zurück Zweite physikalische Nacht
an St. Ursula
am 28. Juni 2002

Wie schon im letzten Jahr trafen wir uns an einem Freitag Abend in lockerer Runde, um miteinander in Gruppen über physikalische Phänomene zu debatieren. Das Angebot richtete sich an alle Schülerinnen ab der Klasse 10. Die Teilnahme war auch dieses Jahr wieder erfreulich.

Im Unterschied zum letzten Jahr, in dem die physikalische Nacht ins Leben gerufen wurde, entschieden wir uns dieses Jahr in der Vorbereitung auf den Abend, ein einheitliches Thema in den Vordergrund zu stellen. Dies geschah im Hinblick auf die weiteren Jahre, in denen jeweils andere Themenschwerpunkte folgen sollen, so dass Überlappungen möglichst vermieden werden.

In diesem Jahr haben wir uns mit dem Thema Flüssigkeiten und Gase beschäftigt.



Wir stellen hier einige Eindrücke und unsere Ergebnisse vor:


Impressionen

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Messung des Moleküldurchmessers



entnommen:1) 2)
Aufbau & Durchführung Geräte:1.Schale,40*30cm
2.Gemisch Ölsäure:Leichtbezin = 1:2000
3.Bürette mit Skala
4.Messzylinder, 100ml
5.Lykopodium, 1ml (verwendet wurde aber Schwefel)
6.Lineal, 30cm
7.destilliertes Wasser, 1l
Das Gemisch Ölsäure/Leichtbezin wird in die Bürette gefüllt. Man ermittelt in einem Vorversuch das Volumen eines Tropfens.
Dazu zählt man die Anzahl der Tropfen, die aus der Bürette austreten, bis sich das Flüssigkeitsvolumen um 1cm^3 verringert hat. Das Volumen eines Tropfens erhält man, wenn man 1cm^3 durch die Anzahl der Tropfen teilt. Die sehr sorgfältig gereinigte, mit destilliertem Wasser gefüllte Schale wird sehr fein mit Lykopodium bestreut.
Durchführung:
Aus der Bürette wird ein (!) Tropfen in die Mitte der Schale gegeben. Der Durchmesser des sich bildenden Kreises wird gemessen. Nachfolgend wird ein weiterer Tropfen hinzugegeben und der Kreisdurchmesser erneut bestimmt. Danach bringt man insgesamt 3 und 4 Tropfen auf die Wasseroberfläche und misst die Kreisdurchmesser.
Die gemessenen Kreisdurchmesser betragen 13cm, 18cm, 23cm und 26cm. Daraus erkennt man, dass die Kreisfläche proportional dem aufgebrachten Ölvolumen ist.
Beobachtung Es entsteht ein kreisförmiger Ölfleck, dessen Oberfläche gemessen wird. Der verbleibende Ölfleck, der nach dem Verdunsten des Leichtbezins verblieden ist, hat die Dicke eines Moleküldurchmessers.
Ergebnis Das Volumen eines Tropfens beträgt 0,02cm^3. Da das Mischungverhältniss 1:2000 beträgt, ergibt sich für das Volumen des Öls 0,02cm^3/2000=1*10^-5 cm^3.
Berechnung der Fläche mit A=(pi/4)*d^2
Daraus folgt für die gesuchte Schichtdicke h:
h=V/A
Ein Ölmolekül hat einen Durchmesser von etwa einem millionstel Millimeter.

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Kapillarität



entnommen:1)
Aufbau & Durchführung Zwei gut gereinigte Glasplatte werden senkrecht in einem ausreichend großen Becken keilförmig aneinandergesetzt. Das Becken wird mit gefärbtem Wasser gefüllt
Beobachtung In dem keilförmigen Bereich zwischen den Platten bildet sich zur Spitze hin ein Wasseranstieg. Das Wasser scheint automatisch anzusteigen.
Erklärung In Wirklichkeit zieht das Glas das Wasser an. Dies geschieht umso besser je weniger Wasser angezogen werden muss. Also beobachtet man dieses Phänomen der Kapillariät vor allem in sehr kleinen Zwischenräumen oder Röhrchen.

