EXPERIMENTE aus alten Ausgaben von Physik Regional

 

In loser Reihenfolge werden einfache lehrreiche und vielleicht auch spektakuläre Experimente vorgestellt:

 1.Der Kugelbeschleuniger aus Physik Regional 2/91

Gesehen bei AOR Dr.W.Klein, Uni Köln -und er hat die Idee von Falk Keuten, Bonn

 

2 Stativstangen beliebig viele Topfmagnete beliebig viele Stahlkugeln

Durchführung: Kugel 1 ganz langsam auf Magnet 1 rollen lassen

Fragen: Erläutern Sie den Effekt.
Was passiert wenn nicht alle Magnete gleich orientiert sind ?
Was passiert, wenn nicht alle Magnete denselben Abstand haben ?

Tipps: Bevor man das Experiment im Unterricht vorführt1 sollte man geübt haben. Geeignete Kugeln gibt es in Kugellagerfachgeschäften. Es reicht, Ausschussware zu kaufen; der Kugeldurchmesser sollte mindestens 10 mm betragen.

vorgestellt von: H.Göhler, Köln

2. Der schwebende Tischtennisball aus Physik Regional 2/91

Aufbau : In den vertikalen Luftstrom eines leistungsstarken Föhns (oder eines Luftkissengebläses) wird ein Tischtennisball gehalten und losgelassen.

Ergebnis: Der Ball schwebt und dreht sich sehr schnell. Varianten: Den Föhn horizontal bewegen: Der Ball folgt. Den Föhn langsam schief halten: Der Ball schwebt neben dem Föhn. etc

vorgestellt von: H.Göhler,  Köln

3. Freihandexperiment zum Energiesatz aus Physik Regional 1/93 

Benötigte Geräte:

Vollzylinder und Hohlzylinder mit gleichem Durchmesser und gleicher Masse.
Ein Brett als sehr leicht geneigte schiefe Ebene
Ein Stück rauer Teppichboden oder ein Frotteehandtuch o.ä.

Experiment 1

Beide Zylinder werden gleichzeitig losgelassen und rollen die schiefe Ebene herunter.

Beobachtung: Der Vollzylinder erreicht das Ende der schiefen Ebene früher, also mit höherer Bahnge-schwindigkeit (mit höherer kinetischen Energie)1 als der Hohlzylinder. (jedem Physiklehrer vertraut)

Ein Widerspruch zum Energie-Erhaltungsatz ?

Experiment 2

Die Zylinder rollen nicht auf eine glatte, ebene Fläche (z.B. das Pult), sondern auf das Stück Teppichboden.

Beobachtung:  Beide Zylinder rollen gleich weit. (Aha Effekt)

Abwandlung: Statt des Brettes wird eine Bahn mit folgender Seitenansicht benutzt.

 

 

vorgestellt von W. Komenda,  Hürth

Freihandexperimente aus Physik Regional 3/95
Die Experimente 4 - 10 wurden von Dr. P. Berger aus St. Augustin vorgestellt.

4. Reagenzrohr in Reagenzrohr steigend

Man braucht zwei Reagenzrohre mit verschiedenen Durchmessern, so dass das eine in dem anderen gut gleiten kann. Man füllt das weitere etwa zur Hälfte mit Wasser; das engere setzt man so hinein, dass keine Luftblase im Zwischenraum übrigbleibt. Dreht man nun alles mit etwas Schwung um und hält das äußere Röhrchen fest, so steigt das innere langsam in die Höhe.

Erklärung: Das Wasser fließt aus. Bliebe nun das innere Röhrchen auf der ursprünglichen Höhe stehen, so entstünde ein Vakuum. Der äußere Luftdruck treibt also das innere Röhrchen in die Höhe.

