Arbeitsblatt: Wärmelehre

1. Einführung in die Physik Wie betrachten gemeinsam das Video: vvpMdJn4T8lg a) Beantworte anschliessend die Frage: Was ist die Physik? b) Wie in der Wissenschaft gibt es auch bei der Physik viele Teilgebiete: Optik, Mechanik, Akustik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Kernphysik Ordne die kursiv markierten Begriffe den richtigen Feldern zu und notiere sie jeweils in das entsprechende Kästchen. o o o Ausbreitung des Lichts Reflexion von Licht Lichtbrechung Linsensysteme Optische Geräte z.B. das Auge Farben und Spektren o o o o o Magnetismus Stromkreis Strom und Ladung Spannung, Stromstärke, Wiederstand Leiter, Isolatoren Körpereigenschaften (Masse, Volumen etc.) Kraft/Arbeit(Energie Kraftwandler Drehmoment Energieumwandlung Impuls o o Eigenschaften von Schall: Schallquellen, Ausbreitung, Töne/Klänge, Schallintensität, Schallpegel o Temperatur Wärme Ausdehnung von Stoffen Energietransport Zustandsänderungen Atommodelle Aufbau der Materie Radioaktivität 2. Die Temperatur Versuch 1 Temperaturen schätzen Material: 3 Becken/Schüsseln Durchführung: 1. Nimm drei Schüsseln und fülle die erste mit kaltem, die zweite mit lauwarmem und die dritte mit warm-heissem Wasser. 2. Halte gleichzeitig eine Hand in die Schüssel mit kaltem Wasser und die andere in die Schüssel mit warmem Wasser. Verharre so etwa eine halbe Minute. 3. Tauche dann beide Hände zusammen in die Schüssel mit lauwarmem Wasser. Beschreibe deine Empfindungen. 4. Schätze die Wassertemperatur in den drei Schalen. Auswertung: Temperaturschätzung: Auftrag 1 Lies den unterstehenden Text sorgfältig durch und markiere wichtige Aussagen mit einem Bleistift. Beantworte anschliessend die Fragen. Wir können Temperaturen über unsere Haut wahrnehmen: Unser Temperaturempfinden („Temperatursinn) ermöglicht es uns nämlich, Temperaturen zwischen 15 und 45 C recht gut voneinander zu unterscheiden. Im Bereich der Körpertemperatur (37 C) ist dieser Temperatursinn besonders gut ausgeprägt. Hohe und niedrige Temperaturen dagegen nehmen wir nur als „heiss oder „kalt wahr. Eventuell empfinden wir zusätzlich auch Schmerz. Wenn wir einen Gegenstand berühren, vergleichen wir seine Temperatur mit der Temperatur, die wir zuvor wahrgenommen haben: Ein Gegenstand erscheint uns wärmer vor. Der Temperatursinn „sagt uns, was wir tun müssen, damit unser Körper seine Temperatur beibehält. Das hängt aber nicht von der Aussentemperatur ab; auch die Temperatur der Hautoberfläche spielt dabei eine Rolle. Der Temperatursinn ist demnach kein „Messgerät. Um Temperaturen genau und zuverlässig (und auch schmerzfrei) bestimmen zu können, setzen wir Thermometer ein. Im Haushalt sind oft Flüssigkeitsthermometer im Eisatz- z.B. im Kühlschrank. Hier dient gefärbter Alkohol als Thermometerflüssigkeit. Es gibt auch Thermometer mit Quecksilberfüllung. Sie sind besonders vorsichtig zu behandeln. Wenn sie zerbrechen, wird nämlich Quecksilber frei – und Quecksilber ist giftig, Wenn Thermometer mit Quecksilberfüllung zerbrechen, muss das Quecksilber mit dafür vorgesehenen Bindemitteln vollständig entfernt werden. Weit verbreitet sind heutzutage elektronische Fieberthermometer mit Digitalanzeige. Überhaupt werden elektronische Thermometer recht häufig verwendet. Manchmal sind sie mit zwei Temperaturfühlern (für Innen- und Aussentemperaturen) ausgestattet. Übungsaufgaben 1. Weshalb ist der Einsatz von Thermometern geeigneter als unser „Temperatursinn? 