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Adhäsion und Kohäsion

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Wieviele schaffen wir?

kurz vor dem Absturz
Aufbau & Durchführung Zuerst haben wir über einen Faden eine relativ leichte und glatte Platte an einem Stativ aufgehangen.Um zu zeigen, welche Anziehungskräfte Wasser auf andere glatte Subtanzen ausübt, haben wir eine andere sehr saubere, identische Platte leicht befeuchtet und diese durch Reiben und Schieben in einen engen Kontakt zu der ersten Platte und dem dazwischen befindlichen Wasser gebracht. Nun haben wir mit Wägestücken ausprobiert, welche Kraft diese Konstruktion aushält.
Beobachtung Zunächst hielt die Konstruktion alle Gewichte aus. Doch bei einer Gewichtskraft von 8,5N ist die untere Platte runtergefallen.
Erklärung Die Teilchen der Platten und die Wassermoleküle scheinen sich stark anzuziehen. Dadurch kann eine Gewichtskraft von 8,5N gehalten werden. Die Anziehungskraft zwischen Platte und Wasser nennt man Adhäsionskraft. Dazu kommt: Die Wassermoleküle im Zwischenraum zwischen den Platten haften sehr gut aneinander. Sie bilden dank diesem Effekt der Kohäsion einen Wasserfilm, der sehr stabil ist. Dazu kommt wie gesagt, dass dieser Wasserfilm von beiden Seiten durch die Moleküle der Metallplatten angezogen wird.

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Oberflächenspannung


Zeit-Kraft-Diagramm mit Cassy:
Aufbau & Durchführung Ein Ringt aus Draht wird senkrecht aus einem Wasserbecken gezogen. Die dazu notwendige Kraft wird mit einem sensiblen Kraftmesser unter Verwendung eines computergesteuerten Messwerterfassungssystem (CASSY) gemessen.
Beobachtung Das Wasser hindert den Ring beim Herausgezogen-Werden. Das Wasser zieht gewissermaßen den Ring an. Daher folgt eine ringförmige Wasserschicht dem Ring, bis sie abreißt.
Erklärung Die geschlossene Wasseroberbfläche bildet gegenüber der Luft eine stabile Schicht. Die Oberfläche ist bemüht ununterbrochen zu bleiben und eine möglichst geringe Fläche einzunehmen. Wenn der Ring aus dem Wasser gezogen wird, wird diese geschlossene Oberfläche beim Heraustauchen zerstört. Die Wasseroberfläche versucht dem entgegenzuwirken. Die Fähigkeit, dies zu tun, wird als Oberflächenspannung bezeichnet.

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Bau eines Zerstäubers



entnommen: 3)
Aufbau & Durchführung Sie befästigen ein Glasrohr so, dass es in ein Wassergefäß eintaucht und senkrecht steht. Nun pusten sie kräftig durch das waagerecht gehaltene Glasrohr mit Spitze, das Sie an die Öffnung des eingtauchten Rohres halten. Beobachten Sie den Wasserstand in dem Glasrohr!
Beobachtung Das Wasser steigt hoch und gelangt in den Luftstrom, wo es mitgerissen und fein zerstäubt wird.
Erklärung Auf Grund der schmalen Spitze streicht die Luft mit großer Geschwindigkeit, aber mit kleinem Druck über das "Saugrohr" und erzeugt an der Öffnung einen Unterdruck(luftverdünnter Raum). Da aber der Luftdruck auf die Wasseroberfläche drückt, steigt das Wasser nach oben. Durch den Luftstrom wird das Wasser nun zerstäubt.

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Lenkung von Luftströmen


entnommen: 3)
Aufbau & Durchführung Eine brennende Kerze wird hinter eine Flasche gestellt. Eine Person bläst gegen die Flaschenseite auf der entgegengesetzten Seite.
Beobachtung Die Kerze erlischt.
Erklärung Die Luft wird zunächst gegen das Glas geblasen. Es bildet sich aber anstelle einer Luftreflexion eine Luftströmung rund um das Glas herum. Diese Strömung erfasst die Flamme, obwohl zu erwarten gewesen wäre, dass die Luft den Raum hinter der Flasche nicht erreichen kann.

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Stabilisierung eines Körpers im Luftstrom


entnommen: 3)

Aufbau & Durchführung Ein Tischtennisball wird mit einem Fön in der Luft gehalten.
Beobachtung Der Ball kann durch den Luftstrom gehalten werden.
Erklärung Die Stabilisierung des Balls kommt dadurch zustande, dass die Luft den Ball von allen Seiten umströmt. Der Luftstrom teilt sich vor dem Ball auf und fügt sich hinter dem Ball wieder zusammen. So kommt es, dass der Ball gehalten wird.

