Wärmelehre

Ausdehnung bei Erwärmung

Heimversuche zur Ausdehnung bei Erwärmung

  • Wie funktioniert ein Heißluftballon?
  • Wofür sind die Dehnungsfugen in Mauern?
  • Warum darf man keine Wasserflaschen ins Eisfach legen?
  • Wie überleben Fische eigentlich im Winter?

Heimversuche zur Ausdehnung bei Erwärmung

Heimversuche Ballon in der Wanne
Abb.
1
Ein Ballon ist mit heißem Wasser gefüllt, der andere mit kaltem.
Die Materialien für die Heimveruche findet ihr im Haushalt. Seid vorsichtig, wenn ihr mit einer offenen Flamme hantiert und bittet immer einen Erwachsenen um Hilfe.

Flaschengeist

Heimversuche Flaschengeist
Abb.
1
Halte deine warmen Hände an die kalte Flasche.

Material

  • 1 leere Flasche
  • 1 Münze

Versuchsdurchführung
Befeuchte die Öffnung einer kalten leeren Flasche und bedecke sie mit einer Münze. Lege deine (warmen) Hände um den Flaschenbauch. Beschreibe und erkläre die Beobachtung.     

Arbeitsauftrag

  • Beschreibe kurz (2 Sätze genügen) den Versuch und die Beobachtung.
  • Erkläre das Versuchsergebnis

Flaschenthermometer

Heimversuche Flaschenthermometer
Abb.
1
Beobachte die Flüssigkeit im Trinkhalm.

Material

  • 1 Flasche
  • 1 Korken
  • 1 durchsichtiger Trinkhalm

Versuchsdurchführung
In die Flasche wird etwas gefärbtes Wasser gegeben. Der Korken wird durchbohrt und der Trinkhalm soweit hindurchgeschoben, dass er in die Flüssigkeit ragt. Der Korken wird mit Klebstoff abgedichtet. Erwärme die Flasche mit der Hand. Beschreibe und Erkläre die Beobachtung.

Arbeitsauftrag:
Bringe auf dem Trinkhalm in Zentimeterabständen wasserfeste Markierungen an und fertige eine Tabelle an aus der du die Temperatur der Steighöhe im Trinkhalm gegenüberstellst. Stelle dazu dein "Flaschenthermometer" zusammen mit einem anderen Thermometer ins Freie und notiere deine Beobachtung bei Temperaturänderungen.

Alternative
Man bohrt durch den Plastikverschluss einer Schraubflasche ein Loch, das den Durchmesser des Platikschlauches hat.
Man den Plastikschlauch bis auf den Boden der Flasche, so dass er in die Flüssigkeit ragt, die unten etwa 3cm hoch in der Flasche steht. Nun bläst man in den Schlauch etwas Luft in die geschlossene Flasche, so dass danach die Flüssigkeit im Schlauch über den Verschluss steigt.

Wärmt oder kühlt man jetzt die Flasche, so kann man dies sehr gut am Pegel der Flüssigkeit feststellen.

Luftballon in der Sonne

Luftballon in der Sonne

Abb. 1 Video zum Versuch

Geräte

  • Schnur (\(80\,\rm{cm}\) oder länger)
  • Zollstock oder ein Maßband
  • 1 Luftballon (am besten schwarz)
  • optional: Klebeband
  • optional: Thermometer
Messung des Umfangs des Luftballons
Abb.
2
Messung des Umfangs des Luftballons

Vorbereitung
Puste den Luftballon im Schatten mittelgroß auf und warte etwa 5 Minuten, damit die Luft im Luftballon etwa Außentemperatur annimmt. In der Zwischenzeit kannst du diese Temperatur mit den Thermometer messen. Nimm nun das Maßband oder die Schnur und lege sie einmal ganz um den Luftballon herum (siehe Abb. 2). Halte jetzt mit dem Finger den Punkt fest, an dem die Schnur wieder ihren Anfang berührt. Miss nun mithilfe des Zollstocks die Strecke vom Anfang bis zu deinem Finger. Diese Länge ist der Umfang des Luftballons zu Beginn - deine sog. Referenzmessung.

