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Versuche

Heimversuche mit Heißluft

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Kann man heiße Luft wiegen?
Bei den Heimversuchen mit heißer Luft wird geflogen und gedrückt. Bitte seid vorsichtig, wenn ihr mit offenem Feuer hantiert. Bittet einen Erwachsenen um Unterstützung.

Teebeutelrakete

Geräte

  • einen leeren Teebeutel oder eine Papierserviette
  • Zündhölzer oder Feuerzeug
  • feuerfeste Unterlage

Durchführung
Beim Teebeutel den Falzrand abschneiden, so das ein Zylinder entsteht.
Den Papierzylider auf eine feuerfeste Unterlage stellen.
Dann am oberen Zylinderrand angezündet.     
Nachdem die Serviette ausreichend heruntergebrannt ist, steigen ihre noch verbliebenen Reste in die Luft auf.

Erklärung
Beim Abbrennen der Serviette erwärmt sich die Luft in der Nähe der brennenden Serviette und steigt mit den heißen Verbrennungsgasen aufgrund ihrer im Vergleich zu der sie umgebenden Luft geringeren Dichte auf. Unten strömt kalte Luft zur Serviette nach, erwärmt sich dort verstärkt den Vorgang so, dass sich die brennende Serviette im aufsteigenden Luftstrom emporgehoben zu wird.

Tipps und Tricks
Entscheidend ist die Wahl des Materials. Es muss gut brennbar und so leicht wie möglich sein. Eventuell kann man nur eine Lage einer mehrlagigen Serviette, die sich als zu schwer erwiesen hat, benützen, oder aber auf Papiertaschentücher ausweichen. Da nicht jede Serviette wie gewünscht abheben wird, ist eine feuerfeste Unterlage wichtig. Noch wichtiger jedoch ist, bei Durchführung des Experiments in einem geschlossenen Raum, eine feuerfeste Decke: Wenn die Aschen- und Papierreste aufsteigen, so steigen sie ungeahnt zügig und vor allem hoch auf!
Die Zylinderform erwies sich unter vielen in der Literatur vorgeschlagenen Varianten (u.a. Kegel oder gar schlichte Knäuele) als die erfolgreichste.
Während und nach der Durchführung des Experiments sollte es möglichst windstill sein: Während des Experiments, damit der Zylinder nicht umfällt und der warme Luftstrom nicht gestört wird, und nach dem Experiment, damit die extrem leichten, noch zusammenhängenden Aschenreste nicht in viele Einzelteile zerfallen, die nur mühsam wieder zu beseitigen sind.

Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente
Zeier, E.: Kurzweil durch Physik, Aulis Verlag Deubner & Co.KG, Köln 1983
Zeier, E.: Physikalische Schulversuche, Freihandversuche, kleine Experimente, Aulis Verlag Deubner & Co.KG, Köln

Heiße Luft Waage

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Leere Kaffeeverpackungen eignen sich am besten.
Geräte

  • 2 leere Kaffeepackungen (Aluminiumtüten)
  • Kerze als Wärmequelle
  • ein leichter Holzstab als Waagebalken
  • Bindfaden und Klebematerial

Vorbereitung
An den Enden eines Holzstabs werden mit ca. 5 cm Schnur und Klebematerial leere Kaffeepackungen mit der offenen Öffnung nach unten gehängt. In der Mitte des Holzstabs wird ein weiterer Faden festgeknotet, an dem der als Waagebalken fungierende Holzstab aufgehängt wird. Durch Verschieben des Aufhängepunkts am Stab wird die Waage austariert.
    
Durchführung
Stelle unter eine der leeren Kaffeepackungen eine Wärmequelle, dann neigt sich der Waagebalken auf der anderen Seite nach unten.     

