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Wärmelehre

 

Hier findest du alle Inhalte zur Unterrichtseinheit.


Inhalt - Wärmelehre

 

Arbeitsblatt – Temperaturen messen

Das Teilchenmodell (Kugelmodell)

Der Ölfleckversuch

Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen

Thermometerskalen (1)

Flüssigkeiten erwärmen und abkühlen (2)

Temperatur im Teilchenmodell

Temperatur und Energie

Was ist Energie?

Thermometerskalen (2) - Die Kelvinskala

Wann siedet Wasser?

Feste Köper erwärmen und abkühlen (1)

Anwendung: Temperaturausdehnung bei Brücken

Feste Köper erwärmen und abkühlen (2)

Gase erwärmen und abkühlen

Die Anomalie von Wasser

Wärmetransport (1) - Wärmeleitung / Wärmedämmung

Wärmetransport (2) - Wärmemitführung (Konvektion)

Wärme speichern (1)

Wärme speichern (2)

Wärmetransport (3) - Wärmestrahlung

 

Physik: Skriptsammlung

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert.


Hinweis zur Printausgabe (ISBN 978-3-744-873949): Bitte Korrekturhinweise beachten 

Korrekturen (Skript-Wärmelehre)

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung der Grundlagen der Thematik und stellen den Stoff inhaltlich zusammenhängend dar. Den Schülern soll die Struktur der physikalischen Themenbereiche somit im Rahmen des Physikunterrichts der Mittelstufe deutlich vermittelt werden.




Aufgaben:

1) Auf Folie [01] sind vier Wärmequellen genannt. Nenne fünf weitere Wärmequellen.
2) Was ist die wichtigste Wärmequelle für uns Menschen? Begründe deine Entscheidung.
3) Für die Änderung des Aggregatzustands eines Körpers haben wir Fachbegriffe notiert. Nenne jeweils den Fachbegriff und ein Beispiel aus dem Alltag bei dem dieser Übergang zu beobachten ist.
4) Es gibt verschiedene Thermometertypen. Nenne einige Beispiele und nenne den jeweiligen Einsatzort. Worin unterscheiden sie sie sich?


Aufgaben:

1) Wozu benötigen wir eigentlich Thermometer? Wir haben doch ein Temperaturempfinden.
2) Bis zur nächsten Physikstunde sollen die Frühtemperaturen ermittelt werden. Gehe dafür morgens auf den Balkon oder in den Garten. Ermittle zunächst einen Schätzwert und überprüfe ihn dann mit einem Thermometer. Notiere deine Ergebnisse eine Woche lang.
3) Die Temperatur einer Kerzenflamme oder einer Heizplatte in der Küche sollte man nicht mit dem Temperaturempfinden ermitteln. Der Körper würde mit großen Schmerzen darauf reagieren. Warum ist das gut, dass unser Körper so reagiert?

Seifenblase einfrieren [1:51]

Der Winter 2018 machte es möglich!

Eine einfache Seifenblase wird am 27. Feb. 2018 bei -10°C in Kaiserslautern eingefroren.

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Aufgaben:

1) Zwei verschieden Gase werden in einen abgeschlossenen Raum eingeleitet. Beide Gase vermischen sich ganz von selbst, warum ist das so? Erkläre mit Hilfe der Aggregatzustände.
2) Ein Stück Metall soll verformt werden. Dazu muss man es erst erhitzen. Dadurch geht es viel leichter. Warum ist das so?
3) Was genau ändert sich für die Teilchen eines festen Stoffes bei steigender, bzw. sinkender Temperatur?
4) Was genau ändert sich für die Teilchen eines flüssigen Stoffes bei steigender, bzw. sinkender Temperatur?

Hintergrundinformationen - Geometrie: Der Zylinder [4:21]
Die Volumenformel

Die Volumenformel eines Zylinders wird anschaulich hergeleitet. Anschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Beispiel vorgerechnet.


