Planetarische NebelZugänge für die Schule

Arbeitsheft

L. Bzduskova

S. Hohmann

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❇❡✇❡❣❡♥ s✐❝❤ ③✇❡✐ ✐♥❦♦♠♣r❡ss✐❜❧❡ ❋❧✉✐❞❡ r❡❧❛t✐✈ ③✉❡✐♥❛♥❞❡r✱ ❞❛♥♥ ❡♥tst❡❤❡♥ ✉♥t❡rs❝❤✐❡❞❧✐❝❤❡ ❉rü❝❦❡ ✐♥ ❞❡♥ ❡✐♥③❡❧✲

♥❡♥ ❋❧✉✐❞❡♥✳ ❉✐❡s ✐st ❜❡s♦♥❞❡rs ❣✉t ❛♥ ❞❡r ❇❡r♥♦✉❧❧✐✲●❧❡✐❝❤✉♥❣ ❛❜③✉❧❡s❡♥✱ ❞✐❡ s✐❝❤ s❡❤r ❧❡✐❝❤t ❤❡r❧❡✐t❡♥ ❧ässt✳

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✐♠ ❆❧❧❣❡♠❡✐♥❡♥ ❡✐♥❡ ❦✐♥❡t✐s❝❤❡ ✭Ekin = 1/2 mv2✮ ✉♥❞ ❡✐♥❡ ♣♦t❡♥t✐❡❧❧❡ ❊♥❡r❣✐❡ ✭Epot = mgh✮✱ ❞❡r❡♥ ❙✉♠♠❡ ✐♥

❡✐♥❡♠ ❛❜❣❡s❝❤❧♦ss❡♥❡♥ ❙②st❡♠ ❦♦♥st❛♥t ❜❧❡✐❜❡♥ ♠✉ss✳ ❉✐✈✐❞✐❡rt ♠❛♥ ❞✐❡s❡ ❊♥❡r❣✐❡s✉♠♠❡ ❞✉r❝❤ ❞❛s ❚❡✐❧✈♦❧✉♠❡♥

V ✱ s♦ ❡r❣✐❜t s✐❝❤ ❡✐♥❡ ❉r✉❝❦❣❧❡✐❝❤✉♥❣ ✭❉rü❝❦❡ ❦ö♥♥❡♥ ✐♠ Pr✐♥③✐♣ ❛❧s ❊♥❡r❣✐❡❞✐❝❤t❡♥ ❛✉❢❣❡❢❛sst ✇❡r❞❡♥✮✿

pges =ρ

2v2 + ρgh+ pst = const. ✭✶✮

●❧❡✐❝❤✉♥❣ ✶ ♥❡♥♥t ♠❛♥ ❇❡r♥♦✉❧❧✐✲●❧❡✐❝❤✉♥❣✳ ■♥ ●❧❡✐❝❤✉♥❣ ✶ tr✐tt ♥❡❜❡♥ ❞❡♥ ❦✐♥❡t✐s❝❤❡♥ ✉♥❞ ♣♦t❡♥t✐❡❧❧❡♥ ❊♥❡r❣✐❡✲

❛♥t❡✐❧❡♥ ♥♦❝❤ ❞✐❡ ●röÿ❡ pst ❛✉❢✱ ❞✐❡ ❡✐♥❡♠ ä✉ÿ❡r❡♥ st❛t✐s❝❤❡♥ ❉r✉❝❦ ❡♥ts♣r✐❝❤t✱ ❞❡r ❛✉❢ ❞❡♠ ●❡s❛♠ts②st❡♠ ❧❛st❡t✳

❉✐❡ ●röÿ❡ ρgh ❡♥ts♣r✐❝❤t ❞❡♠ ❤②❞r♦st❛t✐s❝❤❡♥ ❉r✉❝❦ ✉♥❞ ❞✐❡ ●röÿ❡ ρ/2 · v2 ❞❡♠ ❙t❛✉❞r✉❝❦✳

◆❛❝❤❢♦❧❣❡♥❞ ✇❡♥❞❡♥ ✇✐r ●❧❡✐❝❤✉♥❣ ✶ ❛✉❢ ❞✐❡ ❑❡❧✈✐♥✲❍❡❧♠❤♦❧t③✲■♥st❛❜✐❧✐tät ❛♥✳ ❆♥ ❞❡r ●r❡♥③s❝❤✐❝❤t ✐st s♦✇♦❤❧ ❞❡r