5. Oberflächenspannung beim Ausfließen von Wasser aus kleinen Flaschen

Man braucht zwei Fläschchen mit Öffnungen von etwa Bleistiftdicke. Beide füllt man mit Wasser, gibt aber in das zweite ein paar Tropfen Spülmittel. Der Unterschied zeigt sich, wenn man beim Umkippen das Wasser ausfließen lassen will. Vom reinen Wasser fließen ein paar Tropfen aus; dann aber nichts mehr. Das entspannte Wasser fließt aber ohne Schwierigkeiten vollständig aus.

Erklärung: Die Oberflächenspannung hindert das reine Wasser am Ausfließen. Diese wird im zweiten Fall durch das Spülmittel herabgesetzt.

6. Messerstab hebt wassergefülltes Gefäß

Es gibt Messerstäbe zum Zerkleinern von Gemüse usw. mit einem dazu passenden engen Gefäß. Füllt man das Gefäß etwa zur Hälfte mit Wasser, setzt den Stab ein und lässt das rotierende Messer laufen, so kann man das Gefäß an dem Stab in die Höhe heben.

Erklärung: Das Wasser wird durch die Zentrifugalkraft nach außen geworfen. Es bildet dann offenbar eine stabile und luftabschließende Schicht. Luft kann nicht mehr unter diese Wasserschicht dringen. Ein Vakuum bildet sich nicht oder nur in geringem Umfang. Der äußere Luftdruck verhindert das Herabfallen des Gefäßes.

7. Automatische Schwerpunktfindung bei Linealen u. ä.

Man beginnt mit einem Lineal. Man kann aber alle möglichen Stäbe und anderen Gegenstände nehmen. Sie sollten aber starr und nicht allzu schwer sein.

Bekannt ist nun die Schwerpunktfindung auf folgendem Wege: Man legt das Lineal auf die Zeigefinger der weit auseinander gehaltenen Hände und lässt diese nun langsam aufeinander zuwandern. Wenn die Zeigefinger sich berühren, ist das Lineal immer noch im Gleichgewicht. Man hat die beiden das Lineal unterstützenden Finger unter dessen Schwerpunkt gebracht (Hätten die Finger eine verschwindend geringe Breite, so müsste man von einem labilen Gleichgewicht reden; so aber ist das Gleichgewicht noch stabil.) Man probiert nun alle möglichen Variationen aus und ist erstaunt, wie unempfindlich das Verfahren gegen Veränderungen ist; also auch unter veränderten Bedingungen noch funktioniert.

Zunächst ändern wir die Art der Unterstützung. Wir ersetzen einen oder beide Finger durch Stativstangen. Auch wen man Stativstangen von einem Motor getrieben aufeinander zuführt ändert sich nichts Grundsätzliches. Auch wenn der Reibungskoeffizient auf der einen Seite verändert wird - etwa dadurch, dass man eine Unterstützung mit rauem Schmirgelpapier umwickelt -klappt die Sache weiterhin. Erst wenn man die Rollreibung einführt, versagt das Verfahren: Hat man etwa zur Rechten einen Finger als Unterstützung, links aber einen Rundstab, so schiebt man von rechts her den Schwerpunkt des Lineals leicht über den zur Linken rollenden Rundstab hinüber.

Kehren wir zum üblichen Verfahren zweier Unterstützungspunkte, die gegen das Lineal nur Gleit- oder Haftreibung erfahren, zurück. Das Lineal kann man gegen Stifte, Bücher usw. austauschen. Ein Kleiderbügel kann einem einen Streich spielen. Eine Zeit lang scheint er das Spiel mitzumachen. Dann aber bricht er in die dritte Dimension aus.
Hat man ein Küchensieb, so nimmt man nun besser drei Finger einer Hand, die wie üblich aufeinander zu zuführen sind. Hier gelingt das Verfahren, gleichgültig, ob man die Finger im Innern ansetzt - bei nach oben gewölbten Sieb - oder von außen - bei nach unten gewölbtem Sieb.

