquelle gestellt.
• Die beiden Temperatursensoren werden durch die Folie in die Gläser gesteckt und
anschließend an den Folien festgeklebt

DURCHFÜHRUNG
• Starten von CHEMBIO und die Einstellungen für die Sensoren vornehmen
• TIME GRAPH mit 120 Messwerten á 5 Sekunden wählen
• Messvorgang starten, Lichtquelle einschalten
Die beiden Gläser wurden mit einer 60W
Glühbirne 10 Minuten lang bestrahlt. Das
CO2 hat sich dabei wesentlich stärker
erwärmt.
-- CO2
xx Luft
INTERPRETATION UND PHYSIKALISCHER HINTERGRUND
Auch die Temperaturdifferenz zeigt die
deutlich stärkere Erwärmung des CO2
Gases an.

Ein Leben in dieser Form auf der Erde ist erst möglich, weil es in der Erdatmosphäre
natürliche Treibgase gibt. Die beiden wichtigsten Treibgase sind Wasser und
Kohlendioxid. Wasserdampf ist für eine Temperaturerhöhung von ungefähr 20°, CO2 für
eine Erhöhung von 10° verantwortlich.
Der Unterschied bei der Erwärmung von Luft und CO2 fällt in dann dementsprechend
nicht so hoch aus. Der Grund liegt daran, dass auch die natürliche Luft viele Treibgase
enthält. Dennoch kann man einen Unterschied erkennen.
Treibgase, drei- und mehratomige Moleküle, verhindern, dass die von der Erde
reflektierten Infrarotstrahlen, also die Wärme, ungenutzt ins All abgestrahlt werden. Sie
absorbieren gerade diese Wärmestrahlung, also die Strahlung im infraroten Bereich. Dies
kann mit Hilfe des Wien’schen Verschiebungsgesetzes nachgewiesen werden.
Bei der Emission gelangt ein Teil der Energie wieder an die Erdoberfläche zurück. Ihre
Erwärmung steigt daher an.

2.2. DIE ARBEITSBLÄTTER

Kühlen durch Verdunsten
� Dein Kaffee ist noch zu heiß, Du würdest Dir beim Trinken die Zunge verbrennen. Du
hast allerdings nicht mehr viel Zeit und beginnst über die Tasse zu blasen. Kühlt der Kaffee
dadurch schneller ab?
Für den folgenden Versuch benötigst Du
• CBL-System und TI-92
• Zwei Temperatursensoren
• Zwei Kaffeetassen
• Heißes Wasser
DURCHFÜHRUNG
Gib in beide Tassen gleich viel Wasser.
Starte CHEMBIO und nimm 15 Messungen in einem Abstand von 10 Sekunden auf. Nach
den ersten Messungen beginnst Du über eine Tasse zu blasen.
� Übertrage den Graphen vom TI in das untenstehende Koordinatensystem

� Beschreibe den Graphen mit eigenen Worten
� Betrachte zuerst die linke Spalte und lies den Text. Überlege nun, was mit den
Dampfmolekülen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft passiert, wenn die
Flüssigkeit durch Blasen oder Fächeln gekühlt wird, und vervollständige das zweite Bild.
Die schnellsten Moleküle können die
Flüssigkeit verlassen. Im Wasserdampf
herrscht unregelmäßige Bewegung. Daher
kehren viele der Wassermolekühle wieder in
die Flüssigkeit zurück. Die Flüssigkeit kühlt
sich daher langsam ab.
� Überlege, bei welchen Vorgängen die sogenannte Verdunstungskälte eine Rolle spielt?

Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung
� Während der Kellner Deinen Kaffee bringt, bittet er Dich zum Telefon. Da Du Milch zum
Kaffee nimmst, hast Du zwei Möglichkeiten:
Die Milch gleich hineinzutun, oder wenn Du wiederkommst.
In welchem Fall bleibt der Kaffee wärmer, wenn die Milch Zimmertemperatur hat?
Überprüfe Deine Antwort, indem Du den Versuch einfach durchführst. Schließe dazu einen
TI-92 an das CBL-System an. Verwende zwei Temperatursensoren. Gib in zwei Tassen gleich
viel Kaffee. Nimm mit Hilfe von CHEMBIO 60 Messwerte á 5 Sekunden auf. Starte die
Messung und warte die ersten drei Messungen ab. Gib erst jetzt Milch in eine der beiden
Tassen dazu. Zirka eine Minute vor Ende der Messung gibst Du auch in die zweite Tasse
gleich viel Milch.
� Übertrage die wichtigsten Merkmale des Zeit-Temperatur-Graphen und des Zeit-
Temperaturdifferenz-Graphen auf das Millimeterpapier und beschreibe sie mit eigenen
Worten.
Zeit – Temperatur
Zeit - Temperaturdifferenz

Vervollständige den folgenden Satz:
Je ______________ der Temperaturunterschied zwischen dem Kaffee und der Umgebung
ist, desto ______________ kühlt der Kaffee aus.
Betrachte nochmals alle Deine Ergebnisse und versuche mit Deinem Wissen folgende Frage
zu beantworten:
Du gehst an einem kalten Wintertag für drei Stunden aus der Wohnung. Du möchtest Energie
sparen und hast nun folgende Möglichkeiten:
Heizung abschalten; je weniger geheizt wird, desto weniger Energie wird verbraucht
Heizung laufen lassen; Du sparst das Aufheizen bei der Rückkehr
Wie entscheidest Du Dich, und warum?

Kochen im Druckkochtopf – Erhöhung der Siedetemperatur
� Ein Druckkochtopf oder auch Schnellkochtopf ist ein Kochtopf mit einem speziellen
Deckel. Im Deckel ist eine Gummidichtung und ein Überdruckventil eingebaut. Beim
Kochen erreicht man höhere Temperaturen als in herkömmlichen Kochtöpfen. Dadurch
werden verschiedene Speisen schneller gar und die Kochzeit verkürzt sich.
In unserem Experiment wollen wir die höhere Siedetemperatur nachweisen. Wir verwenden
zwei gleich große Gefäße. Eines verschließen wir mit einem Deckel, das andere stellen wir
offen auf die Feuerstelle. In beide geben wir nun die Temperatursensoren und nehmen eine
Zeit-Temperaturkurve auf.
� Überlege, warum im geschlossenen Gefäß eine höhere Siedetemperatur erreicht wird.
� Zeichne den Graphen in das Koordinatensystem. Vergiss nicht auf die Beschriftung!
� Was passiert beim Sieden? Wie erkennt man den Siedepunkt im Diagramm und bei welcher
Temperatur beginnt das Wasser jeweils zu sieden?

Siedepunkterhöhung einer Lösung
� Eine Lösung - ein fester Stoff wird in einer Flüssigkeit gelöst – besitzt einen höheren
Siedepunkt als die reine Flüssigkeit selbst. So kocht Wasser in Meereshöhe bei einer
Temperatur von 100° C, Salzwasser bei höherer Temperatur.
Mit diesem Versuch überprüfen wir dies. Außerdem wollen wir herausfinden, wovon die
Siedepunkterhöhung abhängt.
In Gruppen werden verschiedene Lösungen hergestellt. Eine 10%-ige Kochsalzlösung, eine
5%-ige Kochsalzlösung, eine 5%-ige und eine 10%-ige Zuckerlösung. Weiters benötigt Ihr
einen Temperatursensor, ein CBL-System und einen TI-92.
AUFBAU UND DURCHFÜHRUNG
Schließe den Temperatursensor an das CBL und dieses dann an den TI-92 an.
50 ml der Lösung stellst Du auf die Feuerstelle. Dabei ist es wichtig, dass alle gleich viel
Lösung verwenden, damit die Ergebnisse vergleichbar werden!!
Nimm im Programm CHEMBIO die notwendigen Einstellungen vor, um bei einer
Experimentdauer von 5 Minuten 30 Messpunkte zu sammeln.
Starte den Messvorgang und nimm die Feuerstelle erst nach den ersten beiden Messungen in
Betrieb!
� Übertrage den Graphen auf das Blatt und zeichne7 auch den Graphen für das reine Wasser
ein!
� Beschreibe die beiden Graphen mit eigenen Worten.

Suche einen Partner der anderen Gruppen und vergleiche die Ergebnisse. Worin
unterscheiden sie sich?
� Versuche aus Deinen Ergebnissen eine Schlussfolgerung zu ziehen!
Wovon hängt die Siedepunkterhöhung ab?
Worin unterscheiden sich die gelösten Stoffe?

Gefrierpunkterniedrigung einer Lösung
Lösungen haben in Abhängigkeit ihrer Konzentration und in Abhängigkeit des gelösten
Stoffes eine erhöhte Siedetemperatur. Auch im Bereich des Schmelz- beziehungsweise des
Gefrierpunktes kommt es zu einer Veränderung.
Mit diesem Versuch wollen wir herausfinden, zu welcher Veränderung es kommt und wovon
diese abhängt.
MATERIAL
Du benötigst einen Temperatursensor, das CBL-System und einen TI-92.
Weiters Eis, noch besser wäre Schnee
Kochsalz und Zucker
Gefäße, in dem Du die Versuche durchführen kannst
DURCHFÜHRUNG
Gib in die Gefäße je 100 Gramm Eis. Gib den Temperatursensor, der bereits mit dem CBL
verbunden ist, in das Gefäß und warte, bis eine Temperatur von 0° C angezeigt wird. Dies
kannst Du ganz leicht im MONITOR INPUT Fenster überprüfen. Bereite inzwischen einmal
verschiedene Mengen Kochsalz und Zucker vor (zum Beispiel 5g und 10g). Starte eine
Messung, bei der Du 300 Sekunden lang alle 5 Sekunden einen Messwert aufnimmst. Gib
nach den ersten Messungen das Lösungsmittel dazu und löse es unter ständigem Rühren auf.
� Übertrage den Graphen in das Koordinatensystem.
� Beschreibe den Graphen mit Deinen Worten!