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Luftwiderstands-Messung



Die verschiedenen Körper
Aufbau & Durchführung Der Versuch wird, wie auf dem Foto gezeigt, aufgebaut. Die unterschiedlichen Körper werden nacheinander an der drehbaren Achse befestigt. Nun werden die Körper frontal aus einer konstanten Entfernung mit dem Fön angeblasen, sodass durch den Faden eine Kraft auf den Federkraftmesser ausgeübt wird. Der stromlinienförmige Körper und der halbe Tischtennisball werden jeweils umgedreht.
Beobachtung Beim Stromlinienkörper, wenn die Spitze vom Fön weggerichtet ist, ist die Kraft und somit auch der CW-Wert sehr gering (CW-Wert: 0,37). Wenn man die Form umdreht, ergibt sich der CW-Wert 0,38. Der Tischtennisball hat den geringsten CW-Wert, wenn die Öffnung vom Fön weggedreht ist (0,3). Wenn die Öffnung zum Fön hingedreht ist, beträgt der CW-Wert 1,2. Die Papierscheibe hat einen CW-Wert von 1. Der abgerundeter Zylinder missst einen CW-Wert von 0,48. Der Zylinder hat einen CW-Wert von 1,11.
Erklärung Den CW-Wert der Papierscheibe wird gleich 1 gesetzt und damit kann man die anderen CW-Werte berechnen. Der Strömungswiderstand hängt von der Form und der Angriffsfläche des umströmten Körpers ab.

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Aerodynamisches Paradoxon

Aufbau & Durchführung Wir haben zwei Tischtennisbälle nebeneinander an zwei Fäden aufgehangen. Dann haben wir mit einem Fön von oben zwischen die Bälle geblasen.
Beobachtung Sobald man den angeschalteten Fön dazwischen hält, werden die Tischtennisbälle aneinander gedrückt.
Erklärung An den äußeren Seiten der Bälle herrscht normaler Luftdruck. Das Pusten des Föns verringert den Druck zwischen den Bällen, folglich wird dieses Defizit dadurch ausgeglichen, dass der äußere und größere Luftdruck die Bälle aneinander drückt.

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Pascalsche Zauberfontäne


entnommen: 4)

Aufbau & Durchführung Man benutzt zwei Flaschen, eine leere und eine mit Wasser gefüllte Flasche. Sie werden durch Schläuche miteinander verbunden. Die leere Flasche muss tiefer stehen,als die volle Flasche. Beide Flaschen müssen luftdicht verschlossen sein. An der leeren Flasche ist ein Trichter angebracht und an der vollen ist eine Düse angebracht.
Beobachtung Wenn durch den Trichter Wasser in die leere Flasche eingefüllt wird, steigt das Wasser aus der vollen Flasche in die Düse und es entsteht ein Wasserstrahl der von da aus durch den Trichter wieder zurück in die leere Wasserflasche gelangt.
Erklärung Der Wasserstrahl entsteht durch Druck in den beiden Flaschen. Da die leere Flasche luftdicht verschlossen ist und immer neues Wasser hineinfließt, entsteht Überdruck in dieser und die Luft entweicht durch die Verbindung der beiden Flaschen miteinan- der. Dadurch entsteht in der zweiten Flasche auch ein Überdruck und die hinzukommende Luft drückt, um sich Platz zu machen auf das Wasser, welches dadurch nach oben in den Schlauch entweicht und es bildet sich der Springbrunnen.

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Wasserrakete


entnommen: 5)

entnommen: 6)
Aufbau & Durchführung Die Rakete wird zu 1/3 mit Wasser gefüllt, auf die Halterung gesteckt und gesichert. Nun wird in die Flasche Luft gepumpt. Danach wird die Rakete entsichert.
Beobachtung Während die Rakete losfliegt, spritzt das Wasser heraus.
Erklärung Durch das Pumpen wird die Luft in der Rakete unter Druck gesetzt. Sobald die Sicherung gelöst ist, kann der Druck entweichen, indem das Wasser herausgedrückt wird. Dadurch fliegt die Rakete.

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Cartesianischer Taucher


entnommen: 7)

Aufbau & Durchführung Fülle eine Plastikflasche vollständig mit Wasser. Schneide ein Strohhalm nach dem "Knick" ab.Biege eine Büroklammer so auseinander, dass sie in den beiden Öffnungen des Strohhalmes eingeführt werden kann. Dadurch entsteht eine Art Kreis, der oben aus dem Strohhalm und unten aus einer Büroklammer besteht. Hänge zum Beschweren eine zweite Büroklammer an.

Gib nun den "Taucher" in die mit Wasser voll gefüllte Flasche. Verschließe die Flasche mit dem Schraubverschluss. Drücke nun die Flasche mit beiden Händen kräftig zusammen.
Beobachtung Beim Drücken der Flasche sinkt der "Taucher" zum Boden der Flasche. Drückt man die Flasche nun nicht mehr zusammen, steigt dieser wieder auf.
Erklärung Im Strohhalm befindet sich "Restluft". Durch das Zusammendrücken der Flasche, wird die Luft ebenfalls zusammengedrückt, d.h. ihr Volumen wird kleiner. Damit wird der Auftrieb des Luftvolumens kleiner, daher kann er sinken.

Drückt man die Flasche nicht mehr zusammen, erreicht die "Restluft" ihr ursprüngliches Volumen, daher wirkt wieder der ursprüngliche Auftrieb und der Taucher steigt auf.

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