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❦❡✐t ❛❧s ❞❛s ❛♥❞❡r❡✱ ❞❛♥♥ ♠✉ss s✐❝❤ ❞❡r ❙t❛✉❞r✉❝❦ ✈❡r❣röÿ❡r♥✳ ❉❡♠❡♥ts♣r❡❝❤❡♥❞ ä♥❞❡rt s✐❝❤ ✉♥t❡r ❲❡❣❢❛❧❧ ❞❡s

✷❉✐❡ ❙❝❤❡rs❝❤✐❝❤t ❜❡③❡✐❝❤♥❡t ✐♥ ❞❡r ❙trö♠✉♥❣s❧❡❤r❡ ❞❡♥ Ü❜❡r❣❛♥❣s❜❡r❡✐❝❤ ③✇✐s❝❤❡♥ ③✇❡✐ ❙❝❤✐❝❤t❡♥ ♠✐t ✉♥t❡rs❝❤✐❡❞❧✐❝❤❡♥ ❙trö♠✉♥❣s✲❣❡s❝❤✇✐♥❞✐❣❦❡✐t❡♥✳

✸■♥ ❙trö♠✉♥❣❡♥ ♠✐t ❚✉r❜✉❧❡♥③❡♥ ❡♥tst❡❤❡♥ ❱❡r✇✐r❜❡❧✉♥❣❡♥ ✐♠ ❋❧✉✐❞✱ ✇❡♥♥ ❞✐❡ ❚rä❣❤❡✐ts❦rä❢t❡ ❣röÿ❡r ✇❡r❞❡♥ ❛❧s ❞✐❡ ❘❡✐❜✉♥❣s❦rä❢t❡✳■st ❞❛s ●röÿ❡♥✈❡r❤ä❧t♥✐s ❞❡r ❑rä❢t❡ ✉♠❣❡❦❡❤rt✱ ❞❛♥♥ ✐st ❞✐❡ ❙trö♠✉♥❣ ❧❛♠✐♥❛r✳

✻

❆❜❜✐❧❞✉♥❣ ✸✿ ❊✐♥❡ ❜r❡❝❤❡♥❞❡ ✭✒③✉s❛♠♠❡♥❢❛❧❧❡♥❞❡✏✮ ❲❡❧❧❡ ✭❈❈✵✮

❤②❞r♦st❛t✐s❝❤❡♥ ❉r✉❝❦❡s ❞✐❡ ❇❡r♥♦✉❧❧✐✲●❧❡✐❝❤✉♥❣ ✶ ❢ür ③✇❡✐ ❋❧✉✐❞❡ ③✉✿

p1 +ρ

2v21= p2 +

ρ

2v22

✭✷✮

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♥❛❝❤ ●❧❡✐❝❤✉♥❣ ✷ ❣❡r❛❞❡ ❡♥t❣❡❣❡♥❣❡s❡t③t✱ s♦♠✐t ❣✐❧t✿ p1 > p2✳

❆✉s ❞✐❡s❡♠ ●r✉♥❞ ❡♥tst❡❤❡♥ ❡✐♥ ❯♥t❡r❞r✉❝❦ ✐♥ ❞❡r ♦❜❡r❡♥ ✉♥❞ ❡✐♥ Ü❜❡r❞r✉❝❦ ✐♥ ❞❡r ✉♥t❡r❡♥ ❙❝❤✐❝❤t✳ ❉✉r❝❤ ❞✐❡

❉r✉❝❦❞✐✛❡r❡♥③ ❡♥t✇✐❝❦❡❧t s✐❝❤ ✐♥ ❜❡✐❞❡♥ ❋❧✉✐❞❡♥ ❡✐♥ ♥❛❝❤ ♦❜❡♥ ❣❡r✐❝❤t❡t❡r ❙♦❣✳ ❉❛③✉ äq✉✐✈❛❧❡♥t ❦❛♥♥ ♠✐t ▲❡r♥❡♥❞❡♥