Vergleiche Dein Ergebnis mit dem von Schülern der anderen Gruppen.
� Versuche aus Deinen Ergebnissen eine Schlussfolgerung zu ziehen!
Wovon hängt die Gefrierpunktsenkung ab?
� Fasse die Ergebnisse der letzten beiden Versuche zusammen.
� In einem Liter Meerwasser sind ungefähr 35 Gramm NaCl gelöst. Daraus resultiert
eine rechnerische Siedepunkterhöhung von 0,6°, eine Gefrierpunktsenkung von 2,2°. Die
tatsächlichen Verschiebungen fallen etwas geringer aus, weil das Meerwasser auch durch
andere Elemente „verunreinigt“ ist. Daher friert Meerwasser bei –1,9° Celsius, während es
erst bei 100,5° Celsius siedet.
Versuche die Funktionsweise der Salzstreuung im Winter zu erklären!

Bestimmung der relativen Luftfeuchte
� Wasserdampf gelangt ständig durch Verdunstung in die Atmosphäre. Daher ist in unserer
Luft immer ein gewisser Teil Wasserdampf enthalten. Die Luft kann allerdings nicht
beliebig viel Wasserdampf aufnehmen. Die maximale Menge, die bei einer bestimmten
Temperatur aufgenommen werden kann, heißt Sättigungsmenge. Der dazugehörige
Dampfdruck heißt Sättigungsdampfdruck. Die tatsächliche Menge an Wasserdampf, die
in einem Kubikmeter Luft enthalten ist, heißt absolute Feuchtigkeit.
Kalte Luft kann weniger Wasserdampf aufnehmen, als warme Luft. Das sieht man zum
Beispiel an der Atemluft im Winter, wenn sich kleine Wassertröpfchen beim Ausatmen
bilden. Daher ist vor allem das Verhältnis von absoluter Feuchtigkeit zur
Sättigungsmenge von Bedeutung. Dieses Verhältnis nennt man relative Feuchtigkeit und
wird in Prozent angegeben. Die relative Feuchtigkeit kann auch mittels der Dampfdrücke
ermittelt werden. Es wird hier das Verhältnis aus tatsächlichem Dampfdruck und
Sättigungsdampfdruck berechnet.
Beträgt die relative Feuchtigkeit 50%, so kann die Luft noch einmal so viel Wasserdampf
aufnehmen, als sie bereits aufgenommen hat.
Um eine Wettervorhersage zu treffen, sollte man also auch die relative Luftfeuchte kennen.
Wir bestimmen sie mittels eines sogenannten Aspirationspsychrometers.
� Beschreibe den Versuch mit Deinen Worten
� Versuche zu erklären, warum das befeuchtete Thermometer eine kühlere Temperatur
anzeigt!

Wenn wir die relative Feuchtigkeit berechnen wollen, so können wir mit den Ergebnissen des
Versuches zunächst den aktuellen Dampfdruck berechnen. Dies geschieht mit der
nachfolgenden Formel:
e
sat.
feucht
p
T
T
trocken
feucht
−4
e = e − 6,
6 ⋅10
p ⋅ ( T − T
sat,
feucht
trocken feucht
� Notiere zunächst alle Werte, die in dieser Formel vorkommen. Lies den Sättigungsdruck
aus der untenstehenden Tabelle ab!
T / °C esat / hPa
10 12,27
11 13,12
12 14,01
13 14,97
14 15,97
Sättigungsdampfdruck
e
Luftdruck in hPa
Temperatur des trockenen Thermometers
Temperatur des feuchten Thermometers
T / °C esat / hPa
15 17,04
16 18,17
17 19,37
18 20,62
19 21,96
in hPa bei der
T / °C esat / hPa
20 23,37
21 24,86
22 26,42
23 28,09
24 29,84
)
T / °C esat / hPa
25 31,68
26 33,61
27 35,65
28 37,80
29 40,05
� Berechne schließlich den aktuellen Dampfdruck und die relative Luftfeuchte, die im
Klassenzimmer herrscht. Die relative Luftfeuchte wird aus dem Verhältnis aktueller
Dampfdruck zu Sättigungsdampfdruck bei Ttrocken errechnet und in Prozent angegeben.
� Überlege zuletzt, warum Brillengläser im Winter anlaufen!
sat
Temperatur T
feucht

Strahlungsabsorption
� Ein Sonnenkollektor wandelt die Energie der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um.
Eine beschichtete Platte nimmt die Wärmeenergie der Sonnenstrahlen auf und gibt die Wärme
an ein Rohrleitungssystem, das mit Wasser und Frostschutzmittel gefüllt ist, weiter. Erst
mittels Wärmetauscher wird das Nutzwasser erwärmt.
Für diesen Versuch benötigst Du:
• Zwei Temperatursensoren
• CBL-System und TI-92
• Ein schwarzes, ein weißes Gefäß
• Glühlampe
• Wasser
DURCHFÜHRUNG
Gib in beide Gefäße die gleiche Menge Wasser und stelle die Gefäße unter die Glühlampe.
Gib die beiden Temperatursensoren hinein und starte das Programm CHEMBIO. Wähle für
diesen Versuch die Funktion TIME GRAPH. Alle 10 Sekunden soll ein Messwert genommen
werden. Die Versuchsdauer beträgt 10 Minuten.
� Worin wird sich das Wasser am Ende des Versuches unterscheiden?
� Überlege, wie Farben zustande kommen! Was unterscheidet schwarz von weiß?

� Zeichne den Graphen in das dafür vorgesehene Koordinatensystem. Übertrage nur die
wichtigsten Daten!
� Wie sollte ein Sonnenkollektor aufgebaut sein?
Gib weitere Beispiele aus Deiner Umgebung zur Strahlenabsorption an!
Überlege, wie ein am Nordpol lebender Eisbär die Energie der Sonne nutzt!

Bestimmung der Solarkonstanten
23
� Die Sonne strahlt mit einer Leistung von Pα
= 3, 8⋅10
kW in alle Richtungen in den
Weltraum. Davon erreicht die Erde nur ein Bruchteil. Die Solarkonstante gibt an, wie viel
dieser Leistung auf einen Quadratmeter auf die Erde trifft.
Mit welcher Leistung strahlt die Sonne heute und erwärmt somit den Schulhof? Um dies
herauszufinden benötigst Du folgendes
MATERIAL
• schwarzes Gefäß
• Wasser, Menge vorher abwiegen
• CBL, TI-92
• Temperatursensor
AUFBAU
Schließe den Temperatursensor an das CBL und anschließend das CBL-System an den
TI-92 an.
Stelle das Wassergefäß an einen sonnigen Platz im Schulhof und gib den Sensor in das
Wasser.
Nimm im Programm CHEMBIO die notwendigen Einstellungen vor und nimm mit der
Funktion TIME GRAPH 10 Minuten lang alle 30 Sekunden einen Messwert auf.
� Berechne während der Versuchszeit, welchen Wert Du erwarten darfst. Dazu benötigst Du
den mittleren Abstand Sonne-Erde D und die Strahlungsleistung P α der Sonne.
Pα
� Die sogenannte Solarkonstante berechnet sich dann aus: α = . 2
4D π
Gib diesen Wert in der Einheit
−2
Wm an.

� Der berechnete Wert ist ein Mittelwert und hängt vom Abstand Sonne-Erde ab. Dieser
Abstand ist nicht konstant und ändert sich im Laufe eines Jahres.
� Überlege, zu welcher Jahreszeit die Solarkonstante den höchsten beziehungsweise den
niedrigsten Wert annehmen wird.
Welchen Einfluss hat dieser Umstand auf Sommer und Winter der Nordhalbkugel und der
Südhalbkugel?
� Wenn der Versuch abgeschlossen ist, berechne die Leistung, mit der die Sonne heute den
Erdboden erwärmt.
cH
Om
H O∆T
2 2
Dazu verwendest Du die folgende Formel: E =
tA
in m2
cH O
Dabei ist 2 ....... Wärmekapazität von Wasser
mH 2 O ..... Wassermenge in Kilogramm
∆T.......... Temperaturdifferenz
t............. Zeitdauer des Experiments
A............ Querschnittsfläche des Gefäßes normal zur Strahlungsrichtung
� Überprüfe, ob Deine beiden berechneten Werte übereinstimmen!
� Wenn nicht, worin könnten die Gründe dafür liegen?
� Ihr habt zu Hause einen Sonnenkollektor mit einer Fläche von 10 m 2 . Wie lange würde es
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?
� Der untenstehende Graph zeigt den Temperaturverlauf von Wasser und Erde während
einer Zeitdauer von 4 Stunden. Dabei wurden 635 g Wasser und 715 g Gartenerde von
einer Glühbirne mit einer Leistung von 210 Wm -2 in einem Glas mit 4 cm Radius
erwärmt, danach wieder sich selbst überlassen.
Temperatur in °C
27
26
25
24
23
Temperaturverlauf Wasser - Erde
1 34 67 100 133 166 199 232
Zeitdauer in Minuten
Temperaturverlauf Erde Temperaturverlauf Wasser
� Beschreibe die Diagramme und interpretiere die Graphen
� Lies die Temperaturen zum Zeitpunkt 1 und 100 ab! Berechne daraus die spezifische
Wärmekapazität von der Gartenerde und von Wasser.
c m ∆T
Verwende dazu die Formel: P =
tA

� Vergleiche die beiden Ergebnisse, was fällt Dir auf?
� Weil sich Wasser und Erde unterschiedlich stark erwärmen, erwärmen sich auch die
darüber liegenden Luftmassen im Laufe eines Tages unterschiedlich. Daher kommt es
auch zu verschiedenen Luftströmungen während des Tages.
Die beiden Bilder stellen einen Küstenabschnitt und die dazugehörigen Luftströmungen bei
Tag und Nacht dar.
� Versuche den Bildern die richtigen Zeiten zuzuordnen, und Deine Wahl zu begründen.
� Kennst Du Gebiete auf der Erde oder in Deiner Umgebung, die sich ebenfalls
unterschiedlich erwärmen und so das (lokale) Wetter beeinflussen?
☺ Versuche zu erklären, warum der Golfstrom für Europa eine so große Bedeutung hat!

