Texte: Ein Beitrag zum Wettbewerb science-on-stage

4,6 MB; 1 MB;

externe Literaturquelle:

Horst Krist et al.: Mikrogenetische Studien zum physikalischen Wissenserwerb von Kinder: Neue Trainingsexperimente mit der Balkenwaage; Psychologisches Institut der Universität Zürich 115KB;

Günter vom Stein: Der gerade elastische Stoß; MNU 65/3 S. 154f. (Veröffentlicht 15.04.2012)

Medien zu Versuchsgruppe 1:

Mechanisches Modell zum Kräfte-Gleichgewicht
Schwerefeld - magnetisches Feld - elektrisches Feld

Bild :
Materialien zur Entdeckung verschiedener Kraftfelder durch drehbar gelagerte stabile Gleichgewichte
(von links nach rechts): PVC- Stab; geglühter Eisestab bzw. Stabmagnet; Glasstab

Video (indifferent_stabil.mpg): indifferente und stabile Gleichgewichte

Bildreihe zur Bestimmung des Hebelgesetzes am zweiarmigen Hebel

Beipiele:

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drehbar gelagerte Gleichgewichte:

V_1.3 Bildreihe: "Blindes Auffinden" eines labilen Gleichgewichts

Bildreihe: "blindes Auffinden" des Schwerpunktes

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Wie kommt es, dass man langsam beide Finger aufeinander zu bewegen will, aber nur abwechselnd jeweils ein Finger gleitet?

Bildreihe:

Der Wagen hat die Masse 300g (Blick von der Seite und von oben);

Beide Wagen haben gleiche Masse;

Standbilder der Videosequenzen zum Impulserhaltungssatz

Startaufstellung von schräg oben

Die Nahaufnahme der Startaufstellung zeigt zwei unterschiedlich schweren Wagen mit einer gespannten Feder dazwischen;
Anmerkung: Ein Wagen besitzt die Eigene Masse 300g, dazu kommen noch die Massestücke mit dem großen Durchmesser (200g) und dem kleine Durchmesser (100g).
Der linke Wagen besitzt also 600g Masse, der rechte 900g. Die zweite Feder am linken Wagen dient nur dem Masseausgleich.

Startaufstellung von der Seite mit zwei gleich schweren Wagen und einer gespannten Feder dazwischen;

Anmerkung: Der linke Wagen besitzt 300g Masse, der rechte 300g. Die zweite Feder am linken Wagen dient nur dem Masseausgleich.

Standbild der Fahrbewegung zweier gleich schweren Wagen kurz nach nach der Federentspannung

Standbild der Fahrbewegung zweier unterschiedlich schwerer Wagen nach der Federentspannung.

Anmerkung: Der linke Wagen besitzt 300g Masse, der rechte 900g. Die zweite Feder am linken Wagen dient nur dem Ausgleich der Wagenmassen.

Videosequenzen zum Impulserhaltungssatz

Alle Fahrbahnversuche dienen dazu, die Gültigkeit des Impulssatzes zu demonstrieren. Zu jedem Zeitpunkt bleibt die Fahrbahn waagerecht. Die Aufnahmen sind weit aufgezeichnet, dass erkennbar wird, dass sich die Fahrbahn nahezu in einem labilen Gleichgewicht befinden, weil die Fahrbahnen am Ende dann kippen.

Jede Videosequenz hat ca. 10-12 MB Größe!

1. Versuch Impulserhaltungssatz mit Wagen 300g und 300g; impulssatz_300_300.avi

2. Versuch Impulserhaltungssatz mit Wagen 300g und 600g; impulssatz_300_600.avi

3. Versuch Impulserhaltungssatz mit Wagen 300g und 900g; impulssatz_300_900.avi

4. Versuch Impulserhaltungssatz mit Wagen 600g und 900g; impulssatz_600_900.avi

Der letzte Versuch ist zusätzlich geeignet, den Gleichverteilung der Energie zu demonstrieren.