❛✉❝❤ ❡✐♥❡ ❆r❣✉♠❡♥t❛t✐♦♥ ü❜❡r ❞✐❡ ❡♥ts♣r❡❝❤❡♥❞❡♥ ❑rä❢t❡ ❣❡❢ü❤rt ✇❡r❞❡♥✳

❉❡r ❉r✉❝❦ ✐st ❛❧s ❞❡r ❇❡tr❛❣ ❞❡r ❑r❛❢t ❞❡✜♥✐❡rt✱ ❞❡r s❡♥❦r❡❝❤t ❛✉❢ ❡✐♥❡ ❋❧ä❝❤❡ ✇✐r❦t✳ ❉❡s❤❛❧❜ ❣✐❧t ✐♥ ❞✐❡s❡♠ ❋❛❧❧✿

p1 =|F1|

A⇒ A =

|F1|

p1✭✸✮

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❉r✉❝❦ ✉♥❞ ❞✐❡ ❑r❛❢t ❞❡r ❋❧✉✐❞❡ ❣❧❡✐❝❤❣❡s❡t③t ✇❡r❞❡♥✳ ❉❛♥♥ ❣✐❧t✿

|F1|

p1=

|F2|

p2✭✹✮

⇒ |F1| · p2 = |F2| · p1 ✭✺✮

❙♦♠✐t ✐st ❞❡r ❇❡tr❛❣ ❞❡r ❑r❛❢t |F1| ❣röÿ❡r ❛❧s |F2|✳ ❉❡r ❇❡tr❛❣ ❞❡r ❑r❛❢t |F1| ✐st ✈♦♥ ❞❡r ●r❡♥③s❝❤✐❝❤t ❣❡s❡❤❡♥ ♥❛❝❤

♦❜❡♥ ❣❡r✐❝❤t❡t ✉♥❞ ❞❡r ❇❡tr❛❣ ❞❡r ❑r❛❢t |F2| ♥❛❝❤ ✉♥t❡♥✳ ❉❛ ❞❡r ❇❡tr❛❣ ❞❡r ❑r❛❢t |F1| ❣röÿ❡r ✐st ❛❧s |F2|✱ ❦❛♥♥ ❞❡r

❙♦❣ ♥❛❝❤ ♦❜❡♥ ❡♥tst❡❤❡♥✳

❉✐❡ ❞❛❜❡✐ ❡♥tst❡❤❡♥❞❡♥ ❲❡❧❧❡♥ ❤❛❜❡♥ ③✉♥ä❝❤st ❡✐♥❡ ❙✐♥✉s✲❋♦r♠✳ ❉✉r❝❤ ❞✐❡ ✉♥t❡rs❝❤✐❡❞❧✐❝❤❡♥ ❉rü❝❦❡ ✇❡r❞❡♥ ❞✐❡

❲❡❧❧❡♥ ✇❡✐t❡r ✈❡rstär❦t✱ ❜✐s ❞✐❡ ❙❝❤✇❡r❦r❛❢t ❡✐♥❡♥ s❡❤r st❡✐❧❡♥ ❲❡❧❧❡♥❦❛♠♠✹ ❡r③❡✉❣t ✉♥❞ ❞✐❡ ❲❡❧❧❡♥ ✐♥ s✐❝❤ ③✉s❛♠✲

♠❡♥❢❛❧❧❡♥ ✭s✐❡❤❡ ❆❜❜✳ ✸✮✳

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♥✐❣t ✇❡r❞❡♥✳ ■st ③✉♠ ❇❡✐s♣✐❡❧ ❡✐♥ s❝❤✇❡r❡r❡s ❛✉❢ ❡✐♥ ❧❡✐❝❤t❡r❡s ❋❧✉✐❞ ❣❡s❝❤✐❝❤t❡t ✉♥❞ ❡s ✇✐r❦t ❞✐❡ ❙❝❤✇❡r❦r❛❢t✱ ❞❛♥♥

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∆p1 =F

A=

∆ρ · g · V

A= ∆ρgh ✭✻✮

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∆p1 = ∆ρ · g · 2R ✭✼✮

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❝❤❡ ③✉ ♠✐♥✐♠✐❡r❡♥✱ ✇❡✐❧ ❛✉❢ ❞✐❡ ❖❜❡r✢ä❝❤❡♥♠♦❧❡❦ü❧❡ ❧❡❞✐❣❧✐❝❤ ❡✐♥❡ ♥❛❝❤ ✉♥t❡♥ ❣❡r✐❝❤t❡t❡ ❑r❛❢t ✇✐r❦t ✲ ✐♠ ●❡❣❡♥s❛t③

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❛♥♥❡❤♠❡♥✳ ❉❛❞✉r❝❤ ✇✐r❞ ❞✐❡ ❖❜❡r✢ä❝❤❡ ♠✐♥✐♠✐❡rt ✉♥❞ ❡s ❡♥t✇✐❝❦❡❧t s✐❝❤ ❡✐♥ ❦r❡✐s❢ör♠✐❣❡r ❚r♦♣❢❡♥✳ ❉✐❡ ❖❜❡r✢ä✲