Der Treibhauseffekt
� Betrachtet man nur die Entfernung Erde – Sonne, so würde auf der Erde eine
Temperatur von –18 °C herrschen. In der Erdatmosphäre gibt es aber Treibgase, die zur
Erwärmung der Erde beitragen. Somit wird ein Leben auf der Erde überhaupt erst möglich.
Immer wieder liest man davon, dass CO2 ein solches Treibgas ist. In wie weit dieses Gas zu
einer Temperaturerhöhung führt, wollen wir mit diesem Versuch feststellen.
Material
AUFBAU
• zwei gleich große Gefäße
• Folie zum Abdecken der Gefäße
• 2 Gummiringe
• 1 Luftballon
• Eine Mineralwasserflasche
• TI-92 und CBL
• 2 Temperatursensoren
• Lichtquelle
Stülpe den Luftballon über die Mineralwasserflasche. Das CO2 wird im Luftballon
aufgefangen, wenn Du jetzt die Flasche schüttelst. Nimm den Luftballon ab und schütte nun
das CO2 in eines der beiden Gefäße. Weil CO2 schwerer als Luft ist, brauchst Du nur den
Luftballon langsam über dem Gefäß entleeren. Verschließe nun die beiden Gefäße mit der
Folie und den Gummiringen. Stecke die beiden Temperatursensoren durch die Folie und
fixiere sie so, dass sie sich ungefähr in der Mitte des Gefäßes befinden. Stelle beide Gefäße
unter die Lichtquelle.
DURCHFÜHRUNG
Starte nun CHEMBIO und nimm die Einstellungen so vor, dass das CBL-System 10 Minuten
lang alle 10 Sekunden einen Messwert aufnimmt. Starte die Messung und schalte erst dann
die Lichtquelle ein.
� Übertrage den Graphen vom TI-92 in das untenstehende Koordinatensystem

� Beschreibe den Graphen
� Übertrage auch den Zeit-Temperturdifferenz-Graphen vom TI-92 in das untenstehende
Koordinatensystem
� Welche anderen Treibgase kennst Du noch?

3. DIDAKTISCHE ANMERKUNGEN

Experimente im Physikunterricht
„Physik ist diejenige Naturwissenschaft, die sich mit der Erforschung aller experimentell und
messend erfassbaren Vorgänge in der Natur sowie mit deren mathematischer Beschreibung
befasst.“ 5
Der Physikunterricht sollte daher auch wissenschaftliches Arbeiten vermitteln. Dazu gehört
neben dem Experimentieren auch das Aufstellen von Theorien und deren Überprüfung.
Wichtig ist es, dass Ergebnisse aus Experimenten interpretiert werden. Im Idealfall sollte der
Schüler die Ergebnisse auf andere Bereiche, vor allem auf Bereiche die den Schüler selbst
betreffen, übertragen können. Somit wäre der Physikunterricht lebendiger und motivierender.
Das Experiment ist daher ein wichtiger Bestandteil des Unterrichts. Es ist hier zu beachten,
dass die Experimente reproduzierbar sein müssen. Die Forderung nach Reproduzierbarkeit ist
wohl eine der schwierigsten Anforderungen. Bereits bei Schülerversuchen wird dies klar,
wenn in mehreren Gruppen einfachste Experimente durchgeführt werden. Nicht alle Gruppen
werden die gleichen Ergebnisse liefern. Eine Streuung ist immer vorhanden. Einen Trend, in
welche Richtung die Ergebnisse führen, wird man aber immer erkennen können. Werden die
Versuche wiederholt, so wird der Mittelwert deutlicher erkennbar sein. An dieser Stelle kann
man bereits darauf hinweisen, dass Physik mit Mathematik in einem engen Zusammenhang
steht. Mittelwerte von Messergebnissen - später auch eine umfangreichere statistische
Auswertung - sollten meiner Meinung nach immer gebildet werden und Ergebnisse, die davon
stark abweichen, besprochen werden. Mit Hilfe von Experimenten ist es auch möglich, den
Schülern die Arbeitsweise von Forschungsgruppen näherzubringen. Solche Gruppen arbeiten
heute meist an Projekten. Diese müssen in einer gewissen Zeit vollendet sein. In solchen
Projektstunden können Hypothesen aufgestellt, experimentell überprüft und diskutiert
werden. Vor allem die Diskussion von Ergebnissen ist einer der wichtigsten Punkte. Eine
solche kritische Diskussion darf nie fehlen.
Durch Experimente im Physikunterricht, können mehrere Ziele, die vermittelt werden sollten,
dem Schüler nähergebracht werden. Der Schüler lernt, wie er benötigte Daten beschaffen
kann, und er lernt diese zu interpretieren. Das heißt, er lernt die Bedeutung der Daten zu
erkennen und verstehen. Durch geschickte Fragestellungen des Lehrers ist es möglich, dass
der Schüler physikalische Gesetze und Prinzipien nicht nur in vertrauten Situationen
anwenden lernt, sondern auch in für ihn neuen Situationen. Ein weiterer Vorteil von
Experimenten ist, dass sie in jeder Unterrichtsphase einsetzbar sind. Sie eignen sich zum
5 Aus: DUDEN Grundwissen, Physik, 1999

Einstieg genauso, wie an einer anderen Stelle der Unterrichtsstunde. Für den Schüler ist es
besonders wichtig, sich mit dem physikalischen Sachverhalt unmittelbar auseinanderzusetzen.
Diese Möglichkeit hat er, wenn er die Versuche selbst durchführt. Schülerversuche regen
außerdem zu weiterführenden Fragen an.
In der Schule kann man zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Arten von
Experimenten unterscheiden. Einerseits gibt es Experimente, die zur Gewinnung von
Erkenntnissen eingesetzt werden, anderseits gibt es Experimente, die physikalische
Zusammenhänge veranschaulichen. Wie bereits vorhin erwähnt, können physikalische
Versuche in jeder Phase des Unterrichts eingesetzt werden. Versuche eignen sich um eine
Einführung in ein Thema zu geben, es gibt Überraschungs-, Schau-, Erkenntnis-,
Entwicklungs-, Bestätigungs-, Anwendungs- und Wiederholungsversuche. Bei
Schülerversuchen können einerseits Sachverhalte beobachtet werden, andererseits lernt man
Messinstrumente zu bedienen. Im Falle der vorhin beschriebenen Versuche aus der
Wärmelehre treffen beide Fälle zu. Weiters muss zwischen Lehrerversuch und
Schülerversuch unterschieden werden.
Beim Lehrerversuch wird der Schüler in die Rolle des passiven Zuschauers gedrängt. Dies
kann verhindert werden, wenn der Schüler bereits an den Vorüberlegungen und Planungen
des Versuchs beteiligt wird. Dadurch wird der Schüler zum aktiv Beteiligten, was ihn
zusätzlich motiviert. Der Lehrer muss bei dieser Art der Einbindung allerdings achtsam sein.
Der Versuch muss schließlich auch durchführbar sein, die Schülerüberlegungen dürfen aber
nicht übergangen werden. Lehrerversuche sind öfters komplizierter im Aufbau. Es besteht die
Gefahr, dass Versuche für den Schüler nicht mehr nachvollziehbar sind. Diese Gefahr muss
gemindert werden. Dies kann erreicht werden, indem man einfachere Vorversuche durchführt,
oder aber einen Bezug zur Lebenswelt der Schüler herstellt.
Weitaus wichtiger als der Lehrerversuch ist der Schülerversuch. Bei ihm wird der Schüler
zum Handelnden. Er ist selbstverantwortlich und ist mit dem physikalischen Sachverhalt
unmittelbar konfrontiert. Der Schüler kann das Geschehen beeinflussen und beobachten.
Außerdem hat er die Möglichkeit aktiv und produktiv am Unterricht teilzunehmen. Die
Selbsttätigkeit des Schülers hebt die Motivation und fördert so das Interesse der Schüler.
Schülerversuche werden allerdings recht selten im Unterricht eingesetzt, weil dafür ein großer
technischer Aufwand und vor allem ein großer Zeitaufwand benötigt wird. Trotzdem sollte