Erklärung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Mit zwei Kaffeeverpackungen (Aluminiumtüten) wird ein Versuch aufgebaut, bei dem eine Waage, durch den Auftrieb der heissen Luft, aus dem Gleichgewicht gebracht wird.
Die beiden Kaffeepackungen sind nicht leer, sondern mit Luft gefüllt. Die Kraft, die an jeder Seite der Waage zieht, setzt sich also aus dem Gewicht der Kaffeepackung und dem Gewicht der Luft in der Kaffeepackung abzüglich des Gewichts der von der Kaffeepackung (und der Luft in ihr) verdrängten Luft (Auftrieb) zusammen.
Warme Luft in der Kaffeepackung enthält bei gleichem Volumen weniger Moleküle (Luftmoleküle sind ausgeströmt!) als kalte Luft und hat somit ein geringeres Gewicht als die kalte Luft in der anderen Kaffeepackung. Da die anderen relevanten Größen wie Gewicht der Kaffeepackungen und Auftrieb in der Umgebungsluft gleich bleiben, wird das Kräftegleichgewicht der Waage gestört, die Waage neigt sich entsprechend.

Tipps und Tricks
Für das Experiment wurden leere Kaffeepackungen gewählt, da diese recht leicht, trotzdem aber genügend stabil sind, so dass die Öffnung auch bei einströmender warmer Luft erhalten bleibt, und ihre Oberfläche meist mit Aluminium beschichtet ist, was ein Entzünden der Tüte durch die Wärmequelle verhindert.

Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente
Lüscher, E., Physik und Didaktik 1/2 (1973) 116-121
Köthe, R.: Das neue Experimentierbuch: 150 einfache Experimente aus der Physik, Chemie und Biologie, Tessloff Verlag, Hamburg 1986

Ei in der Flasche

Geräte

  • hartgekochtes, geschältes Ei
  • Glasflasche mit breitem Hals, so dass ein Ei gerade nicht hindurch passt, z.B. Milchflasche
  • Heißes und kaltes Wasser oder Streichholz und Papier

Vorbereitung und Durchführung
Eine Glasflasche wird mit heißem Wasser ausgespült. Man legt ein hartgekochtes, geschältes Ei auf den Flaschenhals und stellt die Flasche in kaltes Wasser. Das Ei wird langsam in die Flasche gesogen. Alternativ kann man ein Stück brennendes Papier in die Flasche fallen lassen und nach dem Erlöschen der Flamme das Ei auf den Flaschenhals legen. Das Ei wird ebenfalls langsam in die Flasche gesogen. Dreht man anschließend die Flasche um, so dass das Ei von innen den Flaschenhals verschließt und erwärmt die Flasche, so rutscht das Ei wieder aus der Flasche heraus.

Tipps und Tricks
Für das Experiment ist es wichtig, dass das Ei und der Flaschenhals die richtige Größe haben. Das Ei sollte in den Flaschenhals passen, aber nicht hindurchfallen können.

Erklärung
Sowohl beim Spülen der Flasche mit heißem Wasser als auch beim Verbrennen von Papier in der Flasche wird die Luft in der Flasche erwärmt. Legt man das Ei auf den Flaschenhals, wird die Flasche luftdicht verschlossen. Das Volumen der in der Flasche eingeschlossenen Luft bleibt dadurch zunächst konstant. Nach der Zustandsgleichung idealer Gase nimmt beim Abkühlen der Flasche mit sinkender Temperatur der Druck in der Flasche ab. Ist der Druck in der Flasche kleiner als der Druck außerhalb der Flasche, wird das Ei in die Flasche gedrückt. Literatur

Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente
Bublath, J.: Das Knoff-Hoff Buch, Wilhelm Heyne Verlag, München 1989
Raaf, H.; Sowada, H.: Physik macht Spaß. Überraschende Einsichten durch über 100 Modelle und Experimente, Herder Verlag, Freiburg im Breisgau 1990
Melenk, H.; Runge, U.: Verblüffende physikalische Experimente, Aulis Verlag Deubner & Co.KG, Köln 1991