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∆p2 =F

A= 2 ·

σ

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∆p1∆p2

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✺✼✽✛✳✮✿

σ ≈8π3V 2

3λ4✭✶✵✮

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© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Bernoulli-Effekt (Papierstreifen)

Wo kommt das vor?- Bernoulli-Effekt

Materialien: Papierstreifen (5 cm × 18 cm), Schere

Versuchsdurchführung:

1. Schneide dir mit einer Schere einen 5 cm breiten und 18 cm langen Papierstreifen zurecht.

2. Lege diesen Papierstreifen so an, dass die 5 cm lange Seite parallel in einem geringen Abstand zu deinem Mund liegt.

3. Daraufhin puste über die obere Oberfläche des Papierstreifens. 4. Was geschieht mit dem Papierstreifen, wenn sich die Luft über die

obere Oberfläche des Streifens bewegt?

Du hast bestimmt schon einmal eine wehende Fahne im Wind

gesehen! Hast du dich auch gefragt, warum diese Fahne überhaupt

weht? Auf dem Mond können Fahnen nicht wehen!

Oder hast du dich schon einmal gefragt, warum ein Flugzeug

überhaupt fliegen kann und welche Rolle dabei die Tragflügel spielen?

Beide Gegebenheiten sind auf den Bernoulli-Effekt zurückzuführen.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Bernoulli-Effekt (Papierstreifen)

Was passiert?

Wenn sich Luft über die obere Oberfläche des Papierstreifens bewegt, dann wird der Streifen nach oben gezogen.

Warum ist das so?

Am Papierstreifen bilden sich zwei Luftschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wenn

man über die obere Oberfläche pustet. Unterhalb des Papierstreifens befindet sich eine Luftschicht,

die sich kaum bewegt und oberhalb des Papierstreifens befindet sich eine weitere Luftschicht, welche

in Bewegung versetzt wird. Der Bernoulli-Effekt besagt, dass sich in beiden Schichten ein Druck

ausbildet. Die Drücke sind aber unterschiedlich! In der Schicht mit der größeren Geschwindigkeit ist

der Druck geringer als in der Schicht mit der geringeren Geschwindigkeit. (Je größer die

Geschwindigkeit, desto kleiner wird der Druck. Je kleiner die Geschwindigkeit, desto größer wird der

Druck.) Der Druck in der kaum bewegten Luftschicht wirkt nach oben und der Druck in der

bewegten Luftschicht nach unten. Da der Druck, der nach unten wirkt, kleiner ist als der nach oben

wirkende Druck, entsteht ein Sog der den Papierstreifen nach oben hebt.

Auch die Tragflügel eines Flugzeuges funktionieren nach demselben Prinzip. Dabei wird die

Geschwindigkeit der Luft unterhalb und oberhalb des Tragflügels durch die Form des Flügels

beeinflusst. Die Luft oberhalb des Tragflügels muss innerhalb der gleichen Zeit eine längere Strecke

zurücklegen, als die Luft unterhalb des Tragflügels. Damit ist die Geschwindigkeit oberhalb größer

als unterhalb. Es entsteht wieder ein nach oben gerichteter Sog.

Die Fahne weht, weil die Luft um die Fahne in zwei Luftschichten unterteilt wird, die dadurch

unterschiedliche Geschwindigkeiten erhalten. Eine Fahne auf dem Mond kann nicht wehen, weil es

dort keine Luft gibt, die den Bernoulli-Effekt verursachen könnte.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Fadenstrahlversuch (Laminare und turbulente Strömungen)

Material

Versuchsapparatur, Stativmaterial, Becherglas,

Wasser, Farbstoff, Stopfen

Wo kommt das vor? – Laminare und turbulente Strömungen

Hast du schon einmal die Strömung eines Flusses beobachtet? Dabei ist

dir bestimmt aufgefallen, dass das Wasser unterschiedliche Bewegungen

ausführt! Wenn kaum Steine im Fluss liegen, dann fließt das Wasser ohne

Verwirbelungen den Fluss entlang. Befinden sich aber sehr viele Steine

innerhalb des Wassers, dann wird die Bewegung des Wassers unruhiger

und es entstehen Wasserwirbel.

Versuchsdurchführung

1. Schließe den Zulauf zum Becherglas und fülle dieses mit

gefärbtem Wasser.