der Anteil an Schülerversuchen möglichst hoch gehalten werden. Ein weiteres Problem, das
bei Schülerversuchen auftritt, ist die recht große Anzahl an Schülern. Besonders gut für
Schülerversuche eignet sich die Zweiergruppe. Versuche in Zweiergruppen sind aber
praktisch nie durchführbar. Sehr häufig werden die Versuche daher in Vierergruppen
durchgeführt. Hierbei muss aber bereits ein „Arbeitsplan“ für die vier Schüler vorliegen,
damit wirklich jeder Schüler in die Arbeit eingebunden wird. Auch die Sitzordnung muss
geändert werden, damit die Kommunikation in der Gruppe nicht leidet.
Bei Schülerversuchen hat man die Möglichkeit, alle Schüler den selben Versuch durchführen
zu lassen. Bei dieser Form kann man Ergebnisse vergleichen und die Unterschiede, die sicher
auftreten werden, besprechen. Andererseits kann man die Versuche aber auch dafür
verwenden, um den gleichen Sachverhalt auf verschiedene Arten zu überprüfen, oder aber
auch völlig verschiedene Versuche durchführen zu lassen. Diese unterschiedlichen Versuche
können anschließend der Klasse präsentiert werden. Schülerversuche nehmen sicherlich sehr
viel Zeit in Anspruch, heben aber im allgemeinen das Interesse der Schüler.
Computer im Physikunterricht
Für den Einsatz von Versuchen im Unterricht stehen dem Physiklehrer viele verschiedene
Geräte zur Verfügung. In letzter Zeit kommt natürlich auch vermehrt der Computer zum
Einsatz. Computer können nicht nur für Versuche herangenommen werden, vielmehr ergeben
sich sehr viele verschiedene Möglichkeiten den Computer zu verwenden. Er kann dazu
verwendet werden, um Texte wie auf der Tafel darzustellen, um Bilder zu zeigen, die man
sich mittlerweile bequem und einfach aus dem Internet herunterlädt. Er eignet sich, um
Versuche durchzuführen beziehungsweise zu simulieren, die ansonsten nie im Unterricht
gezeigt werden könnten. Als Speichermedium dient er dazu, Ergebnisse zu speichern, zu
kombinieren und weiter zu bearbeiten. Außerdem hat man die Möglichkeit sich Informationen
zu beschaffen, für die ansonsten eine sehr große Fachbibliothek eingerichtet werden müsste.
Verwendet der Physiklehrer den Computer als Versuchsgerät, so müssen zwei
Einsatzmöglichkeiten verglichen werden.
Einerseits eignet sich der Computer hervorragend für Simulationen von physikalischen
Vorgängen. Hier können die Auswirkungen von verschiedenen Start- und Nebenbedingungen
schnell und relativ einfach überprüft werden. Das Problem, welches hier auftritt ist, dass die
Beschreibung der Naturvorgänge zu idealisiert und abstrahiert erscheinen kann. Auch der
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,
Simulationen nur dort einzusetzen, wo Schulversuche unmöglich sind und bei denen man eine
Visualisierung der Problemstellung erreichen will. Als Beispiel nenne ich hier nur die
Visualisierung des Doppler-Effekts. Andererseits können Versuche, die ohne Computer in
einer gewissen Schulstufe nicht durchgeführt werden konnten, nun im Unterricht gezeigt
werden, da der Schüler nicht unbedingt das mathematische Rüstzeug dafür benötigt. Zum
Beispiel können Differentialgleichungen in einfachere Differenzengleichungen, die der
Computer mehrmals hintereinander durchführt, umgewandelt werden.
Setzt man den Computer als Messinstrument ein, so kann wohl einer seiner größten Vorteile
genutzt werden. Die Anzahl der Messwerte vergrößert sich gegenüber den herkömmlichen
Methoden schlagartig. In Schülerversuchen kann die Anzahl der Messwerte zwar noch relativ
hoch gehalten werden, da meist in Zweier- oder Vierergruppen gearbeitet wird, im Vergleich
mit einem Computer ist diese Zahl allerdings doch sehr gering. Diese große Anzahl von Daten
kann nun auch gespeichert werden, man kann sie später bearbeiten und in anderen
Programmen verwenden. Die Verarbeitung der Daten erfolgt sehr schnell. Somit können in
der gleichen Zeit mehrere Messreihen durchgeführt und verglichen werden. Die
Fehleranfälligkeit der Messdaten reduziert sich auf die Toleranzgrenzen des verwendeten
Gerätes und auf den Versuchsaufbau. Der Faktor Mensch wird beinahe ausgeschaltet. Wichtig
ist aber, dass der Schüler mitdenken kann.
Die Ergebnisse müssen auf alle Fälle besprochen werden. Dadurch ändert sich der Unterricht.
Schüler müssen mitdenken, argumentieren und kritisch die Ergebnisse betrachten. Sie werden
angeregt, am Unterricht aktiver mitzuarbeiten. Die Interpretationen von Daten und Graphen
ist nun ein ganz wichtiger Aspekt, noch wichtiger als bei Versuchen, die herkömmlich
durchgeführt werden. Erlernt der Schüler diese Fähigkeit, so hilft sie ihm nicht nur im
Physikunterricht. Diese Fähigkeit ist im Computerzeitalter wohl schon eine der wichtigsten.
Außerdem können durch die große Anzahl von Messdaten verschiedenste physikalische
Aspekte, die sonst vielleicht verborgen bleiben, besprochen werden. So kommt es bei der
Erwärmung einer Lösung nicht nur zu einer Siedepunkterhöhung, die Lösung erwärmt sich
wegen der niedrigeren Wärmekapazität schneller. Liest man die Temperatur in diesem
Versuch selbst von einem herkömmlichen Thermometer ab, so bleibt dieser Aspekt
möglicherweise verborgen. Auch die Auflösung der Messergebnisse wird mit dem Einsatz
eines Computers höher. So ist es im herkömmlichen Sinn wohl unmöglich, die Temperatur
eines Gegenstandes während eines Versuchs auf Tausendstel genau abzulesen. Somit können

ereits sehr viel kleinere Temperaturunterschiede, wenn man die Messgenauigkeit
berücksichtigt, aufgelöst werden. Die Einsatzmöglichkeiten vergrößern sich damit nochmals.
Bei all den positiven Auswirkungen auf den Physikunterricht darf aber nicht vergessen
werden, dass mit dem Einsatz des Computers auch Probleme auftreten können. Durch den im
allgemeinen komplizierteren Aufbau von Versuchen kommt es meist zu Problemen mit dem
Verständnis. Kann dieses Problem nicht behoben werden, erkennt der Schüler keinen
Unterschied zwischen vorgegebenen Daten aus einem Buch und den von ihm selbst
gesammelten Daten. Weil die Anschaffung von Computern und ähnlichen Systemen auch
nicht gerade kostengünstig ist, steht einer Schule meist nur ein Gerät zur Verfügung. Der
Lehrer wird somit dazu verleitet, Lehrerversuche durchzuführen. Sie sind aber, wie bereits
vorhin erwähnt, nicht unbedingt dazu geeignet, die Schüler für den Physikunterricht zu
motivieren und ihr Interesse zu steigern.
Ich möchte jetzt noch einen Vergleich zwischen dem Einsatz von Computern und dem
mobilen Messsystem von Texas Instruments anstellen. Alle Argumente, die für den Einsatz
eines Computers im Physikunterricht gelten, gelten meiner Meinung nach auch für den
Einsatz des CBL-Systems. Es ist vorteilhaft, wenn die Schüler mit einem graphikfähigen
Rechner bereits ausgerüstet sind, und diesen Rechner in anderen Gegenständen auch
verwenden. Damit fällt die Einschulung am Taschenrechner für den Physiklehrer weg. Hat
jeder Schüler einen Rechner, so kann jeder einzelne die Daten auf seinem Rechner selbst
bearbeiten und die Ergebnisse können leichter besprochen werden. Hat man diese
Möglichkeit nicht, so können Taschenrechner bei Texas Instruments für eine gewisse Zeit
ausgeliehen werden. Entscheidet man sich für diese Möglichkeit, muss den Schülern
allerdings eine gewisse Zeit zur Einarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Diese Aufgabe
kann zwar schnell erledigt werden, Zeit dafür muss man trotzdem „opfern“. Mit dem CBL-
System ist es nun möglich, eine sehr große Anzahl von Versuchen durchzuführen. Die
Datenerhebung geht gleich schnell wie mit Computern. Für die Besprechung danach wird
ebenso eine Menge Zeit benötigt.
Die großen Vorteile des CBL-Systems sind aber einerseits der Preis, andererseits die
Mobilität. So können mit Hilfe des CBL-Systems sehr viele Versuche außerhalb des
Physiksaals durchgeführt werden. Der Schüler hat somit die Möglichkeit die Physik in der
Natur zu erleben. Die Physik wird sicherlich lebendiger, wenn die Versuche an Ort und Stelle
durchgeführt werden können, und nicht nur in Modellen im Physiksaal. Diese Tatsachen
sprechen wohl für einen Einsatz des mobilen Messsystems. Hat eine Schule mehrere CBL-

Systeme im Einsatz, so können die Schülergruppen so eingeteilt werden, dass ein Teil der
Klasse mit herkömmlichen Methoden einen Versuch durchführt, der andere Teil aber mit
Hilfe eines Computersystems. Die Ergebnisse werden verschieden sein. Bespricht man die
Unterschiede, so kann dies sehr viel zum Verständis eines physikalischen Sachverhaltes
beitragen. Die Schüler lernen schneller und sie behalten die Physik leichter im Gedächtnis.