Erklärung: Die ,,Automatik" dieser Schwerpunktfindung beruht darauf, dass der noch weiter vom Schwerpunkt entfernte Finger weniger von der Gesamtlast trägt, und daher seine Haft- bzw. Gleitreibung geringer gegenüber dem Lineal ist als die des anderen. Wegen der geringeren Reibung bewegt er sich leichter und rückt nach. Da die Gleitreibung, - dieser unterliegt er momentan, da er sich gegenüber dem Lineal bewegt - geringer ist als die Haftreibung - mit der sich der andere Finger hält - schießt der gleitende Finger über das Ziel hinaus. Nun vertauschen die Finger ihre Rollen. Der andere Finger hat jetzt eine geringere Last zu tragen und erfährt damit geringere Reibung. So geht das Spiel weiter, bis die Finger unter dem Schwerpunkt des Lineals zusammentreffen.

8. Flasche, die anzeigt, wie sie sich unter Druck verformt

Man braucht eine Flasche mit rechteckigem Querschnitt. Man verschließt sie mit einem Korken, den man durchbohrt hat. In die Bohrung führt man ein möglichst dünnes Steigrohr von etwa 15 cm Länge ein. Man füllt die Flasche mit gefärbtem Wasser so weit, dass es in dem Steigrohr noch über dem Korken steht. Drückt man nun auf die Breitseiten der Flasche, so steigt das Wasser im Steigrohr deutlich. Drückt man dagegen auf die Schmalseiten, so sinkt es.

Erklärung: Glas ist elastischer als man denkt! Das Volumen der Flasche wird durch die erste Art des Zusammendrückens verkleinert: Das Wasser weicht in das Steigrohr aus. Beim Drücken der Schmalseiten macht man die Flasche geringfügig ,,runder". Das Flaschenvolumen vergrößert sich und etwas Wasser fließt aus dem Steigrohr in die Flasche.

9. Wettlauf von Getränkedosen eine Rampe hinab

Häufig veranstaltet man einen Wettlauf von zwei Eiern - das eine roh, das andere gekocht - eine Rampe hinunter. Dass das rohe Ei schneller ist, lässt sich oft nur schwer beobachten. Einmal brechen die Eier immer seitlich aus der Bahn aus; man muss ihnen schon besondere Schienen bauen. Andererseits ist der Effekt dann immer noch etwas undeutlich.

Übersichtlicher gelingt das Wettrennen, wenn man zwei gleiche Getränkedosen nimmt. Bei der einen sorgt man durch ein paar Stunden im Tiefkühlfach dafür, dass der Inhalt fest geworden ist. Nun gewinnt eindeutig, die Dose mit flüssigem Inhalt.

Erklärung: Bei der Dose mit flüssigem Inhalt nimmt nur ein geringer Teil dieser Flüssigkeit an der Rotation um die Dosenachse teil. Während hier nur ein geringer Anteil der Lageenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird, ist dieser Anteil bei der Dose mit festem Inhalt größer. Der Vorteil der ersten Dose: Ihre Lageenergie wird zu einem viel größeren Anteil als im anderen Fall in reine Translationsenergie umgewandelt. Allerdings werden, je länger der Lauf dauert, immer mehr Flüssigkeitsteilchen in die Rotation hineingezogen.

10. Ein Gummiring läuft mit konstanter Geschwindigkeit einen Stab hinab

Man braucht einen etwa 2m langen Stab und ein Paketgummi von etwa 7cm Durchmesser. Stellt man den Stab senkrecht und bringt den Gummiring an seiner Spitze - durch Dehnen und plötzliches Loslassen oder durch ,,Anwerfen" - in Schwung, so kreiselt er alsbald in einer recht stabilen Bewegung den Stab mit konstanter Geschwindigkeit hinunter. Man kann die Konstanz der Geschwindigkeit leicht mit einer Stoppuhr überprüfen.

Erklärung: Die Reibung, die für das Gelingen unerlässlich ist, liefert auch die Erklärung. Wie bei jeder geschwindigkeitsabhängigen Reibung stellt sich eine gleichförmige Bewegung ein. Der kreiselnde Fall eines Ahornsamens unterliegt ganz ähnlichen Gesetzen.