Versuchsdurchführung
Nun legst du den Luftballon und optional auch das Thermometer in die Sonne und wartest etwa 10 Minuten. Mit dem Klebeband kannst du dafür sorgen, dass der Luftballon dabei nicht wegfliegt. Du kannst den Ballon aber auch mit einem Stück Schnur z.B. an einem Stein befestigen. Anschließend misst du wieder mit dem Maßband oder der Schnur den Umfang des Ballons und liest die Temperatur auf dem Thermometer ab.

Arbeitsauftrag
Erläutere den Versuch und deine Beobachtungen im Physikheft. Beantworte dabei die folgenden Fragen:

  • Wie hoch waren die Temperatur im Schatten und in der Sonne?
  • Hat sich der Umfang des Ballons in der Sonne verändert? Und wenn ja, wie hat er sich verändert?
  • Was könnte die Ursache für einen veränderten Umfang des Ballons sein?

Luftballon im heißen Wasserbad

Ein Luftballon im heißen Wasser

Abb. 1 Video zum Versuch

Geräte

  • 1 Luftballon
  • Schnur (\(80\,\rm{cm}\) oder länger)
  • Zollstock oder ein Maßband
  • Waschbecken
Messung des Umfangs des Luftballons
Abb.
2
Messung des Umfangs des Luftballons

Vorbereitung
Puste den Luftballon mittelgroß auf. Nimm nun das Maßband oder die Schnur und lege sie einmal ganz um den Luftballon herum (siehe Abb. 2). Halte jetzt mit dem Finger den Punkt fest, an dem die Schnur wieder ihren Anfang berührt. Miss nun mithilfe des Zollstocks die Strecke vom Anfang bis zu deinem Finger. Diese Länge ist der Umfang des Luftballons zu Beginn - deine sog. Referenzmessung.

Versuchsdurchführung
Du hältst den Luftballon vorsichtig für 30 Sekunden unter einen Wasserhahn, aus dem heißes Wasser kommt. Noch besser ist es, wenn du das Waschbecken mit heißem Wasser soweit füllst, dass du den Luftballon für 30 Sekunden zu drei Viertel unter Wasser drücken kannst.  Anschließend misst du direkt wieder mit dem Maßband oder der Schnur den Umfang des Ballons.

Arbeitsauftrag
Erläutere den Versuch und deine Beobachtungen im Physikheft. Beantworte dabei die folgenden Fragen:

  • Hat sich der Umfang des Ballons durch das Eintauchen ins warme Wasser verändert? Und wenn ja, wie hat sich der Umfang sich verändert?
  • Was könnte die Ursache für einen veränderten Umfang des Ballons sein?

Zusatzversuch
Halte den Luftballon unter kaltes Wasser oder lege ihn für 10 Minuten in den Kühlschrank oder das Eisfach. Messe danach erneut den Umfang des Ballons mit dem Maßband oder der Schnur. Wie hat sich der Umfang verändert?

Warmwassertest

Heimversuche Luft Volumenmessung
Abb.
1
Heiß und kalt, wie verhält sich der Luftballon?

Material

  • 1 leere Flasche
  • 1 Luftballon
  • Waschbecken mit kaltem und warmem Wasser

Versuchsdurchführung

  • Ziehe den Luftballon über die Öffnung einer leeren Flasche mit Zimmertemperatur.
  • Fülle ein Waschbecken mit warmem Wasser und tauche die Flasche hinein.
  • Lass die Luft aus dem Luftballon und stülpe ihn wieder über die Flasche, die du zuvor ins warme Wasser getaucht hast (ohne dass Wasser hineinfließt).
  • Lass nun das warme Wasser ab und lass kaltes Wasser über die Flasche fließen.

Arbeitsauftrag
Beschreibe und erkläre die Beobachtung und erstelle, wenn möglich eine Fotodokumentation.

Ergänzender Versuch
Stülpe den Luftballon über die Flasche bei Zimmertemperatur und stelle die Flasche in den Frostschrank.