DERZEITIGER EINSATZ DES TI-92 IM UNTERRICHT
Es gibt einige Initiativen, um den Einsatz von CBL und TI-92 im Unterricht zu fördern. So
gibt es zum Beispiel das Projekt T 3 . T 3 steht dabei für Teachers Training with Technology und
ist eine Initiative zur Förderung des technologie-unterstützten Mathematikunterrichtes. Da
viele Mathematiklehrer auch Physiklehrer sind, verwenden sie die Graphikrechner nicht nur
im Mathematikunterricht. Der Einsatz dieser Rechner beschränkt sich allerdings doch auf
einzelne Lehrer. Es gibt zwar genügend Seminare, zu denen alle Lehrer eingeladen werden, es
scheitert aber doch immer wieder an der Ausstattung der Schulen. Einer informellen Umfrage
zufolge, gibt es unter den 22 Allgemeinbildenden Höheren Schulen in Graz nur zwei Schulen,
die mit dem CBL-System ausgerüstet sind.
Daher beschränkt sich natürlich auch der Einsatz des Systems auf diese Schulen. Es gibt
dennoch ausreichend Literatur, die sich mit dem Einsatz von Taschenrechnern und CBL
beziehungsweise CBR im Physikunterricht auseinandersetzt. So gibt es einige Hefte in
deutscher Sprache, eine große Anzahl an Heften in englischer Sprache. Als Beispiele möchte
ich hier nennen:
Keunecke, K.-H.
Computerunterstützter Physikunterricht, Experimente zur Mechanik und ihre Auswertung
mit dem CAS des TI-92, Texas Instruments, 1998
Grote, M.
CBL-Praktikum mit dem TI-92, Schwingungen und Wellen, Texas Instruments
Hinkelmann, H.-D.
Experimente zur Mechanik mit dem CBR, Hagenberg. bk teachware, 1999
Hinkelmann, H.-D.
Experimente aus der Physik mit CBL2 und TI-92 Plus, Hagenberg. Bk teachware, 2001
Volz, D.L., Sapatka S.
Physical Science with CBL, Vernier Software, 1997

Gastineau, J.
Physics with CBL, Vernier Software, 1998
BRUENINGSEN, C., KRAXIEC W.
Exploring Physics and Math with the CBL-System, Texas Instruments, 1994
Breitschuh, Th.
Messen mit dem Taschenrechner, Klett-Verlag
Weiters gibt es noch ein Heft von Bernhard Buchner. Die Angaben dazu findet man im
Quellennachweis der Diplomarbeit, auf Seite 101.
Alle diese Hefte beinhalten Versuchsbeschreibungen, die mit Hilfe von CBL, CBR und TI-
Rechnern durchgeführt werden können. Die Versuche werden genau beschrieben und es gibt
Anregungen für weiterführende Arbeiten. Jeder Lehrer muss die Versuche allerdings selbst
ausprobieren und so entscheiden, ob sich der Einsatz im Unterricht für ihn lohnt.

Die Stunden im BRG Kepler
Ich hatte die Möglichkeit in der 6.b-Klasse des BRG Keplerstraße in Graz im Schuljahr
2001/2002 einige meiner beschriebenen Experimente durchzuführen. Bei diesen
Unterrichtseinheiten konnte ich somit die Einsatzmöglichkeiten des CBL-Systems selbst
erproben. Gemeinsam mit dem Physiklehrer Dr. Gerhard Rath haben wir uns für vier meiner
vorhin beschriebenen Experimente entschieden. Ich führte mit den Schülern folgende
Versuche, in dieser Reihenfolge, durch:
Der Abkühlvorgang – Wärmeübertragung
Lösungswärme – Gefrierpunktsenkung
Kühlen durch Verdunsten
Die relative Luftfeuchte
Ich habe mich für diese vier Experimente deswegen entschieden, weil sie verschiedenste
Aspekte berücksichtigen. Der erste Versuch sollte die Schüler motivieren und sie für das
CBL-System begeistern. Es konnte allerdings nur die halbe Klasse damit arbeiten, die andere
Hälfte musste mit herkömmlichen Methoden die Abkühlkurven aufnehmen. Daher wollte ich
unbedingt einen Versuch durchführen, bei dem die ganze Klasse mit dem CBL-System
arbeiten konnte. Dafür eignete sich der zweite Versuch. Auch die Bestimmung der
Solarkonstante hätte sich geeignet. Hat man aber nur bestimmte Stunden zur Verfügung, so
muss an diesem Tag die Sonne scheinen. Daher entschied ich mich lieber für den Nachweis
der Gefrierpunkterniedrigung. Der dritte Versuch diente zur Erklärung des vierten Versuches.
Die Bestimmung der relativen Luftfeuchte benötigt schon einige Vorarbeit. Dieser Versuch
war überdies der einzige, den ich als Lehrerversuch durchführte. Damit konnte ich mit diesen
vier Versuchen viele Erkenntnisse sammeln.
Allgemeine Klassensituation
In der 6.b-Klasse des BRG Keplerstraße saßen 24 Schüler. Davon hatten drei Schüler einen
TI-92, ein weiterer einen TI-89. Somit standen mir für die Unterrichtseinheiten insgesamt 8
Graphikrechner von Texas Instruments zur Verfügung. Mit diesen 8 Rechnern war es
möglich, die Klasse in sieben Arbeitsgruppen aufzuteilen und einen Rechner als Reserve
zurückzuhalten. Die Gruppen wurden zu Beginn eingeteilt, die Schüler arbeiteten immer in
der selben Gruppe zusammen. Neben den acht Rechnern standen uns insgesamt 4 CBL-

Systeme zur Verfügung. Bei den CBL-Systemen handelte es sich um zwei CBL und zwei
CBL2-Systeme. Für die durchgeführten Versuche ergaben sich dabei allerdings keinerlei
Unterschiede. Mit den vier CBL-Systemen standen uns somit auch vier Temperatursensoren
der Standardausrüstung zur Verfügung. Erst hier erkannte ich, dass gerade die Anzahl der
Sensoren das eigentliche Problem der Ausrüstung sein könnte. Weil uns nur diese vier
Sensoren zur Verfügung standen, entschlossen wir uns dafür, dass je drei Arbeitsgruppen mit
herkömmlichen Methoden die Messungen durchführen mussten. Vier Gruppen konnten das
CBL-System nutzen. Je zwei Gruppen mussten allerdings warten, bis die anderen Gruppen
ihren Versuch durchgeführt hatten. Der einzige Versuch, den die ganze Klasse mit dem CBL-
System durchführen konnte, war der Nachweis der Lösungswärme. Hier wurde nur ein Sensor
benötigt und auch die Versuchszeit konnte kurz gehalten werden. Wegen der
unterschiedlichen Arbeitsweise war es mir aber möglich direkte Vergleiche zwischen CBL
und herkömmlichem Experimentiergerät herauszuarbeiten.
DIE ERSTE STUNDE
Nun war es also so weit, ich hatte die Möglichkeit Anfang Oktober zum ersten Mal mit der
Klasse zu arbeiten. Nachdem nur wenige mit dem Graphikrechner von Texas Instruments
vertraut waren, bestand die erste Aufgabe darin, den Schülern den TI-92 und das CBL-System
näher zu bringen. Dafür stand mir eine siebente Stunde zur Verfügung. Es war in einer Stunde
möglich, den Schülern soviel beizubringen, dass sie erste Temperaturmessungen durchführen
und erste Temperaturkurven aufzeichnen konnten. Auch die grundlegenden Kenntnisse, wie
mit dem Programm CHEMBIO umgegangen werden muss, konnten die Schüler erlernen.
Dazu bereitete ich Folien vor, auf denen die wichtigsten Screenshots zu sehen waren. Damit
hatten die Schüler immer wieder die Möglichkeit Fehler sofort zu erkennen. Die Folien sind
der Arbeit angehängt. Für das Kennenlernen des Programms wurde fast die gesamte Stunde
benötigt, denn mein Ziel war es, dass alle Gruppen zumindest eine Kurve aufnehmen konnten.
Auf Grund der Tatsache, dass nur vier CBL-Systeme, was bereits eine beträchtliche Anzahl
ist, zur Verfügung standen, dauerte dies relativ lange. Einige Gruppen nahmen recht viele
Temperaturkurven auf, ohne das System einer weiteren Gruppe zur Verfügung zu stellen.
Daher war es auch recht mühsam weitere Arbeitsschritte zu erklären und die Aufmerksamkeit
wieder auf mich zu lenken. In dieser Stunde wollte ich auch eine Messung mit zwei Sensoren
durchführen lassen. Dies wäre nicht sinnvoll gewesen, da es jeweils nur zwei Gruppen
möglich gewesen wäre, gleichzeitig diese Messung durchzuführen. Am Ende der Stunde habe
ich noch die Weiterbearbeitung der Daten besprochen. Diese Weiterbearbeitung konnte aber

