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Contents : Didaktische Werkstatt Natur und Technik 7-10 1. Veranstaltung Aufgabenkultur Das Titanic-Experiment Abk hlung im Eiswasser Aufgabentyp: Forschungsaufgabe auf Wunsch auch Egg Race" - Wettbewerb Einordnung Rahmenpl ne: H/R : 7/8 Thermische Energie bersicht ber Thema/Station: Klassenstufe: Physik 9/10 bzw. 7/8 GS: 9/10 Thermische Energie und 9/10 Walthema GYM: 9/10 Erhaltung und Entwertung von Energie - ein Konzept" der Physik: W rme Das Titanic-Experiment oder - Abk hlung im Eiswasser Material 1250 mL Konservendose 1 L Becherglas 10 L Wassereimer aus Kunststoff m glichst Magnetr hrer mit R hrfisch f r das Eiswasser oder: Stange Stab oder Lineal zum R hren 40-50cm lang viel Eis ( 1kg) verschiedene Str mpfe Plastikt te in Dosengr e 10 Gummibandringe Leiste und Draht zum Halten der Dose im Eiswasser Temperaturmessung alternativ: 1. 2 Alkoholthermometer -10 - +100 C 2. 1 oder 2 Digitalthermometer m glichst mit NiCrNi-F hler (schnell) 3. Computergest tzte Messwerterfassung z.B.: Sensorcassy (mit Netzteil) oder Pocketcassy USB-Kabel bzw. RS232C-Kabel und eventuell USBRS232C-Adapter Laptop mit Software Cassylab: Titanic.lab starten der Computer startet mit dem Passwort: lisem Cassy ChemBox mit 3 NiCrNi-F hlern Themenfeld/ Kontext und Vorwissen in Bezug zu den KMK Bildungsstandards: Fachwissen Zusammenhang zwischen W rme ( Energie) und Temperatur bei Wasser. Fachwissen/Erkenntnisgewinnung Unterschiedliche Temperaturmessmethoden kennen (Fl ssigkeitsthermometer elektronisches Thermometer Temperatursensoren am computergest tzten Messsystem) Erkenntnisgewinnung Zeit -Temperatur-Diagramme aufnehmen und auswerten. Kommunikation Konvektion W rmeleitung W rmestrahlung spezifische W rmekapazit t W rmekapazit t. Bewertung Je nach Sachlage spielen die drei Arten der W rme bertragung eine unterschiedliche Rolle. Metall hat eine gute W rmeleitf higkeit Wasser ist (ohne Konvektion) ein guter Isolator. Station 4: Das Titanic-Experiment Seite 1 von 14 D.Kaack Li Didaktische Werkstatt Natur und Technik 7-10 1. Veranstaltung Aufgabenkultur Das Titanic-Experiment Abk hlung im Eiswasser Art der Arbeitsauftr ge Kompetenzorientiert Die Kompetenzen die hier gefordert und gef rdert werden ergeben sich aus der Auflistung. Beachtung der Heterogenit t Es gibt gestufte Lernhilfen. Die Aufgabe sollte ohne diese Hilfen bearbeitet werden. Bei Verwendung der Hilfen die z.B. auf K rtchen angeboten werden k nnen ist die Qualit t der Bearbeitung geringer zu bewerten. Karte A Das hei t gut isoliert" Karten D1 und D2 Versuchsdurchf hrung (strenge Anleitung wenn euch nichts einf llt) Karte B Herstellung von 0 C Wasser Karten E1 und E2 Auswertung Karte C W rmeverlust Zu erreichende Kompetenzen: Fachwissen Isolation wird durch Vermeidung der W rme bertragung verbessert. Bei diesem Versuch dominiert die Vermeidung der Konvektion zur Nutzung der schlechten W rmeleitf higkeit von Wasser oder Luft. Die Strahlung spielt kaum eine Rolle. Erkenntnisgewinnung Durch die zeitliche Darstellung des Temperaturverlaufs des Doseninhalts kann man auf die an das Wasser bertragene Energie pro Zeit also die Leistung schlie en. Um diese Leistung zu minimieren verbessert man die Isolierung und kann diese durch die Leistungsbestimmung beurteilen. Kommunikation Die Kompetenz im Umgang mit diskontinuierlichen Texten" wie Tabellen Grafiken bei deren Erstellung und Auswertung steht hier im Vordergrund. Weiterhin soll das Ergebnis als Anweisungstext zusammengefasst werden. Bewertung Die Konvektion dominiert bei W rmeaustausch wenn fl ssige oder gasf rmige Isolatoren verwendet werden sollen. Dies kann durch kleinmaschiges Einschlie en verhindert werden. Beispiele sind Styropor (Polystyrolschaum mit Luft) Neopren (Teflon-Schaum mit Wasser) und im trockenen Bereich Steinwolle Fell oder Wollpullover. Der Versuch ist ein gutes Beispiel f r Isolierungsma nahmen wie sie zum Schutz bei Havarien Unf llen und Katastrophen sowie beim Energiesparen und zum Umweltschutz wie auch zu rein technischen Zwecken n tig sind. Materialien Quellen CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th Edition CRC Press ISBN 0-8493-0484-9 