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Versuche

Längenänderung fester Stoffe

Aufgabe
Julius-Maximilians-Universität Würzburg / T. Hemmert
Abb. 1 Versuch zur Längenänderung eines Drahtes bei Erwärmung.

Längenänderung eines Drahtes

Ein Metall-Draht hängt von der Höhrsaaldecke und wird mit einem Strom beheizt.

zum Video (von T. Hemmert, Uni Würzburg)

Aufgabe
Julius-Maximilians-Universität Würzburg / T. Hemmert
Abb. 2 Vergleiche die Länge des Drahtes vor und nach der Erwärmung.

Betrachte das Video, beobachte dabei die Längenänderung und formuliere das Versuchsergebnis.

Die Anfangslänge des Drahtes beträgt \(l=9{,}0 \mathrm{m}\), der Längenausdehnungskoeffizient beträgt \(\alpha_{\rm{draht}} = 0{,}0090 \frac{\mathrm{mm}}{\mathrm{m \cdot °C}}\). Bestimme aus den angegebenen Daten die Drahttemperatur.

Lösung

Der Metall-Draht dehnt sich bei Erwärmung aus.

gegeben: \(l=9{,}0 {\:} \mathrm{m} \; ; \; \Delta l = 140{\:}\mathrm{mm} \; ; \; \alpha_{\mathrm{Draht}} = 0{,}0090 \frac{\mathrm{mm}}{\mathrm{m \cdot °C}}\)

gesucht: \(\Delta\vartheta \)

Rechnung:

\[\Delta l = {\alpha _{{\rm{Draht}}}} \cdot l \cdot \Delta \vartheta  \Leftrightarrow \Delta \vartheta  = \frac{{\Delta l}}{{{\alpha _{{\rm{Draht}}}} \cdot l}}\]

\[\Delta \vartheta  = \frac{{140 {\rm{mm}}}}{{0,009\frac{{{\rm{mm}}}}{{{\rm{m}} \cdot {\rm{K}}}} \cdot 9,0{\rm{m}}}} = 1728{\rm{K}}\]

Damit ergibt sich: \({\vartheta _2} = 1748^\circ {\rm{C}}\)

 

Aufgabe
Julius-Maximilians-Universität Würzburg / T. Hemmert
Abb. 3 Ein Gummiband hängt frei und wird erwärmt. Was passiert?

Längenänderung eines Gummischlauches

Ein Gummischlauch hängt von der Decke. An seinem Ende hängt ein kleines Gewicht, damit er gerade hängt. Nun wird er auf einer größeren Länge mit einem Bunsenbrenner erwärmt.

Zum Versuchsvideo (von T. Hemmert, Uni Würzburg)

Aufgabe

Betrachte das Video, achte auf die Längenänderung des Gummischlauches. Beschreibe den Versuch und erkläre ihn.

Lösung

Julius-Maximilians-Universität Würzburg / T. Hemmert
Abb. 4 Das Gummiband wird durch die Wärme kürzer.

Im Gegensatz zu fast allen anderen Materialien verkürzt sich der etwa 2,5 m lange Gummischlauch beim Erwärmen um etwa einen Zentimeter. Gummi verhält sich also anders als fast alle andere Stoffe.

Aufgabe
Abb. 5 Volumenausdehnung einer Kugel bei Erwärmung
Aufgabe

Betrachte das Video.

a) Beschreibe die Versuchsdurchführung mit deinen eigenen Worten.

b) Beschreibe deine Beobachtungen bei der Durchführung des Versuchs.

c) Deute deine Versuchsbeobachtungen aus physikalischer Sichtweise.

Lösung

a) Zunächst wird die Metallkugel durch das Loch im Metallgestell geführt und gezeigt, dass sie hindurch passt. Anschließend wird die Metallkugel mit einem Bunsenbrenner erhitzt. Nun wird versucht die heiße Metallkugel durch das Loch im Metallgestell zu führen.

b) Du kannst beobachten, dass die kalte Kugel zu Beginn problemlos durch das Loch im Metallgestell passt. Nach dem Erhitzen der Kugel passt die Kugel jedoch nicht mehr durch das Loch, sondern bleibt stecken. Nach einiger Zeit des Wartens fällt die Kugel jedoch wieder durch das Loch nach unten.

c) Zu Beginn passt die Kugel durch das Loch, nach dem Erhitzen nicht mehr. Die Kugel hat sich also beim Erhitzen ausgedehnt, Volumen und Durchmesser sind nun größer. Daher passt die Kugel nun nicht mehr durch das unveränderte Loch im Metallgestell und bleibt stecken. Allerdings kühlt die auf dem Metallgestell liegende Kugel langsam wieder ab. Dabei zieht sich das Metall wieder zusammen, Volumen und Durchmesser der Kugel werden wieder kleiner und wenn die Kugel kalt genug ist, passt sie wieder durch das Loch im Metalgestell und fällt hindurch nach unten.