Solarzeppelin

Solarzeppelin

Abb. 1 Der Versuch mit dem Solarzeppelin klappt am besten an einem sonnigen, relativ windstillen Tag.

Geräte

  • Solarzeppelin (Kosten ca. 5-10 €)
  • Schnur (\(5\,\rm{m}\) oder länger, oft beim Zeppelin dabei)

Vorbereitung

Fliegender Solarzeppelin
Abb.
2
Fliegender Solarzeppelin

Als Erstes musst du eine Seite des Solarzeppelins, der aus sehr dünner Kunststofffolie besteht, mit einem Stück Schnur verschließen. Dann füllst du den Zeppelin mit Luft. Das geht am besten, wenn du die offene Seite des Zeppelins in die Hände nimmst und einfach eine Runde durch den Garten läufst. Anschließend verschließt du direkt die zweite Seite des Zeppelins mit der Schnur. Achtung, dabei darf nicht zu viel Luft aus dem Zeppelin entweichen. Mach diesen Schritt am besten einem Freund oder einer Freundin gemeinsam.

Jetzt knotest du die Schnur noch an eine Ende des Zeppelins (du kannst auch beide Enden verbinden) und lässt die Schnur ganz lang, so wie bei einem Drachen. Hieran hältst du den Zeppelin im Versuch fest.

Versuchsdurchführung
Du legst den Solarzeppelin in die Sonne und wartest einen Moment. Dabei unbedingt schon die lange Schnur festhalten, sonst kann dir der Zeppelin wegfliegen. Nach kurzer Zeit hebt der Zeppelin langsam ab und steigt höher und höher.

Tipp: Wenn dein Zeppelin zwischendurch Luft verliert, öffne einfach vorsichtig wieder ein Ende des Zeppelins, fülle neue Luft hinein und verschließe ihn wieder. Schon ist dein Zeppelin wieder startbereit.

Arbeitsauftrag
Versuche die folgenden Fragen in deinem Physikheft zu beantworten:

  • Warum funktioniert der Versuch nur bei sonnigem Wetter?
  • Warum steigt der Solarzeppelin nach oben?
  • Funktioniert der Versuch auch mit einem großen Müllsack aus Plastik?

Längenänderung einer Stricknadel

Heimversuche Stricknadel erwärmen
Abb.
1
Beobachte den Pfeil, während du die Stricknadel erwärmst.

Material

  • 2 leere Flaschen
  • 1 Stricknadel (möglichst aus Aluminium)
  • 1 Korken
  • 1 Nähnadel
  • 1 kleiner Pfeil aus Papier
  • ein oder mehrere Kerzen     

Versuchsdurchführung
Stecke in den Korken einer Flasche eine möglichst lange Stricknadel aus Aluminium. Lass das andere Ende unter leichtem Druck über die Öffnung einer zweiten Flasche ragen. Stecke die Nähnadel durch die Mitte des Papierpfeils (evtl. festkleben), der sich im Gleichgewicht befinden sollte und klemme sie zwischen Stricknadel und Flaschenöffnung. Erwärme nun die Stricknadel mit den Kerzen.

Arbeitsauftrag

  • Miss die Länge \(l_{\rm{Nadel}}\) der Stricknadel vom Korken bis zur Auflage auf der Nähnadel.
  • Bestimme den Drehwinkel \(\alpha\), um den sich der Zeiger bei der Erwärmung dreht.
  • Verschiebe die Stricknadel um genau einen Zentimeter und beobachte um wie viel Grad sich dabei der Zeiger dreht.
  • Bestimme aus diesen Ergebnissen die Längenänderung \(\Delta l\) der Stricknadel.
  • Bestimme das Verhältnis \(\Delta l : \rm{Nadel}\).

Frostflasche

Frostflasche
Abb.
1
Wasser hat in der festen Form (Eis) ein größeres Volumen als wenn es flüssig ist.