am darauffolgenden Tag von den Schülern nicht selbständig durchgeführt werden. Die
Informationen am Vortag waren einfach zu viel. Es zeigte sich in dieser Stunde, dass die
Schüler, die einen Graphikrechner besitzen, weit schneller die benötigten Fähigkeiten
erlernten. So musste den restlichen Schülern teilweise erst Grundlegendes im Umgang mit
dem Rechner beigebracht werden. Dies geschah in der Gruppe und nicht vor der ganzen
Klasse.
DIE ZWEITE STUNDE – DER ERSTE VERSUCH:
DER ABKÜHLVORGANG – WÄRMEÜBERTRAGUNG
Am darauffolgenden Tag konnte ich mit den Schülern den ersten Versuch durchführen. Als
ersten Versuch sollten die Schüler die Abkühlkurven von Kaffee und Kaffe mit Milch
aufnehmen. Die Versuchsbeschreibung findet sich auf Seite 25, das dazugehörige Arbeitsblatt
auf Seite 62 dieser Arbeit. Die Schüler hatten in Bezug auf Wärmeübertragung keinerlei
Vorkenntnisse. Sie sollten anhand des Experiments erkennen, dass ein Temperaturausgleich
schneller stattfindet, je höher der Temperaturunterschied ist. Sie sollten das Erlernte auch in
einem Gebiet anwenden können, das für sie neu ist.
Die sieben Arbeitsgruppen wurden nun so eingeteilt, dass drei Gruppen mit zwei
Thermometern den Versuch durchführten. Sie sollten so viele Messpunkte wie möglich über
zehn Minuten sammeln. Für die Gruppen, die mit dem CBL arbeiteten, änderte ich die
Versuchzeit so ab, dass die Schüler in fünf Minuten sechzig Messpunkte sammeln sollten.
Somit war es möglich, dass alle Gruppen annähernd gleichzeitig mit dem Versuch fertig
waren.
Wegen der sieben Gruppen musste zu Beginn genügend Material vorhanden sein. Dies war
die größte Schwierigkeit des Experiments. Wir benötigten vierzehn Tassen, wobei zwei
jeweils gleich sein mussten, sechs funktionierende Thermometer, Kaffee und Milch. Gleich
beim ersten Versuch wurden also die Grenzen der Ausrüstung aufgezeigt. Für dieses
Experiment verwendete ich echten Kaffee und Haltbarmilch. Der Kaffee wurde noch vor der
Stunde vorbereitet, damit wirklich die ganze Stunde für das Experiment zur Verfügung stand.
Die Schüler zeigten zu Beginn der Stunde bereits großes Interesse, als ich ihnen erklärte um
was es bei diesem Experiment geht. Zusätzliche Motivation wurde dadurch erzeugt, dass sie
am Ende des Versuches den Kaffee trinken konnten. Bevor die Arbeitsblätter ausgeteilt
wurden, habe ich den Schülern die Vorgangsweise erklärt. Da ich aber die Arbeitsschritte
auch am Arbeitsblatt erklärte, beschränkte ich mich vorerst nur auf eine Einleitung. Leider hat
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 CBL-System
ausgerüsteten Gruppen zeigte war, dass nun zwei Temperatursensoren angeschlossen werden
mussten. Die Schüler konnten zwar Messungen mit einem Sensor durchführen, aber mit zwei
Sensoren mussten sie andere Einstellungen treffen. Da allerdings nur je zwei Gruppen
gleichzeitig mit dem CBL arbeiteten, stellte diese Situation kein großes Problem dar.
Die Gruppen, die mit dem CBL arbeiteten, bekamen alle die gleichen Ergebnisse, die
Graphen waren sehr ähnlich. Und das, obwohl die Menge Kaffee und die Menge Milch
beliebig waren. Auch die Gruppen, die herkömmlich arbeiteten kamen zum richtigen
Ergebnis, obwohl alle verschiedene Zeitspannen zwischen den Messungen wählten.
Bei der Weiterbearbeitung der Daten, hier also die Darstellung des Zeit-Temperaturdifferenz-
Graphen zeigte sich der große Vorteil des TI-Rechners. Die Gruppen, die mit dem CBL-
System arbeiteten und damit die Werte am Rechner bearbeiten konnten, kamen immer zum
richtigen Graphen, während die Schüler, die die Temperaturdifferenz selbst berechnen
mussten teilweise zu falschen Werten und damit falschen Graphen kamen. Daher war es einer
Gruppe nicht möglich den „je-desto-Satz“ richtig zu vervollständigen.
Am Ende sollten die Schüler ihre Erfahrungen auf ein weiteres Alltagsproblem übertragen
können. Dies war den Schülern aber ohne weiteren Erklärungen nicht möglich. Die Frage
wurde nicht richtig gelesen beziehungsweise falsch verstanden. Die Schüler ignorierten die
Frage in Bezug auf das Energiesparen und bezogen die Frage auf ihr Wohlbefinden.
Die Zeit, die dieser Versuch in Anspruch nahm, stellte kein Problem dar. Innerhalb einer
halben Stunde konnten alle Schüler das Experiment durchführen, zu Ergebnissen kommen
und das Arbeitsblatt ausfüllen.
DIE DRITTE STUNDE – CBL FÜR ALLE:
LÖSUNGSWÄRME – GEFRIERPUNKTSENKUNG
In dieser Stunde führten die Schüler den zweiten Versuch durch. Die Schüler sollten
untersuchen was geschieht, wenn eine gewisse Menge Zucker beziehungsweise Salz zu einer
bestimmten Menge Eis gegeben wird. Sie sollten erkennen, dass eine Lösung einen
niedrigeren Gefrierpunkt besitzt, als das Lösungsmittel selbst. Dieser Versuch entspricht
Experiment 5, Seite 36.
Für dieses Experiment benötigt man nur einen Temperatursensor. Daher war es in dieser
Stunde möglich, dass alle Schüler mit dem CBL den Versuch durchführen konnten. Das
Material für diesen Versuch zu besorgen war nicht schwierig. Alles was benötigt wurde fand
sich in der Schule.

Die sieben Gruppen bekamen wiederum Arbeitsblätter. Der Temperaturverlauf bei Zugabe
von 5 Gramm Salz, 10 Gramm Salz, 5 Gramm Zucker und 10 Gramm Zucker zu je 50 Gramm
Eis sollte von je zwei Gruppen untersucht werden. Da die Stunden in denen mit dem CBL-
System gearbeitet wurde hintereinander stattfanden, hatten sich die Schüler bereits an die
Arbeitsweise gewöhnt. Daher kam es in dieser Stunde zu keinen großen Schwierigkeiten.
Leider konnten wieder nur vier Gruppen gleichzeitig Messungen durchführen. Die Zeitdauer
für eine Messung betrug 5 Minuten. Das Weitergeben des CBL-Systems verlief reibungslos.
Alle Gruppen erzielten gute Ergebnisse und beantworteten die nachfolgenden Fragen. Die
Schüler waren es bereits gewohnt, einen physikalischen Sachverhalt selbst herauszufinden
und zu interpretieren. Die einzige Schwierigkeit bestand für die Schüler darin, dass ich ihnen
die Einstellungen für die y-Achse nicht bekannt gegeben habe. Dadurch verlief die Messung
meist in einem Bereich der von den Schülern nicht mitverfolgt werden konnte. Fast alle
Schüler wählten die x-Achse als unteren Wert. Diesen Fehler habe ich bei den Gruppen, die
erst bei der zweiten Runde ihre Messungen durchführten, vermieden. Ich gab ihnen den
Hinweis, welchen Bereich sie für die Temperaturmessung wählen sollten.
Auch in dieser Stunde kam nie ein Zeitproblem auf, obwohl nicht alle Gruppen gleichzeitig
arbeiten konnten.
KÜHLEN DURCH VERDUNSTEN – STUNDE VIER
Eine Woche ist seit der letzten Stunde vergangen. Nachdem die Schüler der 6.b-Klasse einige
Theorie über die Aggregatzustände hörten, sollten sie das Phänomen der Verdunstungskälte
untersuchen. Der Versuch „Kühlen durch Verdunsten“ ist Experiment 1 meiner Arbeit. Die
Durchführung wird auf Seite 22 beschrieben. Das dazugehörige Arbeitsblatt findet man auf
Seite 60. Die Schüler sollten in dieser Stunde erkennen, dass eine Flüssigkeit schneller
auskühlt, wenn man über sie hinweg bläst. Diese Eigenschaft hat sicher jeder Schüler schon
oft angewendet, eine Untersuchung dieser Tatsache sollte zeigen ob diese Vorgangsweise
auch sinnvoll ist.
Es wurden für dieses Experiment wieder zwei Temperatursensoren benötigt. Daher mussten
drei Gruppen mit herkömmlichen Methoden diesen Versuch durchführen. Die Gruppen, die
beim ersten Versuch mit zwei Thermometern arbeiteten bekamen nun die Möglichkeit mit
dem CBL-System zu arbeiten. Doch gerade darin bestand das erste Problem. Nur eine einzige
Gruppe war bereit, mit Thermometern zu arbeiten, die restlichen zwei Gruppen warteten mit
dem Beginn der Arbeit, bis die „CBL-Gruppen“ mit dem Versuch fertig waren. Die

Versuchszeit war bei diesem Versuch mit zweieinhalb Minuten allerdings so kurz, dass es
sich in der Stunde ausging, dass alle Gruppen ihre Versuche zu Ende bringen konnten.
Es zeigte sich in dieser Stunde, dass alle Schüler mit dem CBL umgehen konnten, obwohl
eine Woche seit der letzten Stunde vergangen war. Die Ergebnisse dieses Versuchs waren gut,
es zeigte sich jedoch, dass er wesentlich sensibler auf die Anfangsbedingungen reagiert, als
die vorangegangenen Versuche. Das Leitungswasser hatte zwar die gleiche
Anfangstemperatur, die Bedingungen wie Gefäßgröße, Wassermenge und Stärke, mit der der
Wasserdampf über einem der Gefäße weggeblasen wurde, spielten aber eine wichtige Rolle.
Wie bereits erwähnt, kamen trotzdem alle Gruppen zum richtigen Ergebnis, also dass sich die
Flüssigkeit durch Fächeln oder Blasen - ein kritisches Wort für Sechzehnjährige - schneller
abkühlt. Das Bearbeiten der Arbeitsblätter stellte für die Schüler wiederum keine
Schwierigkeit dar. Sie waren an die Arbeitsweise bereits gewöhnt.
Als wichtigste Erkenntnis dieser Stunde ist festzuhalten, dass es besser wäre, Versuche bei
denen die Schüler zwei unterschiedliche Arbeitsmethoden anwenden sollten, hintereinander
zu machen. Werden moderne Technologien so eingesetzt, dass alle Schüler einmal damit
arbeiten können, ist es sehr schwer sie wieder an andere Arbeitstechniken zu gewöhnen.
Würde ich die Gelegenheit bekommen, diese Experimente nochmals durchzuführen, so würde
ich die Reihenfolge der Experimente vertauschen, solange man nur wenige CBL-Systeme
anbieten kann.
DIE LETZTE STUNDE – EIN LEHRERVERSUCH:
DIE RELATIVE LUFTFEUCHTE
In der letzten Stunde der Unterrichtseinheit wählte ich einen Versuch, den ich als
Lehrerversuch zeigen wollte. Dieser Versuch „Die Bestimmung der relativen Luftfeuchte
mittels Psychrometer“ entspricht Experiment 6, Seite 40. Der letzte Versuch war auch etwas
aufwendiger. Zwar nicht vom Versuchsaufbau, aber von der Physik her. Die Schüler sollten
gemeinsam mit mir die relative Luftfeuchte im Klassenzimmer berechnen. Sie sollten in
dieser Stunde auch lernen, dass kalte Luft weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme
Luft.
Der Versuch wurde am Lehrertisch durchgeführt. Ein kleiner 12 Volt Ventilator sorgte für
den Luftstrom. Um ein Thermometer war ein feuchtes Taschentuch gewickelt. Eine kleine
Wetterstation lieferte die Werte des Luftdrucks und der relativen Luftfeuchte zum Vergleich.
Einige Schüler fragten bereits, ob sie diesen Versuch heute nicht auch selbst durchführen
könnten. Sie wollten also mit dem CBL-System arbeiten und selbst physikalische