2. Fülle die PET-Flasche mit Wasser.

3. Prüfe, ob der Stopfen am Ende des dickeren Rohres so

positioniert ist, dass beim Öffnen das Wasser ins Waschbecken

abfließen kann.

4. Öffne den Zulauf und entferne behutsam den Stopfen!

5. Verändere mithilfe des Wasserhahns den Füllstand in der

Flasche.

6. Welche Veränderungen sind dir im Glasrohr, im Zusammenhang

mit dem Wasserfüllstand in der PET-Flasche aufgefallen?

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Fadenstrahlversuch (Laminare und turbulente Strömungen)

Was passiert?

Wird der Zulauf des gefärbten Wassers geöffnet und der Stopfen am Glasrohr entfernt, dann

bildet sich ein Fadenstrahl im Glasrohr aus. Die Form dieses Fadens ist vom Wasserfüllstand

der PET-Flasche abhängig. Ist die Flasche nahezu gefüllt, dann bilden sich am Anfang des

Rohres Verwirbelungen. Ist der Wasserfüllstand der Flasche gering, dann bleiben die

Verwirbelungen im Strahl aus.

Warum ist das so?

Die Geschwindigkeit des Wassers im Glasrohr wird durch den Füllstand des Wassers in der

PET-Flasche bestimmt. Je niedriger der Füllstand ist, desto geringer ist die Geschwindigkeit

des Wassers. Bei geringen Geschwindigkeiten bewegt sich das Wasser laminar (ohne

Verwirbelungen), bei großen Geschwindigkeiten geht die Bewegung des Wassers in turbulente

Strömungen (Verwirbelungen) über.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Wo kommt das vor?- Schweredruck von Flüssigkeiten

Versuch: Schweredruck von Flüssigkeiten

Material:

PET-Flasche mit drei Abläufen

Bestimmt hast du schon einmal ein Bild von einem Tiefseebewohner gesehen! Diese Tiere sind sehr gut an ihre Umweltbedingungen angepasst. In der Tiefe der See herrschen sehr hohe Drücke, die von der Tiefe abhängig sind. Pro 10 Meter Tauchtiefe steigt der Druck um 1 bar. Der innere Druck in den Körpern der Tiere entspricht dem Außendruck ihrer Umgebung. Ein Mensch kann solchen Bedingungen nur mit einem Pressluftgerät trotzen. Dieses Gerät stellt ihm Luft zu Verfügung, die den gleichen Druck besitzt wie seine Umgebung.

Versuchsdurchführung:

Prüfe, ob die Abläufe geschlossen sind!

Fülle die Flasche mit Wasser und platziere sie so, dass das Wasser in ein Waschbecken ablaufen kann. Öffne die Abläufe.

Beschreibe die drei Wasserstrahlen an den Abläufen!

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Schweredruck von Flüssigkeiten

Was passiert?

Der Strahl am unteren Ende der PET-Flasche ist am stärksten ausgeprägt, wohingegen die Ausprägung der Wasserstrahlen mit der Höhe abnimmt.

Warum ist das so?

Aufgrund des Gewichtes des Wassers herrscht ein Schweredruck auf der Wassersäule in der PET-Flasche. Je höher die Wassersäule ist, desto größer ist der Druck. Der Wasserstrahl am unteren Ende der PET-Flasche ist am stärksten, weil die Wassersäule über der Öffnung des Wasserstrahls am höchsten ist. Je größer der Schweredruck, desto größer ist die Geschwindigkeit des Wassers im Wasserstrahl.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Kelvin-Helmholtz-Instabilität

Wo kommt das vor? – Kelvin-Helmholtz-Instabilität

Material

Großes Kunststoffrohr, gefüllt mit gefärbtem Wasser und Öl

Man kann dieses Phänomen am Himmel beobachten, wenn sich zwei Luftschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei bewegen. Haben sich in den Luftschichten Wolken gebildet, dann werden die Verwirbelungen für uns sichtbar.

Dasselbe Phänomen ist auch für die Wellenbildung am Meer verantwortlich. Dort bewegt sich der Wind (Luftschicht) an der Wasseroberflächen (Wasserschicht) entlang.

Versuchsdurchführung

1. Lege die Röhre waagerecht auf den Tisch,

so dass sich die beiden Flüssigkeiten horizontal anordnen.

2. Hebe nun schnell das Ende mit dem losen Deckel an. Pass auf,

dass der Deckel sich nicht löst! 3. Was kannst du beobachten? Notiere oder zeichne deine

Feststellung!