Aufgaben:

  1. Was genau möchte man mit dem Ölfleckversuch eigentlich herausfinden?
  2. Heute gibt es für viele Dinge doch sehr genaue Messmethoden. Warum ist der Ölfleckversuch trotzdem so interessant für uns, gerade in der Schule?
  3. Warum benötigt man eigentlich das Wasser in diesem Versuch?
  4. Beim Versuch werden Bärlappsporen auf die Wasseroberfläche gegeben. Was ist der Grund dafür?

Wärmelehre: [8:46]

Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

Gezeigt wird zunächst die Ausdehnung von Wasser bei Temperaturerhöhung. Weiterhin werden anschließend drei verschiedene Flüssigkeiten erwärmt und die Ergebnisse präsentiert. Die Anwendung der Ergebnisse bei der Festlegung der Celsiusskala wird als Anwendung erläutert.


Aufgaben:

  1. Getränkeflaschen sind nie völlig bis zum Rand befüllt. Welchen Grund könnte das haben?
  2. Der Benzintank eines Fahrzeugs sollte nie ganz aufgefüllt werden, das gilt besonders im Sommer. Warum muss man hier besonders vorsichtig sein?
  3. Wenn du Wasser in ein Trinkglas füllst und es dann erwärmst (z.B. von 20°C auf 50°C), dann ist „eigentlich“ kein Anstieg des Wasserstands im Glas zu beobachten. Beim Versuch konntest du aber die Volumenänderung deutlich erkennen. Was ist der Grund dafür?


Aufgaben:

  1. Beschreibe den Aufbau und  die Funktionsweise eines Flüssigkeitsthermometers.
    Beschreibe die Vorgehensweise zum Bau eines Flüssigkeitsthermometers. Mit dem Thermometer sollen Temperaturen im Bereich von -10°C bis 100°C gemessen werden.
  2. Die Temperaturangaben in Deutschland und den USA unterscheiden sich deutlich. Was ist der Grund?
  3. Schau dir die "Bildergalerie - Thermometer" an. In Abbildung 1 sind verschiedene Thermometer dargestellt. Beschreibe sie, nenne drei Unterschiede und drei Gemeinsamkeiten. Die Steighöhe der Flüssigkeiten in den Thermometern ist verschieden, sie zeigen aber trotzdem die gleiche Temperatur. Wie kommt das?
  4. In Abbildung 2 siehst du auch ein Thermometer. Das ist ein „Galileo-Thermometer“. Auch das ist ein Flüssigkeitsthermometer. Wie funktioniert es?


Bildergalerie: Thermometer





Aufgaben:

  1. Du willst einen Liter Wasser zum Kochen bringen. Wie kannst du vorgehen? 
    a) Nenne drei verschiedenen Möglichkeiten.
    b) Was ist bei deinen verschiedenen Möglichkeiten jeweils die Energiequelle?
  2. Nenne fünf Energieformen und jeweils mindestens ein Beispiel dazu.
  3. Die Einheit der Energie wurde nach einem englischen Physiker benannt. Wer war das, wann lebte er und wo wurde er geboren?
  4. Kann Energie „verloren“ gehen? Beschreibe deine Überlegung an einem Beispiel und erläutere deine Antwort genau.
  5. Was ist der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur?
  6. Beschreibe den Unterschied zwischen Wärme und Temperatur anhand der folgenden Überlegung:
    Erstens: Du erhitzt einen Liter Wasser mit einem Tauchsieder von 20°C auf 30°C. (Anschließend hat das Wasser die Temperatur von 30°C.) 
    Zweitens: Du erhitzt zwei Liter Wasser mit dem gleichen Tauchsieder ebenfalls von 20°C auf 30°C. (Anschließend hat das Wasser ebenfalls eine Temperatur von 30°C.)
    Frage: Haben wir dafür aber auch die gleiche Energie benötigt? Welcher entscheidende Unterschied ist bei dem Versuch festzustellen?
  7. Zwei Liter Wasser werden vermischt. Der eine Liter Wasser hatte zunächst eine Temperatur von 20°C, der zweite Liter Wasser dagegen eine Temperatur von 50°C. Was kannst du über die Temperatur und die Energie bei diesem Versuch sagen?

Querverweis: Siehe auch → Themenseite: Energietechnik

Infos zum Thema:

Energieformen umwandeln





Aufgaben:

1) Welche Besonderheit hat Wasser, die andere Flüssigkeiten normal nicht haben?