Gerthsen-Kneser-Vogel: Physik 15.Aufl. Springer-Verlag Wikipedia www.wikipedia.de Aufgabenkonstruktion: http://www.gy-mi.de/medialib/PISA/Publikation PISA macht Schule.pdf Station 4: Das Titanic-Experiment Seite 2 von 14 D.Kaack Li Didaktische Werkstatt Natur und Technik 7-10 1. Veranstaltung Aufgabenkultur Das Titanic-Experiment Abk hlung im Eiswasser Leistungsbewertung oder nicht Die Aufgabe kann als Lern- oder Pr fungsaufgabe genutzt werden. Es gibt gestufte Lernhilfen. Die Aufgabe sollte m glichst ohne diese Hilfen bearbeitet werden k nnen. Bei Verwendung der Hilfen die z.B. auf K rtchen angeboten werden k nnen ist die Qualit t der Bearbeitung gestuft geringer zu bewerten wenn die Aufgabe bewertet wird. Dies gilt in besonderem Ma e f r die Karten D. Aufgabe als Forschungsauftrag Ein Mensch soll m glichst lange in Eiswasser berleben k nnen. Finde heraus mit welcher Kleidung er die kritische K rpertemperatur von 28 C m glichst sp t erreicht. berpr fe dabei welche Rolle die Konvektion und die W rmeleitung spielt und erkl re so die Ergebnisse. Die Dose soll das Modell eines Menschen sein. Daher soll sie am Anfang jedes Versuchs mit 1 Liter Wasser gef llt sein das genau 37 C hat. Stelle deine Ergebnisse als praktische Richtlinien f r Schiffbr chige zusammen. Aufgabe als Egg Race Wettbewerb Finde eine Methode einen Menschen m glichst lange in Eiswasser berleben zu lassen. Die Isolierungsschicht darf maximal 1cm dick werden. Das Leben ist bei einer K rpertemperatur von 28 C bedroht. Die Dose soll das Modell eines Menschen sein. Daher soll sie am Anfang jedes Versuchs mit 1 Liter Wasser gef llt sein das genau 37 C hat. Ziel ist es eine m glichst lange Abk hlzeit bis 28 C zu erreichen. Vorgaben Nach Bedarf kann die Dose bekleidet" werden und durch eine T te kann man einen Trockenanzug" simulieren. Auch interessiert nat rlich nasse Kleidung. Wir ben tigen einen Eimer mit Wasser das stabil bei 0 C bis maximal +5 C gehalten wird. Baue dies auf. Definiere zuerst was du unter gut isolieren" verstehst. Lege dann fest wie du dies messend berpr fen und auswerten kannst. Untersuche jetzt die Verh ltnisse ohne und mit verschiedenen Kleidungsvarianten. Auswertung Vergleiche die aufgenommenen Temperaturkurven und beantworte folgende Fragen: 1. Beschreibe die Gr nde sehr genau f r jeden Versuchsteil: Die Bedeutung der W rmeleitung Konvektion und W rmestrahlung f r den W rmeaustausch. 2. Plane Experimente um diese Begr ndungen zu berpr fen. F hre sie durch und protokolliere die Experimente. In der W rmelehre ist die Energie bertragung ein wichtiges Thema. Hier geht es um die drei Ausbreitungsarten der W rme: W rmeleitung Konvektion und W rmestrahlung. In diesem Experiment soll der W rmetransport von der Dose (Mensch-Modell) ins Wasser erschwert werden. Dazu kann man alle drei Ausbreitungsarten im Auge haben. Man wird aber feststellen dass eine Form das Geschehen beherrscht. Diese gilt es zu erschweren. Den gesamten Vorgang nennt man isolieren. Es gilt also die beste W rmeisolation in Wasser zu finden. Station 4: Das Titanic-Experiment Seite 3 von 14 D.Kaack Li Didaktische Werkstatt Natur und Technik 7-10 1. Veranstaltung Aufgabenkultur Das Titanic-Experiment Abk hlung im Eiswasser Das Titanic-Experiment oder Abk hlung im Eiswasser Lehrerinformation Einleitung Nach einem Schiffsungl ck wie bei der Titanic-Katastrophe 1912 fallen oder springen Menschen in den eiskalten Ozean. Direkt neben einem Eisberg kann das Wasser etwa 0 C kalt sein (in der Regel aber einige Grad w rmer). In diesem Wasser lebt man nicht lange da man viel W rme verliert und die K rpertemperatur nicht halten kann. In unserem Modell wollen wir die Isolierung durch Kleidung optimieren. N herungen und Fehler Dabei vernachl ssigen wir die Tatsache dass ein K rper durch die Lebensvorg nge weiterhin W rme dazu gewinnt und somit den W rmeverlust teilweise ersetzt. Wir vernachl ssigen auch dass er in seinen Extremit ten bei starker K lte die Durchblutung abschaltet" und sie ausk hlen l sst damit die wichtige K rpermitte noch lebensf hig bleibt. Wir vergleichen den K rper mit einem Wasservolumen das ist sicher nicht ganz korrekt. Daten Die Datensammlung bildet die Grundlage f r eine