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Kelvin-Helmholtz-Instabilität

Was passiert?

Beim Kippen der Röhre entstehen Wirbel bzw. Wellen zwischen den beiden Flüssigkeitsschichten.

Warum ist das so?

Durch das Kippen der Röhre bewegen sich beide Flüssigkeiten an der Grenzfläche (Fläche zwischen zwei Flüssigkeiten) unterschiedlich schnell. Das Öl fließt zum angehobenen Ende und das Wasser fließt zum aufliegenden Ende. Das Öl (obere Schicht) ist an der Grenzschicht schneller als das blau gefärbte Wasser (untere Schicht). Dadurch entstehen ein Unterdruck in der oberen Grenzfläche der Schicht und ein Überdruck in der unteren Grenzfläche der Schicht (Erklärung in Vorversuchen). Der Druck in der Ölschicht wirkt nach unten und der Druck in der Wasserschicht nach oben. Die beiden Drücke werden so groß, dass eine Verwirbelung bzw. Wellen an der Grenzschicht entstehen.

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©L. Bzduskova, S. Hohmann

Wo kommt das vor? - Glas mit Münzen (Oberflächenspannung)

Versuch: Glas mit Münzen (Oberflächenspannung)

Material:

Glas, Wasser Münzen

Hast du dich schon einmal gefragt, warum Tropfen eine kugelförmige Form haben oder warum ein Wasserläufer auf dem Wasser laufen kann? Diese Phänomene beruhen auf der Oberflächenspannung.

Versuchsdurchführung:

Fülle das Glas randvoll mit Wasser.

Gebe nun nacheinander ein paar Münzen in das mit Wasser gefüllte Glas.

Welche Form bildet die Wasseroberfläche auf dem Rand des Glases? Nach wie vielen Münzen läuft das Wasser über?

©L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Glas mit Münzen (Oberflächenspannung)

Was passiert?

Das Wasser bildet in einem übervollen Glas einen „Wasserberg“. Dieser „Berg“ wird mit jeder dazu gegebenen Münze größer, bis der „Berg“ aufplatzt und überläuft.

Warum ist das so?

Das Wasser besteht aus Molekülen, die sich gegenseitig anziehen und Kräfte aufeinander ausüben. Innerhalb der Wassermoleküle heben sich diese Kräfte gegenseitig auf. Liegen aber Moleküle z.B. an der Luft an, dann heben sich die Kräfte, die die oberen Wassermoleküle ausüben, nicht auf. Dadurch werden die oberen Wassermoleküle auf Grund ihres Gewichtes nach innen gezogen. Sie üben also einen Druck auf die unteren Wasserteilchen aus und ordnen sich sehr dicht aneinander an. Dadurch entsteht eine „Wasserhaut“. Es bildet sich ein Tropfen (Kugel), weil alle oberen Moleküle nach innen gezogen werden. Dieses Phänomen heißt Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung ist immer bestrebt, die kleinste Oberfläche bei größtmöglichen Volumen zu bilden, weil die Moleküle auf Grund der wirkenden Kräfte regelrecht zusammen gepresst werden.

Der Wasserläufer nutzt die Oberflächenspannung des Wassers aus. Er verteilt sein Gewicht so auf seine Beine, dass er auf Grund der Oberflächenspannung getragen wird.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Wo kommt das vor?- Zwei Luftballons

Versuch: Zwei Luftballons

Material:

Versuchsapparatur mit Ventilen, zwei Luftballons

Hast du dich schon einmal gefragt, warum eine Seifenblase die Form einer Kugel hat und nicht z.B. die Form eines Würfels? Dies kann mit der Oberflächenspannung erklärt werden!

Versuchsdurchführung:

Puste den ersten Luftballon ein wenig auf.

Puste daraufhin auch den zweiten Ballon auf. Dieser sollte aber größer sein als der erste Ballon. Öffne das Verbindungsventil!

Beschreibe, was mit den Ballons passiert!

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Zwei Luftballons

Was passiert?

Der kleinere Luftballon bläst den Größeren auf.

Warum ist das so?