Material

  • Plastikflasche
  • Gefrierschrank

Versuchsvorbereitung
Fülle eine Plastikflasche mit kaltem Wasser randfoll und stelle diese in einem geeigneten Gefäß in den Gefrierschrank.

Arbeitsauftrag
Beschreibe deine Beobachtung und dokumentiere deinen Versuch mittel Foto.

Abwandlung des Versuchs
Verschließe die volle Flasche vor dem Versuch.

Frostflasche
Abb.
2
Eine Glasflasche, mit Wasser gefüllt platzt, wenn man sie in den Gefrierschrank stellt.
Achtung
Man sollte diesen Versuch nicht mit Glasflaschen durchführen. Wer dies trotzdem macht, sollte die Glasflasche in ein Tuch einwickeln und in eine Wanne mit ausreichendem Fassungsvermögen legen. Um Ärger mit euren Eltern zu vermeiden haben wir das Ergebnis eines solchen Versuchs hier als Foto. Die mit Wasser gefüllte Weinflasche wurde in die Kühltruhe gestellt. Die Fotos wurden 6 Stunden danach gemacht. Den Verschluss hat es einfach nach oben raus gedrückt.

Sprengung eines Steins

Sprengung eines Steins
Abb.
1
Kalt und dann heiß, das hält nicht mal ein Stein aus.

Material

  • Topf kochendes Wasser
  • Feuerstein (Quarzhaltiger Stein)

Versuchsdurchführung
Suche einen dicken Feuerstein und lege ihn in den Kühlschrank ins Tiefkühlfach.
Lege ihn anschließend im Freien auf den Boden oder in einen Topf und gieße kochendes Wasser darüber.

Arbeitsauftrag
Dokumentiere deinen Versuch durch ein Foto vor und nach dem Versuch.

Erstarren von Wasser und Wachs

Heimversuche erstarrtes Wasser/Wachs
Abb.
1
Wie verhalten sich Wasser und Wachs, wenn sie vom flüssigen in den festen Zustand übergehen?

Material

  • 2 Deckel von Getränkeflaschen
  • geschmolzenes Wachs (z.B. von einer Kerze)
  • Wasser
  • etwas Platz im Gefrierfach

Versuchsdurchführung
Die Deckel zweier Getränkeflaschen werden als kleine Gefäße verwendet. Den einen Deckel füllst du mit flüssigem Wachs und lässt das Wachs bei Zimmertemperatur erstarren. Den anderen Deckel füllst du bis zum Rand mit Wasser und stellst sie in das Gefrierfach. Wichtig ist, dass du den Deckel auf den Boden des Gefrierfaches stellst. Ist dies nicht möglich, solltest du den Deckel zumindest auf bereits gefrorenen Gegenstände stelle. Das Experiment gelingt nicht, wenn der Deckel im Gefrierfach auf wärmeisolierendes Material gestellt wird.

Arbeitsauftrag
Beschreibe den Versuch und das Ergebnis. Mache dabei eine Aussage über die Volumenänderung beim Erstarren von Wachs und Wasser.
    
Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente

Aluminiumpapier

Heimversuche Kaugummipapier erwärmen
Abb.
1
Die Aluminiumseite vorsichtig erwärmen. Vorsicht: Papier und Buch nicht dabei anzünden.

Material

  • mit Aluminium beschichtetes Papier, z.B. Innenhülle einer Schokoladen- oder Kaugummiverpackung
  • (alternativ Aluminiumfolie, Papier und Klebstoff)
  • Wärmequelle, z.B. Kerze oder heiße Herdplatte oder Sonne

Versuchsdurchführung
Aus einem mit Aluminium beschichteten Papier wird ein ca. 8 cm langer und 1 cm breiter Streifen ausgeschnitten. Klemme den Streifen in ein senkrecht stehendes dickes Buch, das du mit zwei anderen Büchern zusammendrückst. Bringe nun eine Kerze oder eine anderen Wärmequelle in die Nähe. (Nicht anzünden!)     

Arbeitsauftrag
Beschreibe kurz, was bei dem Versuch beim Erwärmen und beim Abkühlen geschieht und erkläre dies, soweit es dir möglich ist.