2) Was bedeutet das Wort „Anomalie“?

3) Eigentlich gibt es sogar zwei Anomalien beim Wasser. Recherchiere! Welche zwei Eigenschaften sind beim Wasser so außergewöhnlich und welche Konsequenzen hat das in unserem Alltag?

4) In einem der zugeordneten Videos zu diesem Thema wird die Anomalie des Wassers durch genauere Betrachtung  der Wassermoleküle im flüssigen und festen Zustand beschrieben. Schau dir das entsprechende Video an und erläutere schriftlich das Zustandekommen der Anomalie des Wassers.

 




Aufgaben:

  1. Im Winter zieht man sich "eine warme Jacke" an. Ist die Jacke wirklich "warm"? Was ist der Grund dafür, dass die Jacke ihre Funktion erfüllt? Erläutere!
  2. Aus welchem Grund werden Häuser "isoliert"? Das kostet ja auch viel Geld! Ist das sinnvoll?
  3. Ordne die folgenden Materialien nach ihrer Eigenschaft Wärme zu isolieren: Holz, Styropor, Eisen, Luft, Messing, Stickstoff, Glaswolle, Aluminium
  4. Die Griffe eines Kochtopfes oder der Kochlöffel bestehen sehr oft aus Kunststoff oder Holz. Was ist der Grund dafür?
  5. Für Gebäudefenster verwendet man heute die sogenannte "Doppelverglasung". Wie ist ein solches Fenster aufgebaut und warum? Erläutere! 
  6. Auf der Folie zur "Wärmeleitung" ist das Bild eines Bauteils auf einem Computer-Mailboards abgebildet. Warum sieht das Bauteil so aus? Welchen Zweck erfüllt es?
  7. Im Winter sieht man oft, dass sich Vögel "aufplustern". Was ist damit gemeint und warum tun sie das? 
  8. Auch beim Kühlschrank spielt die Wärmeleitung eine wichtige Rolle - Welche?
  9. Nenne vier Beispiele bei denen eine gute Wärmeleitfähigkeit wichtig ist und vier bei denen man das Gegenteil benötigt.


Aufgaben:

1) Auf der Folie zur Wärmemitführung siehst du den Aufbau einer Heizungsanlage. Beschreibe genau die Funktionsweise und wie dadurch die Wohnräume beheizt werden.

2) Im Lateinischen heißt das Wort "convector": >Reisegefährte<. Kannst du erklären wie das mit unserem physikalischen Fachbegriff >Konvektion< zusammenhängt?

3) Was ist eine "Weihnachtspyramide und wie funktioniert sie? 

4) Gebäude können auch durch die sogenannte "Fernwärme" beheizt werden. Recherchiere und erkläre wie das funktioniert. 

5) In der Heizungsanlage auf der Folie ist ein "Ausgleichsgefäß" abgebildet. Welchen Zweck hat es? (Denke dabei an die Eigenschaften von Flüssigkeiten bei Erwärmung und Abkühlung.)

6) Im Sommer sind Wohnräume oft wärmer als erwünscht, Deckenventilatoren helfen dann die Hitze leichter zu ertragen. Im Winter werden die Wohnräume durch eine Heizung erwärmt. Dabei ist aber oft am Boden der Wohnräume die Temperatur niedriger als im Rest des Raumes. Aus diesem Grund werden gerne auch Fußbodenheizungen in den Häusern verwendet. Erläutere, weshalb bei einer normalen Heizung die Luft im Bereich der Füße kälter ist und wie man hier mit Hilfe des Deckenventilators Abhilfe schaffen kann?

7) Der "Golfstrom" ist eine wichtige Meeresströmung - recherchiere und beschreibe wo sie entlang führt. Erläutere dann die Aussage des Satzes: >Der "Golfstrom" ist die Heizung Europas<! 