angemessene physikalische Analyse der Verh ltnisse. Sie kann nur von Sch lerinnen und Sch lern genutzt werden die solche diskontinuierlichen Texte" lesen und verarbeiten k nnen und die grundlegenden Zusammenh nge und Formeln zur W rmelehre soweit beherrschen dass Aussagen gemacht werden k nnen. Diese handfesten" Daten sind ein gutes Mittel um konkrete Aussagen zu gewinnen und Behauptungen zu begr nden. Informationen zum K ltetod Diese Informationen auf dem Arbeitsblatt bilden Kontext und Hintergrund. In der Ttanic-Aufgabe vernachl ssigen wir die W rmestrahlung. Zusatzthema: Absch tzung der W rmestrahlung Hier k nnen h her motivierte Lernende ihre Bedeutung absch tzen wobei auch die sehr groben N herungen und Annahmen zu beschreiben sind. Unterrichtliche Voraussetzungen Die drei Arten der W rmeausbreitung: Konvektion W rmeleitung W rmestrahlung (IRSrahlung) Energie E W Leistung P W rme Q E W (als Energieform) Temperatur T Methoden der Temperaturmessung W rmekapazit t C spezifische W rmekapazit t c W rmeleitf higkeit Gth bei Bedarf auch die Nutzung eines Messwerterfassungssystems wie z.B. Cassy oder Pasport Station 4: Das Titanic-Experiment Seite 4 von 14 D.Kaack Li Didaktische Werkstatt Natur und Technik 7-10 1. Veranstaltung Aufgabenkultur Das Titanic-Experiment Abk hlung im Eiswasser Zeitbedarf Je nach Bedarf muss eine Doppelstunde angesetzt werden. Das Eis muss dann aber zur Verf gung stehen es d rfen gr ere Brocken sein. Der Wasserkocher und alle Ger te m ssen bereitliegen! Vorher sollte Zeit darauf verwendet worden sein das Verfahren der Messwerterfassung einzu ben. Dies ist an vielen Schulen ohnehin der Fall. Es macht Sinn vorher einmal das Anmischen von Wasser einer bestimmten vorgegebenen Temperatur ge bt zu haben. Gestellte Fragen aus der Fortbildung Wie geht man mit der Frage nach W rmeleitung und Konvektion bei der Isolierung um Das jeweilige Isoliermaterial liegt zwischen der Dosentemperatur die bei 37 C bis 25 C liegt und der Wassertemperatur die bei 0 C bis etwa 4 C liegt. Das f hrt zu einer W rme bertragung nach au en. Kann im Isolator Konvektion auftreten so spielt die Beweglichkeit des fl ssigen oder festen Materials eine Rolle sowie dessen spezifische W rmekapazit t. Wasser ist hier ungeeignet da es d nnfl ssig ist und viel Energie speichern und damit bertragen kann. Wenn es keine Konvektion im Isoliermaterial geben kann ist die W rmeleitf higkeit des Materials entscheidend. Wasser und besonders Gase sind jetzt gut geeignet siehe Tabelle. Neopren saugt sich mit Wasser voll h lt es unbeweglich fest und nutzt es als Isolator. Styropor nutzt Gasblasen heute meist Luft. Trockener Stoff isoliert sehr gut durch die Luft solange sie nicht durch Wind Konvektion erm glicht. Nasser Stoff isoliert recht gut durch das eingelagerte Wasser wenn dies unbeweglich gehalten wird. Durch Str mung kann aber Konvektion auftreten sodass dieser Effekt die Wirkung drastisch ver ndert. Gestufte Lernhilfen Lernhilfe-Karte A Das hei t gut isoliert" Gut isoliert" hei t dass die W rme schlecht also langsam vom Dosenwasser in das Eiswasser bergeht. Die Leistung (Energie bergang pro Zeit also W rmeverlust pro Zeit) muss klein sein. Lernhilfe-Karte B Herstellung von 0 C Wasser F lle den Eimer zu 3/4 mit kaltem Wasser. Gib viel Eis hinein. R hre das Eiswasser bis es h chstens +5 C hat. Sollte das Eis bei Versuchsbeginn komplett geschmolzen sein so gib weiteres Eis hinein. F lle den Eimer insgesamt so dass die Dose weit genug eintaucht. Bei gen gend Eisvorrat bleibt Eiswasser stabil bei 0 C da die Schmelzw rme des Eises aus dem Wasser entnommen wird. Lernhilfe-Karte C W rmeverlust Durch Beobachtung der Dosenwassertemperatur kann man die Abnahme der W rme ber die Temperaturabnahme verfolgen. Achtung: W rme ist eine Energieform ( W rmemenge") bitte nicht mit Temperatur verwechseln! W rme Q oder E misst man in Joule (J) Temperatur T in Kelvin (K) oder Temperatur in Grad Celsius ( C). Der W rmeverlust ist ein Energieverlust. Die Energieabgabe pro Zeit ist eine Leistung P gemessen in Watt (W). Dabei sinkt dann auch die Temperatur. Station 4: Das Titanic-Experiment Seite 5 von 14 D.Kaack Li

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