Sachverhalte klären. Dies war auf Grund der notwendigen Ausrüstung nicht möglich.
Außerdem wollte ich diesen Versuch unbedingt selbst durchführen. Gerade hier zeigte sich
einer der Nachteile von Lehrerversuchen. Der Versuchsaufbau konnte nicht von allen
Schülern eingesehen werden. Ohne Projektion des Graphen auf die Wand war die
Versuchsdurchführung für die Schüler nicht beobachtbar. Der erhaltene Graph wurde den
Schülern erst im Anschluss an die Messung gezeigt.
Die größte Schwierigkeit an diesem Versuch lag aber schließlich an der Auswertung der
Ergebnisse. So waren die Schüler kaum in der Lage, die angegebene Rechnung
durchzuführen. Die Schüler sollten zuerst versuchen, die Rechnung selbständig zu lösen. erst
im Anschluss daran wollte ich mit ihnen die Rechnung gemeinsam noch einmal lösen. Es
kamen hier aber viele Schwierigkeiten zum Vorschein. Einerseits bereitete ihnen das Ablesen
des Sättigungsdampfdrucks Schwierigkeiten, andererseits die physikalischen Einheiten, die
Konstante A und der Dampfdruck e. Gemeinsam konnte die Rechnung schließlich gelöst
werden. Sie lieferte als Ergebnis 60% Luftfeuchte, das Hygrometer zeigte 65% an. Das
Ergebnis kann sich also sehen lassen.
SCHÜLERBEFRAGUNG
Als Abschluss dieser Unterrichtseinheit sollten die Schüler Fragen zum Unterricht mit dem
CBL-System beantworten. Hier sind nun einige der Antworten der Schüler, die wohl keine
weitere Interpretation benötigen.
1. Was war gut?
„Der Unterricht ist kurzweilig“
„Alternative zum normalen Unterricht“
„Ich habe neue Erkenntnisse gewonnen“
„Endlich Unterricht mit technischen Hilfsmitteln“
„Wir hatten genug Zeit, um die Themen zu bearbeiten“
„Abwechslung zur Theorie“
„Ich habe mich mit Protokollen und Thema auseinandergesetzt“
„es geht relativ schnell“
„Durch die Versuche konnten wir praktisch arbeiten, was ich sehr gut finde“
„Interessanter und lustiger Unterricht“
„Wir haben auch mehr dadurch gelernt“

„Man lernt den Einsatz technischer Hilfsmittel kennen und kann schneller arbeiten“
„Es hat Spaß gemacht“
„Schnelle und genaue Auswertung der Diagramme“
„sehr effizientes Arbeiten, keine langen Aufbauzeiten bei den Versuchen“
„Weitere Funktionen des Rechners kennen lernen“
„Abwechslung zum normalen Physikunterricht“
2. Was war schlecht?
„zu wenige CBL-Systeme und TI’s“
„Es kann nur einer arbeiten“
„Wer von Computern nicht so viel Ahnung hat, könnte mit der Handhabung Probleme
haben“
„Es war schlecht, dass einige nicht gewusst haben, wie man den TI bedient“
Die Argumente gegen den Einsatz des CBL-Systems beschränkten sich nur auf die
Anzahl der vorhandenen Geräte. Kein Schüler fand den Einsatz uninteressant oder
überflüssig.
3. Vergleich TI-92 und CBL-System mit herkömmlicher Messmethode
Was bringt es und was lernt man?
„Man lernt mit dem TI umzugehen, wenn man vorher noch nie damit gearbeitet hat“
„Man lernt die Möglichkeiten der Technik kennen“
„Mit dem TI-92 machen die Versuche mehr Spaß und die Ergebnisse sind genauer“
„TI-92 und CBL ist praktischer, aber nicht ganz leicht zu bedienen. Herkömmlicher
Aufbau etwas umständlicher“
„Arbeit wird mit TI-92 erleichtert und ist weniger zeitraubend“
„Mit modernen Geräten zu arbeiten ist sehr wichtig“
„Bei dieser Arbeitsmethode (TI-92 und CBL) kann Information leichter gespeichert
werden“
„Man lernt mit modernen Geräten wirkungsvoll zu arbeiten“
„Ein moderner Unterricht ist sehr wichtig für die Zukunft und hilft den Schülern
weiter“
„Schnelle und genaue Ergebnisse“

„Man lernt Messergebnisse richtig auszuwerten“
Die Schüler waren durchwegs vom Einsatz des TI-92 und des CBL-Systems begeistert, wie
man aus den Antworten schließen kann. Hat man mehr Geräte zur Verfügung so können auch
die wenigen negativen Eindrücke verringert werden.

TI-92 und CBL im Unterricht – Erfahrungen und Folgerung
Wie sich in den oben beschriebenen Stunden gezeigt hat, verändert sich der Unterricht, wenn
das CBL-System eingesetzt wird. Die Schüler werden aktiv in den Unterricht eingebunden.
Dies geschieht zwar immer, wenn der Physikunterricht auf Schülerexperimente aufgebaut ist.
Mit dem CBL-System kommt aber ein modernes Messverfahren zum Einsatz. Werden
moderne Geräte im Physikunterricht eingesetzt, so fördert dies auf alle Fälle das Interesse der
Schüler.
Im Gegensatz zu Computern, die häufig das Problem der „Black-Box“ nicht überwinden
können, läuft der Schüler beim Einsatz des CBL-Systems nicht Gefahr den Versuchsaufbau
und die Durchführung nicht zu verstehen. Das CBL-System ist für den Schüler nur ein
Hilfsmittel, um bei einem von ihm aufgebauten Versuch reelle Messdaten zu erhalten. Das
CBL-System sollte dem Schüler also die Arbeit nur erleichtern und nicht vollkommen
abnehmen. Wenn die Arbeit erleichtert wird, so können sich die Schüler wesentlich schneller
dem physikalischen Sachverhalt nähern. Sie sind nicht damit beschäftigt, irgendwelche
Messwerte zu sammeln, sondern können sich schon während der Versuchszeit mit der
physikalischen Problemstellung auseinander setzen. Außerdem zeigte sich schon bei den
einfachen Versuchsdurchführungen der Wärmelehre, dass herkömmliche Thermometer
größere Fehler aufweisen, als die Temperatursensoren des CBL-Systems.
Beim Einsatz des CBL-Systems kann auch die Versuchszeit verkürzt werden. Auf Grund der
großen Anzahl an gesammelten Messwerten und wegen der genaueren Auflösung der
Messwerte, können früher Aussagen getroffen werden. Ein Schüler kann auf einem
Thermometer höchstens halbe Grad auflösen. Die Temperatursensoren messen die
Temperatur aber auf Tausendstel Grad. Zwar gibt es hier nur bestimmte Temperaturschritte,
dennoch wird die Auflösung um einiges genauer. Kann die Versuchszeit jetzt auf die Hälfte
gekürzt werden, so steht dem Lehrer wesentlich mehr Zeit zur Verfügung. Deswegen zahlt
sich ein Einsatz des Systems sicherlich aus.
Der Einsatz von TI-92 und CBL im Unterricht bedeutet aber auch, dass der Lehrer die Stunde
besser vorbereiten muss. Schließlich muss sich der Lehrer Gedanken machen, wie er die
Schüler beschäftigt und welchen physikalischen Sachverhalt die Schüler eigentlich aus dem
Versuch herausfiltern sollten. Es zeigte sich nämlich, dass wegen der großen Anzahl an
Messwerten oft mehrere Sachverhalte geklärt werden können. Auch die Organisation des
Materials kann durchaus aufwendiger sein, als bei herkömmlichen Versuchen. Steht für
Schülerversuche ansonsten das gesamte Material in der Schule zur Verfügung, so ist es bei