Die Oberflächenspannung hast du bereits im Versuch „Glas mit Münzen“ kennengelernt. Die oberen Moleküle des Wassers bilden eine „Haut“ und üben einen Druck auf die unteren Wassermoleküle aus. In diesem Versuch wurde durch die Luftballons eine „künstliche Haut“ geschaffen. Innerhalb der Gummihaut befindet sich in beiden Luftballons Luft. Auf die Luft im Inneren der Ballons wird durch die Gummihaut ein Druck ausgeübt. Der Druck in dem kleineren Ballon ist größer, weil die Luft stärker durch die Gummihaut zusammen gedrückt wird. Werden die Ballons miteinander verbunden, dann sind die beiden Ballons bestrebt, einen Druckausgleich (gleicher Druck in beiden Ballons) zu erreichen. Da der Druck im kleineren Ballon größer ist, strömt die Luft in den größeren Ballon und bläst ihn weiter auf. Würde man diesen Versuch mit zwei Seifenblasen wiederholen, die der Oberflächenspannung von Wasser unterliegen, dann würde auch die kleinere Seifenblase die Größere aufblasen.

Die Oberflächenspannung ist immer bestrebt, die kleinste Oberfläche bei größten Volumen zu bilden. Deshalb haben Seifenblasen die Form einer Kugel und nicht die Form eines Würfels, deshalb hat der kleine Luftballon in diesem Versuch den Größeren aufgeblasen.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Rayleigh-Taylor-Instabilität

Wo kommt das vor?- Rayleigh-Taylor-Instabilität

Materialien: Eiswürfel, Becherglas (länglich), kleiner Becher, Lebensmittelfarbe, Wasser, Wasserkocher, Spritze

Versuchsdurchführung:

1. Erhitze Wasser im Wasserkocher und schütte dieses Wasser in den kleinen Becher.

2. Füge ein wenig blaue Lebensmittelfarbe hinzu. 3. Fülle das längliche Becherglas mit 800 ml Wasser (Zimmertemperatur)

und färbe es gelb ein. 4. Ziehe das blau gefärbte Wasser in die Spritze (ca. 60 ml) und schichte

es vorsichtig über das gelb gefärbte Wasser im länglichen Becherglas. 5. Gebe vorsichtig 2 bis 3 Eiswürfel in das blaue, heiße Wasser. 6. Beobachte dann die Schichtung im länglichen Becherglas!

Hast du schon einmal ein Bild des Krebsnebels gesehen und dich dabei

gefragt, warum er ausgerechnet diese Form angenommen hat? Der

Krebsnebel ist ein gasförmiger Überrest eines explodierten Sternes im

Sternbild Stier.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Rayleigh-Taylor-Instabilität

Was passiert?

Das warme, blau gefärbte Wasser sinkt nach einiger Zeit nach unten. Es zieht Tropfen mit Fäden

durch das kalte Wasser.

Warum ist das so?

Wasser kann bei gleichem Volumen unterschiedlich viel wiegen. Das kochende, blau gefärbte

Wasser wiegt bei gleichem Volumen weniger als das Wasser bei Zimmertemperatur. Deswegen kann

man das warme Wasser auf das kalte Wasser schichten. Durch die Eiswürfel kühlt das warme, blau

gefärbte Wasser unterhalb der Zimmertemperatur ab und wird dadurch schwerer als das gelb gefärbte

Wasser. Auf Grund der Schwerkraft bahnt sich das blau gefärbte Wasser einen Weg durch das gelb

gefärbte Wasser. Durch die Oberflächenspannung vermischt sich das blaue Wasser nicht sofort mit

dem gelben Wasser, sondern es bilden sich Tropfen mit Fäden. Diese Schichtung wird Rayleigh-

Taylor-Instabilität genannt. Beachte die Versuche zu Oberflächenspannung!

Wenn man sich den Krebsnebel anschaut, dann hat er ebenfalls wie im Versuch Tropfen mit Fäden

gebildet. Der Krebsnebel ist bei einer Explosion eines Sterns entstanden, dabei hat sich das schwere

Material aus dem Inneren des Sterns einen Weg durch das leichtere Material (wie im Versuch)

gebahnt. Da an der Grenzschicht zwischen dem schweren und leichten Material auch eine Art von

Oberflächenspannung wirkt, haben sich dort Tropfen gebildet. Diese Tropfen ziehen Fäden mit sich,

weil sich diese auf Grund von Reibung nicht schnell genug ablösen konnten.

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©L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Infrarotastronomie (Infrarot-Strahlung)

Versuchsdurchführung:

1. Schalte den Infrarotstrahler ein.

2. Das Blatt Papier wird in einen Abstand von ca. 20 cm zum Strahler

aufgestellt und festgehalten. Das Blatt sollte den Strahler aus deinem

Blickwinkel komplett verdecken.