2. Einige Temperaturen: Mond (beleuchtet): Mond (unbeleuchtet): Glühende Heizkohle: Glühfaden einer Lampe: 150 C -170 C 1100 C 2500 C Bei solchen Temperaturen würde unser Temperatursinn nicht funktionieren, Wir würden-wenn wir mit solchen Körpern in Berührung kämen – nur Schmerzen empfinden, Warum ist es gut so? 3. In der Umgangssprache verwenden wir oft Sätze wie: „ Heute ist es kalt. Wenn die Sonne schein, wird es wärmer. Der Wind ist kühl. Das Wasser ist heiss. Die Suppe ist lauwarm. Schreibe diese Sätze um, indem du jeweils den Begriff Temperatur verwendest. Auftrag 2 Versuch 1 Thermometer untersuchen (Zeit 5 min) a) Nimm ein Flüssigkeitsthermometer und lies die Temperatur ab: gemessene: Temperatur: C b) Umschliesse die Thermometerkugel mit der Hand. Beobachte dabei die Flüssigkeit im Steigrohr. Lies die Temperatur ab, wenn sich die Thermometerflüssigkeit nicht mehr bewegt. gemessene: Temperatur: C Versuch 2 Temperatur und Zeit Wir untersuchen, wie schnell die Temperatur von Wasser beim Erwärmen ansteigt. Du benötigst folgende Materialien: Stoppuhr, Herdplatter, Thermometer, Wasser, 1 Becherglas 600ml (3 Stück), Handy Ablauf: 1. Fülle 300 ml (kaltes) Leitungswasser in das Becherglas. Miss die Temperatur und trage sie in die 1. Spalte ein. 2. Schalte nun die Herdplatte ein und stelle die Stufe 5 ein. Warte 1-2 min bis die Platte warm ist. 3. Fülle das Wasser nun in den Topf. Starte dabei die Zeit (Handy). 4. Miss nach jeder Minute die Temperatur und trage sie in die Tabelle. Wichtig rühre dabei ab und zu um. Sei bitte vorsichtig! 5. Den Versuch machst du solange bis das Wasser eine Temperatur von 90 C erreicht. 6. Schau auf deine ausgefüllte Tabelle an. Was kannst du anhand deiner Messergebnisse feststellen? Notiere deine Erkenntnisse in 2-3 Sätzen. Messun Nr. Zeit nach dem Einschalten 1 0 Sek. 2. 1min Wassertemperatur 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Versuch 3 Wassertemperatur Du benötigst folgende Materialien: 3 Thermometer, 3 Becherglas, Wasser, Herdplatte, Wasserkocher Ablauf: 1. Bereite mit den folgenden Materialen zwei Bechergläser mit Wasser (siehe Bild) vor: In dem einen Behälter soll das Wasser eine Temperatur von 15 C und im anderen Behälter soll das Wasser 95 C haben. 2. Vermische nun die beiden Flüssigkeiten so, dass die Mischtemperatur 37 C beträgt. Beachte, dass die Gesamtmenge im 3. Becherglas nicht überläuft. Bevor, du den Versuch machst, erstellst du in einem ersten Schritt einen Plan. Notiere und skizziere deine Vorgehensweise: 3. Führe den Versuch gemäss deinem Plan durch. 4. Vergleiche deinen Plan und deine Durchführung. Hast du dich an deinen Plan gehalten? Oder gab es Abweichungen? Notiere deine Erkenntnisse in in 2-3 Sätzen. 5. Wie viel Wassermenge hast du jeweils von den beiden Temperaturen (15 bzw. 95 C) für den Versuch benötigt? Gibt es dafür eine Erklärung. Versuch 4 Kältemischung Material: 3 Gläser Eis Salz Wasser Drei Thermometer 3 Bechergläser (600ml) Ablauf: 1. Fülle in alle drei Bechergläser 150ml Wasser ein. Nimm dazu kaltes Wasser aus der PET-Flasche. 2. Stelle in jedes Glas ein Thermometer hinein. Miss die Temperatur und trage sie in die Tabelle ein. 3. Füge in das zweite Glas und dritte Glas ca.15 Eiswürfel hinzu. In das dritte Glas gibst du noch 3-4 Teelöffel Salz bei und rührst gut um. Miss die Temperaturen und trage sie in die Tabelle. Wasser Wasser Eiswürfe Wasser Eiswürfe Salz 4. Miss alle 2min die Temperaturen und trage sie in die Tabelle. Was stellst du fest? Notiere deine Beobachtung in 2-3 Sätzen. Messung Nr. 1 Zeit nach dem Einschalten Temperatur Temperatur Temperatur Becherglas Wasser Becherglas: Wasser Eiswürfel Becherglas 