Versuchen mit dem CBL-System schon eine Herausforderung das zusätzliche Material zu
besorgen. Es ergeben sich einfach viel mehr Möglichkeiten. Somit steht das zusätzlich
benötigte Material der Schule nicht immer zur Verfügung. Hat der Lehrer aber die
Organisation des Materials abgeschlossen, so muss die Stunde organisiert werden. In der
Stunde selbst muss der Lehrer beratend zur Seite stehen. Können sich die Schüler nämlich auf
die Messwerte konzentrieren und den Zeit-Graphen beobachten, so wird ihr Interesse
geweckt. Sofort werden viele Fragen aufgeworfen, auf die der Lehrer gut vorbereitet sein
muss. Der Lehrer ist daher auch in der Stunde gefordert, weil sich viele Fragen erst auf Grund
des Beobachteten ergeben. Die Physikstunde wird lebendiger, der Großteil der Schüler
arbeitet aktiv mit.
Zu den technischen Hilfsmitteln, die verwendet werden – TI-92 und CBL – kommen
eigentlich keine großen Fragen auf. Auch etwaige Fehlerquellen können rasch beseitigt
werden. Sie beschränken sich im Regelfall auf das Wechseln der Batterien oder des Link-
Kabels. Daher können die Versuche immer durchgeführt werden.
Eine besondere Herausforderung stellt auch das Gestalten der Arbeitsblätter dar. Sie sollten
nicht zu viel Information enthalten, sie sollten den Schüler aber auch nicht überfordern. Ich
finde den Einsatz von Arbeitsblättern besonders wichtig. Die Schüler sind somit gefordert,
selbst Überlegungen anzustellen. In Schulbüchern ist es meist so, dass auf gestellte Fragen die
Antworten am unteren Ende der Seite gegeben werden. Diese sind zumeist auch färbig
hervorgehoben. Der Schüler wird daher nicht zum Denken ermutigt, sondern beschränkt sich
auf das Blättern im Buch.
Ein großes Problem beim Einsatz des CBL-Systems ist die Ausrüstung der Schüler und der
Schule. Haben nur wenige Schüler einen Graphikrechner, so wird man den Unterricht eher auf
Lehrerversuche aufbauen. Verwendet man das CBL-System für Lehrerversuche, so sollte auf
alle Fälle ein Projektionsgerät an den TI-92 angeschlossen werden. Damit hat der Lehrer die
Möglichkeit, das Display entweder über den Overheadprojektor zu präsentieren oder mit Hilfe
des TI-Presenters die Messung auf einen Fernseher oder PC zu übertragen. Es mehren sich
aber bereits Klassen, in denen der TI-92 eingesetzt wird. Dies ist natürlich von großem
Vorteil. Die Schüler sind zumindest mit dem Rechner vertraut, die Daten könnten allen
Schülern am Rechner zur Verfügung stehen. Somit hat wirklich jeder Schüler die Möglichkeit
sich mit den Messdaten zu beschäftigen. Hat jeder Schüler einen TI-92 zur Verfügung, so sind
auch Lehrerversuche effektiver. Auch hier können die Messdaten sehr schnell auf die Rechner
mittels Link-Kabel übertragen werden. Jeder Schüler kann dann für sich die Daten
untersuchen und weiterbearbeiten. Ist die Klasse nicht mit TI-92 Rechnern ausgerüstet, so
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
leiht diese für kurze Zeit aus. Mit dem Leihprogramm stehen dem Lehrer einige Geräte zur
Verfügung. Es muss der Einsatz aber auf Projekttage beschränkt werden. Der Stoff muss
zunächst theoretisch dem Schüler vermittelt werden, ehe er den Stoff experimentell
überprüfen kann. Hat man die Rechner jederzeit zur Verfügung, so können die Sachverhalte
selbst erarbeitet werden. Dies ist sicherlich eine der größten Stärken des CBL-Systems. Es
kommt kaum zu Komplikationen, die Ergebnisse sind immer klar ersichtlich. Dies macht den
Unterricht lebendiger und für die Schüler sicher interessanter.
Will man Schülerversuche mit dem CBL-System durchführen, so ist ein weiteres Problem die
Ausrüstung der Gruppen mit CBL-Systemen. Ist die Schüleranzahl gering, so kommt man
vielleicht mit wenigen CBL-Systemen aus, im Regelfall werden die Schüler aber in sechs bis
acht Arbeitsgruppen zu je vier Schülern eingeteilt. Daher werden mindestens acht CBL-
Systeme, besser wären zehn, für die Schule benötigt. Es zeigte sich zwar, dass es möglich ist,
mit vier Systemen zu arbeiten. Es wäre trotzdem besser, wenn jede Vierergruppe ein System
zur Verfügung hat. Die Versuchszeit würde sich für die ganze Klasse verkürzen und daher
würde mehr Zeit für Erklärungen zur Verfügung stehen.
Bei den angeführten Versuchen ist auch die Anzahl der mitgelieferten Sensoren zu gering. Es
standen zwar genügend CBL-Systeme zur Verwendung bereit, allerdings zu jedem System
nur die einfache Standardausrüstung. Daher konnten für die beschriebenen Versuche nur zwei
CBL-Systeme genützt werden. Will man alle Gruppen mit CBL-Systemen ausrüsten, so
benötigt man auch die entsprechende Anzahl an Sensoren. Es müssten also weitere Sensoren
angekauft oder selbst gebaut werden. Im Hinblick auf die Einsatzmöglichkeiten wäre dies für
eine Schule, die einen naturwissenschaftlichen Schwerpunkt hat, sicherlich eine gute
Investition. In Schulen, die sich nicht auf naturwissenschaftliche Fächer spezialisieren, könnte
der Einsatz von CBL-Systemen sicher einige Schüler für naturwissenschaftlichen Unterricht
begeistern. Der große Vorteil des CBL-Systems ist nämlich, dass es in mehreren Fächern und
damit auch fächerübergreifend eingesetzt werden kann. Das System kann neben Versuchen in
Physik ebenso für Versuche aus dem Bereich Chemie und Biologie verwendet werden. Damit
wäre es möglich, in drei Fächern mit dem CBL-System zu arbeiten. In diesem
Zusammenhang relativieren sich die Anschaffungskosten. Es könnten Projekttage oder
Projektwochen durchgeführt werden, in denen Phänomene dieser drei Gegenstände untersucht
und beschrieben werden. Bei solchen Projekttagen kann das Messsystem auch außerhalb des
Physiksaales eingesetzt werden. Alleine die beschriebenen Versuche aus der Meteorologie
eignen sich dafür, den Physiksaal zu verlassen und Physik in der Natur den Schülern näher zu
bringen.

Die von mir beschriebenen Versuche können natürlich auch alle ohne TI-92 und ohne CBL-
System durchgeführt werden. Die Schüler müssen dann allerdings viel mehr Zeit für das
Messen aufwenden. Sie sind mit den relativ ungenauen Messungen auch nicht zufrieden.
Daher geht beim Einsatz von Thermometern viel Energie für das genaue Ablesen der
Temperatur verloren. Diese Energie kann beim Einsatz des CBL-Systems bereits in
physikalische Überlegungen umgelenkt werden. Der Schüler vertraut dem System und
überlegt bereits, warum eine Kurve genau so aussieht wie sie aufgezeichnet wird.
Sind alle Schüler einer Klasse mit dem TI-92 ausgerüstet, so ist es auf Grund der relativ
hohen Anschaffungskosten notwendig, den Rechner nicht nur für Versuche in der Physik
einzusetzen. Gerade dann muss der Rechner im Mathematikunterricht und bestenfalls auch für
Versuche in Chemie und Biologie Verwendung finden. Es erhebt sich die Frage, ob eine
Schule auf den Ankauf von zwei Computern zu Gunsten von CBL-Systemen verzichtet. Aus
heutiger Sicht kann ich diesen Weg empfehlen, da sich, wie bereits erwähnt, eine Fülle von
Möglichkeiten für den Einsatz bietet.

Literaturverzeichnis
Vogel, H.
Gerthsen Physik, 19.Auflage, Heidelberg. Springer 1997
Sexl, Raab, Streeruwitz.
Physik 1, Wien. Ueberreuter 1982
Schreiner, Josef.
Physik 2, 1.Auflage, Wien. Hpt-Verlag 1989
Duden Grundwissen Physik, Mannheim. 1999
Kuchling, H.
Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, Leipzig. Fachbuchverlag 1996
Buchner, B.
Das CBL-System: Möglichkeiten zur Nutzung im Physikunterricht mit Schwerpunkt auf
die Elektrizitätslehre, Texas Instruments
Moore, Patrick
Das Weltall, München. Orbis Verlag 1988
Bleichroth, Dahncke, Jung, Kuhn, Merzyn, Weltner.
Fachdidaktik Physik, Köln. Aulis Verlag Deubner & Co KG 1991
Informationsmaterial von Texas Instruments, TI-Nachrichten
TI-92 Handbuch, Texas Instruments 1996
CBL Handbuch, Texas Instruments

Quellen und verwendete Links aus dem Internet
Leitfaden zum Meteorologischen Instrumenten-Praktikum, Institut für Meteorologie und
Klimatologie, Universität Hannover, April 2001
http://www.muk.uni-hannover.de/studium/vorlesungen/ipraktikum_leitfaden.pdf
Kursteil „Pflanzenökologie I“, Thema:Gaswechsel – Ökosystem, Dr.Ludger Grünhage
http://www.uni-giessen.de/~gf1034/AG.Jäger/Kursunterlagen/Anfänger/Pflanze-I.pdf
http://www.ti.com/calc/oesterreich/ ... Homepage von Texas Instruments
http://www.phweingarten.de/homepage/faecher/physik/muckenfuss/Wetterkunde.html#aufsatzwetter
Informationen zum Thema Meteorologie
http://www.umweltministerium.bayern.de/service/umwberat/ubbstr.htm
Informationen über die Salzstreuung, Gefrierpunktsenkung
http://www.physik.tu-dresden.de/iapd/katalog/intern/waerme/
Homepage des Physikinstituts der Technischen Universität Dresden,
Informationen zum Thema Wärmelehre
FORMELVERZEICHNIS
[1] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.254
[2] H.Vogel, Gerthsen Physik, 19.Auflage, S.276
[3] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.263
[4] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.260
[5] H.Kuchling, Taschenbuch der Physik, 16.Auflage, S.260
[6] Leitfaden zum Meteorologischen Instrumenten-Praktikum, Uni Hannover, April 2001

ANHANG