Anmerkung. Der letzte Versuch zeigt, dass auch die Energie symmetrisch verteilt wird. Die Wirkung der Reibung zehrt bei beiden Wagen die kinetische Energie auf. Unter der Annahme, dass die Reibungskraft der Masse proportional ist und die Rollreibungszahl bei nahezu gleichen Geschwindigkeiten nahezu konstant ist, zeigt sich, dass die Reibungsenergie (das Produkt aus Reibungskraft und Rollstrecke) bei beiden Wagen gleich ist.

 

Experimente, die Schülerinnen und Schüler darauf bringen, zunächst den stabilen oder indifferenten Gleichgewichtszustand herzustellen, bevor mit Energiequellen Einfluss auf das Gleichgewicht genommen wird.

Bild 1 : im Schwerefeld ausbalancierte Magnetnadeln und Elektroskop mit verschiebbarem Gegengewicht (hellblau). Die beiden Magnetnadel richten sich im Erd-Magnetfeld aus, eine horizontal, eine vertikal.

Bild 2 : Vergleichsbild: Am Elektroskop wurde das Gegengewicht (hellblau) so verstellt, dass das untere Ende des metallisierten Zeigers durch die Schwerkraft leicht nach unten gezogen wird. Es herrscht jetzt ein stabiles Gleichgewicht.

Elektrostatisches Modell vom Ladungsgleichgewicht

Bild 1: Ausschlag des Elektroskops durch Aufladung

Grundlage ist die Erkenntnis: Gleiche elektrische Ladungen stoßen sich ab. Durch Reibung des PVC-Stabes mit einem Lappen aus Acrly-Fasern lädt sich der PVC-Stab auf. Beim Abstreifen wird die Ladung anteilig auf das Elektroskop übertragen. Erneutes Reiben und Abstreifen der erzeugten Ladung führt zu immer stärker werdenden Ladung. Man zählt die Anzahl der Aufladungen mit bis zum Erreichen eines festgelegten Ausschlages.

Bild 2: Verteilung der Ladung zwischen isolierter Platte eines Plattenkondensators und dem Elektroskop.

Grundlage:
1. Gleiche Ladungen stoßen sich ab
2. Ladungen sind in Metallen beweglich.

Folge: Daher finden offensichtlich mehr Ladungen Platz auf dem vergrößerten System.

Bild 3: Einfluss der Influenz zwischen der isolierten, geladenen Platte und der geerdeten Platte

Es überrascht, dass das Erden einer Kondensatorplatte, die mit dem Ladungsprozess scheinbar nichts zu tun hat, die Kapazität des Gesamtsystems vergrößert.

Grundlage: Ungleiche Ladungen ziehen sich an.
Folge: Influenz vergrößert die Kapazität. Offenbar besteht für einen Naturwissenschaftler leicht die Gefahr, dass er nicht erkennt, was alles zu einem untersuchten System gehört.

Bild 1 : Einfluss des Ausschlages des Elektroskops vom Plattenabstandes des Kondensators

Zunächst wird das System Elektroskop - geerdeter Plattenkondensator mit sehr kleinem Plattenabstand halb aufgeladen.

Anschließend zieht man die Platten des Plattenkondensators auseinander.

Bild 2 (image016.gif): Einfluss des Ausschlages des Elektroskops vom Plattenabstandes des Kondensators

Es überrascht zuerst, dass das Elektroskop nach dem Auseinanderziehen der Platte stärker ausschlägt, wo doch keine zusätzliche Ladung aufgebracht wurde.

Die Diskussion ergibt, dass man den vergrößerten Ausschlag auf die Annahme der Influenzkräfte zwischen den Plattten erklären kann. Das hat zur Folge, dass die Ladung durch den Metalldraht zum Elektroskop "zurückschwappt".

Einführung des Begriffs Spannung:
Die Ladungstrennung benötigt Energie wie beim Spannen eines Bogens.