1: Wasser Eiswürfel Salz 0 Sek. Auftrag 3 Die Entstehung der Thermometerskala Die Celsius-Skala Die ersten Thermometer hatten ganz unterschiedliche Skalen. So lange für verschiedene Messungen immer dasselbe Thermometer verwendet wurde, konnten die Messwerte miteinander verglichen werden. Unterschiedliche Thermometer ergaben jedoch unterschiedliche Messwerte. Deshalb wurde vorgeschlagen, die Skala müsse sich auf bestimmte Fixpunkte, d.h. auf unter bestimmten Voraussetzungen unveränderliche Temperaturen beziehen. Und diese Temperaturen müssten überall leicht erzielt werden können. Anders Celsius Der holländische Physiker und Mathematiker CHRISTIAAN HUYGENS schlug schon damals vor, man solle bei der Einteilung von Thermometerskalen Eigenschaften des Wassers zu Hilfe nehmen. Die Skalen sollten mit der Schmelztemperatur des Wassers beginnen und mit der Siedetemperatur des Wassers enden. Der Schwede ANDERS CELSIUS (Bild oben) schlug vor, den Abstand zwischen den Temperaturpunkten in 100 gleiche Teile aufzuteilen. In allen europäischen Staaten werden heute die Temperaturen mit den von Celsius vorgeschlagenen Thermometern gemessen. Fixpunkt Zugewiesene Temperatur Die Kelvin-Skala CELSIUS hatte eine Thermometerskala für den Alltagsgebrauch entwickelt. Diese Skala ist für die Arbeit von Wissenschaftlern allerdings nicht sehr geeignet, MinusTemperaturen machen die Rechnungen unnötig kompliziert. So schlug der englische Physiker WILLIAM THOMSON, der später zu LORD KELVIN geadelt wurde, eine Skala ohne Minus-Grade vor. Durch Berechnungen hatte LORD KELVIN herausgefunden, dass es eine Temperatur gibt, die nicht unterschritten werden kann. Auf der Celsius-Skala liegt diese Temperatur bei etwa -273 C, sie wird als absoluter Temperatur-Nullpunkt bezeichnet. LORD KELVIN hat ihr auf seiner Skala den Wert 0 zugeordnet. Die Abstände für 1 Grad hat er aber ebenso gewählt wie CELSIUS. Fazit: Die Thermometerskala von THOMSON hat sich in der Wissenschaft durchgesetzt. Sie wird zu Ehren ihres Erfinders Kelvin-Skala genannt. Der absolute TemperaturNullpunkt wird mit 0 (0 Kelvin) bezeichnet. Formel zum Umrechnen zwischen C und K: Übungsaufgaben 1. Rechne die Temperaturen jeweils in die andere Skala um. C 0 100 -20 150 K 2. Begründe, warum es unsinnig ist, ein Thermometer mit einer Skala bis -300C zu bauen. C K 0 100 273 373 Physik/Wärmelehre KMa Zusammenfassung Thermometer Für die zuverlässige Angabe von Temperaturen (und zur Übermittlung dieser Werte an andere Personen) benötigen wir . Temperaturmessung Aufbau eines Flüssigkeitsthermometers: Flüssigkeitsthermometer bestehen aus Thermometer und einem dünnen Steigrohr. In der Thermometerkugel befindet sich fast die gesamte Thermometerflüssigkeit. Man verwendet Alkohol oder Quecksilber. Ausserdem ist das Steigrohr mit einer Skala zum Ablesen der Temperatur versehen. Regeln zum Messen mit einem Flüssigkeitsthermometer: Temperaturen In der Umgangssprache sagen wir von Körpern oft, sie seihen heiss, warm, lauwarm oder kalt. Diese Körperzustände werden mit der physikalischen Grösse beschrieben. Die Temperatur gibt an, wie schnell sich die Teilchen bewegen. Es gilt je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Die gebräuchlichste Einheit für die Temperatur ist das. Die Thermometer, die bei uns verwendet werden, sind deshalb mit einer Celsiusskale versehen. Als Fixpunkt dieser Celsiusskala dient einerseits der des Eises (0 C) und andererseits der des Wassers (100 C) Physik/Wärmelehre Der Nullpunkt der Kelvinskala (T 0 K) liegt im absoluten Nullpunkt, was entspricht. KMa