Unterwasservulkan

Heimversuche Unterwasservulkan mit Tinte
Abb.
1
Das heiße Tintenwasser steigt im umgebenden, kalten Wasser schnell auf.
Tinte: Dan Christian via Pixabay

Material

  • Durchsichtiges Gefäß mit kaltem Wasser, möglichst hoch, z.B. Einweckglas (Fassungsvermögen: mindestens 1 l) oder Kanne einer Kaffeemaschine
  • kleine Flasche (Öffnungsdurchmesser: mindestens 1,5 cm), z.B. Medizinfläschchen oder Tintenfass
  • Tinte

Versuchsdurchführung
Eine kleine Flasche wird zu einem Viertel mit Tinte gefüllt und mit kochendem Wasser aufgefüllt. Stellt man die kleine Flasche in ein großes mit kaltem Wasser gefülltes Gefäß, steigt das heiße gefärbte Wasser nach oben und sammelt sich an der Wasseroberfläche. Dies ähnelt einem Vulkanausbruch. Grund: Geringere Dichte des warmen Wassers. Aus der Größe der Öffnung der verwendeten Flasche ergibt sich die Stärke und die Dauer des "Vulkanausbruchs". Verwendet man eine kleine Flasche, deren Öffnungsdurchmesser ca. 1,5 cm groß ist, kommt es zu einem heftigen und dauerhaften "Vulkanausbruch" (3 - 5 Minuten). Verwendet man ein Gefäß, dessen Öffnungsdurchmesser größer als 2 cm ist, z.B. ein Tintenfaß, entsteht auch ein heftiger aber kurzer "Vulkanausbruch" (ca. 1 Minute).

Erwärmung eines Gummibandes

Heimversuche Gummiband erwärmen
Abb.
1
Das Gummiband zieht das Gewicht nach oben.

Material

  • Gummiring, z.B. Einmachring, Hosengummi
  • Gewichtstück (600 - 800 g)
  • Föhn
  • Haken an der Wand
  • Hilfsmittel: Schnur, Schere

Versuchsdurchführung
Version 1
Aus einem Gummiring, wie er bei Einmachgläsern verwendet wird, schneidet man die Lasche heraus, wodurch ein Gummiband entsteht. Dieses wird mit einer Schnur oben an einer Türklinke und unten mit an einem Gewichtsstück so befestigt, dass es fast bis auf den Boden hängt. Nun werden soviele Bücher untergelegt, dass das Gewichtsstück die Bücher gerade berührt. Erwärmt man das Gummiband mit einem Föhn, so verkürzt es sich. Dies ist gut am Abstand zwischen Gewichtstück und den Büchern zu beobachten.

Version 2
Ein Hosengummi wird oben an eine Büroklammer gebunden und oben durch schließen der Tür eingklemmt. Unten hängt man ein Gewicht an (Beispiel siehe Foto).
Nun wärmt man das Gummband mit dem Föhn und beobachtet die Längenzu- bzw. -abnahme.

Arbeitsauftrag
Beschreibe kurz den Versuch und sein Ergebnis.

Anmerkung
Einfache Gummiringe eignen sich für diesen Versuch nicht.

Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente
Walpole, B.: Experimente, Tricks und Tips zum Verständnis der Natur, Lernen und Wissen im Spiel und mit Spaß, Südwest Verlag GmbH & Co.KG, München 1990

Ballon in der Wanne

Heimversuche Ballon in der Wanne
Abb.
1
Ein Ballon ist mit heißem Wasser gefüllt, der andere mit kaltem.

Material

  • Badewanne mit lauwarmen Wasser
  • 2 Luftballons

Versuchsdurchführung
Fülle einen Luftballon mit möglichst warmem (heißem) Wasser und den anderen mit möglichst kaltem Wasser. Achte darauf, dass keine Luft mehr im Ballon ist. Lege beide in die gefüllte Badewanne und beobachte.

Versuchsbeschreibung und Erklärung ins Physikheft!

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