Bild (image019.gif): Einführung des Bogens (ohne Pfeil) als Analogie-Madell von neutraler Spannung

Bild (image020.gif): Einführung des gespannten Bogens (ohne Pfeil) als Analogie-Madell von Spannung

Durch Hinzunahme eines Pfeils, der den Elektronen entspricht, kann das Analogiemodell auf einen (Teilchen-)Strom ausgeweitet werden. Die Stromstärke entspricht dann den abgeschossenen Pfeilen pro Sekunde.

Bild: Einführung des Begriffes Strom

Durch eine Tischtennisball mit leitendem Überzug wird das Bestreben der Natur, einen Spannungszustand auszugleichen, sichtbar gemacht.

Zur Erklärung werden auschließich die anziehenden und abstoßenden Kräfte elektrischer Ladung benötigt und das Bestreben der Natur, in einen energiearmen (neutralen, stabilen) Gleichgewichtszustand zurückzukehren benötigt.
Am Elektroskop läßt sich die Abnahme des Spannungszustandes (Potentialdifferenz), gleichzeitig gibt das Geräusch des tickenden Balles einen Eindruck von dem zeitlichen Verlauf des Ladungsausgleichs.

Symbolisiert werden kann das durch inden Bogen eingelegte und abgeschossene Pfeile (Bild fehlt noch).

Einführung des Begriffs Strom und Stromstärke:
Die beim Ladungsausgleich tranportierte Ladung nennt man elektrischen Strom. Die Ladung, die pro Zeiteinheit transportiert wir nennt mann Stromstärke.

Das alnaloge Bild des gespannten Bogens mit Ladungsausgleich durch Pfeile kann auch für die Brennstoffzelle V_5.3 angewandt werden.

weitere Bilder:

Mechanisches Modell zum Systembegriff bei Stoffen als Reaktion auf Veränderung der äußeren Bedingungen

Inneres System - Energie (Druck - Volumen - Temperatur) - Äußeres System

Bildfolge hierzu:

"Natur ist Alles; Alles ist Natur"

Die zweiarmige Hebelwaage ist Sinnbild für ein "Gleichgewicht".

"Alles in der Natur befindet sich im Gleichgewicht"

Zur Untersuchung der Natur wird ein Teil der Natur abgegrenzt und beschrieben.

Um ein System zu untersuchen, nimmt man Einfluss von außen.

Nach der Störung stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.

Der Einfluss von Energie auf ein System ist eine "Störung" des Systems

Nach der Entfernung der Störung stellt sich unter Abgabe der Energie das alte Gleichgewicht wieder ein.

Bild 1: Energiezufuhr durch Änderung des Platzbedarfs (Volumen, Druck)

Bild 2 : Energiezufuhr durch Wärme

Einzelbilder dazu:

Chemisches Modell von Stoffgleichgewichten

Säure - Base - Gleichgewicht, Redox - Gleichgewicht;
Prinzip des kleinsten Zwanges

Bild 1: Thermolyse von Marmor (Calciumcarbonat)

Bild 2 : Untersuchung eines Atemzuges mit Kalkwasser auf Kohlenstoffdioxid

Bild 3 : der technische Kalkkreislauf

Bild 4: Flash-Animation zum technischen Kalkkreislauf

Einstellung eine Gasgleichgewichtes nach dem "Prinzip-des-kleinsten-Zwanges"

Versuch 4.3 In einer aus den Apparaturen 4.1 und 4.2 zusammengesetzten Apparatur wird Bariumnitrat (A) thermisch gespalten. Nach dem Absperren (H) wird das braune Gas Stickstoffdioxid in der Entnahme Einheit I Druck und Temperatureinflüssen ausgesetzt. Danach wird das Gas wieder in die Apparatur eingebracht und mit Harnstofflösung in einer Gaswascheinheit (C, D) ausgewaschen. Schließlich werden alle Lösungen wieder vereinigt.

Beobachtung: Bei der thermischen Zersetzung entsteht ein braunes Gas, das je nach Temperatur und Druck unterschiedlich stark gefärbt ist. Nach der Einleitung der Stickoxide entstehen Gasbläschen in der Harnstofflösung.