11. Lichtmühle unter warmem und kaltem Wasser aus Physik Regional 3/95

von Volker Martini aus Bonn



Es ist immer wieder faszinierend zu sehen, wie sich die Lichtmühle im Licht dreht. Lässt man z.B. das Licht einer Taschenlampe auf die ruhenden Blättchen fallen, setzen diese sich sofort in Bewegung. Man hat den Eindruck, dass das Licht eine Kraft auf die Blättchen ausübt. Darum wird die Lichtmühle im Unterricht manchmal als motivierendes Experiment bei der Behandlung des Lichtdrucks verwendet. Die Diskussion zeigt dann allerdings, dass der Lichtdruck nicht der Grund für die Bewegung sein kann. Wendet man den Impulserhaltungs-satz für Photonen an, so ergibt sich, dass die Blättchen, die auf der einen Seite weiß und auf der anderen Seite schwarz sind, sich mit der weißen Seite von der Lichtquelle wegbewegen müssten. Tatsächlich beobachtet man aber die entgegengesetzte Drehrichtung. An dieser Stelle wird dann im Unterricht meist die richtige Erklärung, die auf der unterschiedliche Erwärmung der weißen und schwarzen Flächen beruht, geliefert, ohne weitere Experimente zu machen.

Ein leicht durchführbares Experiment, das die Bedeutung der Wärme für den Effekt deutlich werden lässt, sieht folgendermaßen aus. Man gießt warmes Wasser mit einem gleichmäßigen Strahl über den Glaskolben der Lichtmühle. Die Blättchen drehen sich jetzt wie beim Beleuchten mit der Taschenlampe. Die Drehrichtung ist dieselbe, und die Drehgeschwindigkeit ist etwa genauso groß. Beim gleichmäßigen Gießen beobachtet man, dass die Blättchen nach einiger Zeit langsamer werden und schließlich zum Stillstand kommen. Gießt man nun über den noch warmen Glaskolben kaltes Leitungswasser, so setzen sich die Blättchen wieder in Bewegung. Diesmal drehen sie sich aber, und das ist das Besondere an dem Versuch, in die entgegengesetzte Richtung. Auch diese Bewegung kommt beim fortwährenden Begießen nach einiger Zeit zum Stillstand.

Im ersten Teil des Versuchs werden die schwarzen Flächen durch die Wärmestrahlung der wärmeren Umgebung wärmer als die weißen, da sie ein höheres Absorptionsvermögen haben. Die Drehbewegung entsteht durch die im Glaskolben vorhandenen Gasmoleküle, die auf die Blättchen auftreffen und zurückprallen. Bei diesem Vorgang nehmen die Gasmoleküle die Geschwindigkeit an, die der Temperatur der jeweiligen Fläche entspricht. Da die schwarzen Flächen eine höhere Temperatur haben als die weißen, erhalten sie durch die Gasmoleküle einen stärkeren Rückstoßimpuls. Man kann sagen, auf die wärmeren schwarzen Flächen wirkt ein größerer Gasdruck als auf die kühleren weißen Flächen. Die Lichtmühle dreht sich. Im weiteren Verlauf wird der Temperaturunterschied der weißen und schwarzen Flächen immer geringer und verschwindet schließlich. Die Impulsüberträge durch die Gasmoleküle sind jetzt auf beiden Seiten gleich groß und heben sich gegenseitig auf. Die Blättchen kommen zum Stillstand.

Eine entsprechende Erklärung bietet sich für den zweiten Teil des Versuches an. Wird die Umgebung durch das kalte Wasser abgekühlt, geben die Blättchen Wärme durch Wärmestrahlung ab. Die schwarzen Flächen haben ein höheres Emissionsvermögen als die weißen. Die schwarzen Flächen kühlen darum schneller ab. Es entsteht wieder ein Temperaturunterschied, wobei diesmal die weißen Flächen die höhere Temperatur haben. Die Lichtmühle dreht sich in die entgegengesetzte Richtung, bis die Temperaturen auf beiden Seiten der Blättchen wieder gleich groß sind.

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