Aufgaben:

  1. Auf der Folie Wärme speichern (2) ist ein Versuch dargestellt. Beschreibe die Vorgehensweise. 
  2. Im Teilchenmodell zeichnen sich die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig durch bestimmte Eigenschaften aus.
    a) Welche sind das? (Informationen zum Teilchenmodell findest du hier auf der Themenseite Wärmelehre)
    b) Der Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand ist für die Teilchen in diesem Modell mit neuen Eigenschaften verbunden. Wofür wird in diesem Modell die Energiemenge der Schmelzwärme benötigt? Erläutere aus "der Sicht der Teilchen".
    c) Der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand ist für die Teilchen in diesem Modell ebenfalls mit neuen Eigenschaften verbunden. Wofür wird hier die Energiemenge der Verdampfungswärme benötigt? Erläutere wieder aus "der Sicht der Teilchen".
  3. Mache folgendes Gedankenexperiment: Wasser soll erwärmt werden (Wie im Bild auf der Folie "Wärme speichern (1)" oben). Du willst Wasser von der Temperatur 20°C auf 70°C erwärmen. Die benötigte Energie und die Temperatur des Wassers sollen in einem Diagramm für den gesamten Versuchsverlauf dargestellt werden. (x-Achse: Zugeführte Wärmeenergie in Joule [J]; y-Achse: Temperatur des Wassers in [°C]). Wie würde das Diagramm aussehen?
  4. In der Abbildung 1 siehst du das Diagramm eines Versuchs.
    Hier wurde die Temperatur von 1 kg Eis/Wasser/Wasserdampf von -100°C auf ca. 130°C erhöht. 
    a) Beschreibe die Inhalte des Diagramms.
    b) Woran kann man hier die Schmelzwärme und die Verdampfungswärme erkennen?
    c) Was ist beim Wasser größer, die Schmelzwärme oder die Verdampfungswärme?
    d) Kannst du am Diagramm die benötigte Energiemenge für die Schmelzwärme und die Verdampfungswärme ablesen? Bestimme den Wert für die Schmelzwärme und die Verdampfungswärme bei diesem Versuch.
  5. Wie würde das Diagramm aus Abb. 1 für den Versuch aussehen, wenn die Schmelzwärme von Wasser nur die Hälfte betragen würde?


Aufgaben:

1) In südlichen Ländern wird oft sehr helle Kleidung von den Menschen verwendet. Welchen Grund hat das?

2) Bei einer Zentralheizung gibt ein Heizkörper Wärme in den Wohnraum ab. Wie wird der Heizkörper selbst erwärmt und wie gibt er die Wärme wieder in den Wohnraum ab? Überlege dir hier: Welche physikalischen Prozesse sind wichtig? (Du hast verschiedene Möglichkeiten zur Übertragung von Wärme kennengelernt).

Schau dir jetzt die Bildergalerie zum Wärmetransport an:

3) In der Bildergalerie siehst du ein Bild einer Rettungsdecke aus einem Verbandskasten. Sie passt problemlos mit hinein. Sie soll hauptsächlich die Funktion erfüllen, dass sie Unfallopfer vor dem Auskühlen schützt. Wie funktioniert das?

4) In der Bildergalerie findest du den "Solarkocher Premium 11". Wie funktioniert dieses seltsame Gerät?

5) In der Bildergalerie ist eine Thermoskanne abgebildet. Dort kannst du auch ins Innere der Kanne schauen. Warum ist sie innen mit einem spiegelnden Belag ausgestattet? Erläutere die Funktionsweise der Thermoskanne.

6) Sonnenkollektoren sind ein wichtiges Hilfmittel zur Energieeinparung im Haushalt. Sie werden oft neben Sorlarzellen auf geeigneten Dächern (ohne Beschattung durch andere Häuser oder Bäume) installiert. Den Aufbau eines solchen Sonnenkollektors siehst du in der Bilderkallerie, dort ist ein solches Modul aufgeschnitten dargestellt. Recherchiere und erläutere die Funktionsweise der Sonnenkollektoren. Was ist der Unterschied zu einer Solarzelle?


Querverweis: → Themenseite Energietechnik [(07) Wärmekraftmaschinen]

Bildergalerie: Wärmetransport


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Weiterführende Links für Interessierte, "Bastler" und Fortgeschrittene:

 

Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien für den Unterricht benötigt. 


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