Bild 4: Thermische Zersetzung von Bariumnitrat, Untersuchung des Gasgleichgewichts N2O4/ 2 NO2 und Entsorgung des Stickoxide durch Harnstoff

A Quarz-Glührohr 1: 50 mg Bariumnitrat

B T-Stück 2: ca. 2 mL 2mol/L Harnstoff-Lösung

C Sicherheitswaschflasche 3: ca. 3 mL Stickstoffdioxide (Gas)

D Gaswaschflasche

E Luer-Kupplung

F Kunststoff-Kolbenprober 50 mL

G Luer-Kupplung

H Kunststoff-Dreiwegehahn

I Kunststoff-Kolbenprober 10 mL

K Gasbrenner

Erklärung: Bariumoxid zerfällt beim Erhitzen zu Bariumoxid, Stickoxiden und Sauerstoff.

(I) Ba(NO₃)₂(s) -> BaO(s) + N₂O₅(g)

(II) 2 N₂O₅(g) -> 2 NO₂(g) + O₂(g)

Bariumoxid zeigt in wässriger Lösung die Eigenschaft einer Lauge.

(III) 2 NO₂(g) -> N₂O₄(g)

Das braune Gas Stickstoffdioxid dissoziert und rekombiniert reversibel zu farblosen Distickstoffdioxid.

(IV) 2 NO₂(g) + H₂O(l) -> HNO₂(aq) + HNO₂(aq)

Nach Lösen in wässriger Harnstofflösung entstehen aus Salpetersäure und Salpetrige durch Komproportinierung Säure Stickstoff (Gasbläschen) und Wasser. Der Säureanteil wird durch die Zugabe des erhaltenen Bariumoxid vollständig neutralisiert.

(V) 2 HNO₂ (aq) + (NH₂)₂CO(aq) -> CO₂(g) + 3 H₂O(l) + 2 N₂(g)

Anmerkung: Nach den derzeit gültigen Richtlinien der Gefahrstoffverordnung darf mit Gefahrstoffen mit Gefahrenkennzeichnung T und T+ nur noch in geschlossenen Systemen oder unter einem Abzug gearbeitet werden.

Elektrochemisches Modell zum chemischen Potential

Hofmann-Elektrolyse in Halbmikrotechnik und geschlossenem System

Es kann qualitativ gezeigt werden, dass alle chemischen Reaktionen symmetrisch und bezüglich der Gleichgewichtslage invariant sind.

Es wird eine gegen Bromthymolblau eingestellte neutrale Kaliumsulfatlösung als Elektrolyt verwendet. Um den Neutralpunkt besser einstellen zu können, wird eine sehr geringe Portion Ammoniumacetat (Essigsäure und Ammoniak) als Puffer zugegeben. Das durch die Kolbeelektrolyse des Acetats gebildete Ethan und Kohlenstoffdioxid sowie die Bildung von Peroxodisulfat verfälschen das Volumen-Ergebnis geringfügig. Allerdings wird nach längerem Stehenlassen das Bromthymolblau durch das Peroxodisulfat zersetzt.

Bild V_5.1.1.gif: Startbedingung der Hofmannelektrolyse

Bild V:5.1.2.gif: Während der Hofman-Elektrolyse

Bild V_5.1.gif: Gesamtschau zum Vergleich

Nach Beendigung der Elektrolyse und Entfernen der elektrischen Zuleitungen lassen sich durch mehrmaliges Schwenken Säure und Lauge wieder neutralisieren.

Bildfolge: Chemische Vorgänge bei der Brennstoffzelle

Bild (V_5.3.1.gif): Startbedingung der Knallgaszelle vor der Energieabgabe

Bild (V_5.3.2.gif): Knallgaszelle während der Energieabgabe

Bild (V_5.3.gif): Knallgaszelle während der Energieabgabe im Vergleich

Bild (brennstoffzellen.gif): Umsatzschema in der Brennstoffzelle

Quelle: http://www.heliotec.at/privatkunden.php?kat=brennstoffzellen (Um copyright der Zeichnung wurde gebeten. Falls die Erlaubnis nicht erteilt wird, wird ein eigenes Bild erstellt.)