3. Siehe auf das Blatt! Wieviel kannst du noch von dem Licht der

Infrarotlampe erkennen?

4. Nimm dir jetzt dein Handy, stelle den Kamera-Modus ein und

betrachte wieder das Licht des Strahlers auf dem Blatt Papier. Sieh

auf das Display des Handys. Erkennst du einen Unterschied zwischen

der Betrachtung mit und ohne Hilfe des Handys?

Wo kommt das vor?- Infrarotastronomie (Infrarot-Strahlung)

Materialien: Infrarotstrahler, Papierblatt, Handy ohne IR-Filter

Die Infrarotastronomie nutzt die Infrarotstrahlung, um beispielsweise

Sterne hinter interstellaren Staubwolken sichtbar zu machen, da das

sichtbare Licht diese Wolken kaum durchdringt. In der

Infrarotastronomie werden auch „kühle“ Objekte (unter 1000 K)

beobachtet, da jeder Körper Wärmestrahlung abgibt.

©L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Infrarotastronomie (Infrarot-Strahlung)

Was passiert?

Das für uns sichtbare Licht des Strahlers wird zum Teil durch das Blatt Papier abgeschirmt. Durch die Handykamara (ohne Infrarotfilter) wird ein Teil der IR-Strahlung für unser Auge sichtbar und man kann auf dem Handydisplay den Glühdraht des Strahler bzw. das Intensitätsmaximum erkennen.

Warum ist das so?

Die Infrarotstrahlung gehört zur elektromagnetischen Strahlung, wie auch das für uns sichtbare Licht. Infrarotstrahlung nehmen Menschen in Form von Wärme wahr. Die unterschiedlichen Formen der elektromagnetischen Strahlung haben unterschiedliche Energien, die IR-Strahlung ist zum Beispiel energieärmer als das für uns sichtbare Licht. Die elektromagnetische Strahlung wird unterschiedlich stark an Teilchen gestreut (siehe Versuch zur Streuung), wobei die IR-Strahlung weniger gestreut wird als das sichtbare Licht. Aus diesem Grund durchdringt IR-Strahlung interstellare Wolken eher als sichtbares Licht. Die interstellaren Wolken bestehen zum größten Teil aus Wasserstoffmolekülen, die kaum IR-Strahlung absorbieren (siehe Versuch zur Absorption von IR-Strahlung). Diese Gründe tragen dazu bei, dass z.B. Sterne hinter solchen Wolken mit Hilfe der IR-Strahlung beobachtet werden können. Im sichtbaren Licht werden die Sterne von den interstellaren Wolken verdeckt.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Infrarotastronomie (Streuung von Licht)

Versuchsdurchführung:

1. Fülle das Aquarium mit Wasser und gebe mit Hilfe einer Spritze ca.

20 ml Milch dazu.

2. Postiere den Strahler vor dem Ende des Aquariums (siehe

Versuchsaufbau).

3. Stelle dich zuerst an das andere Ende des Aquariums. Wie sieht die

Farbe des Strahlers durch das Aquarium aus?

4. Stelle dich vor das Aquarium. Welche Farbe kannst du jetzt in dem

Wasser-Milch-Gemisch beobachten?

Wo kommt das vor? - Infrarotastronomie (Streuung von Licht)

Materialien: Strahler, Aquarium, Wasser, Milch, Spritze

Hast du dich schon mal gefragt, warum der Himmel tagsüber blau

erscheint? Wenn die Sonne am Ende des Tages untergeht, dann

erscheinen der Himmel und die Sonne am Horizont rötlich. Woran liegt

das?

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Infrarotastronomie (Streuung von Licht)

Was passiert?

Am Ende des Aquariums erscheint das Licht rot und von der Seite erscheint das Licht blau.

Warum ist das so?

Das Licht des Strahlers wird an den Milchpartikeln abgelenkt (gestreut). Das blaue Licht wird stärker gestreut als das rote, deshalb kann das rote Licht einen längeren Weg durch das Aquarium durchlaufen als das blaue Licht. Aus diesem Grund kommt das rote Licht am Ende des Aquariums an, im Gegensatz zum blauen Licht. Infrarotstrahlung wird z.B. noch weniger stark gestreut als das rote Licht, ist aber für uns nicht sichtbar.

Der Himmel erscheint für uns tagsüber blau, weil die Erde zu diesem Zeitpunkt der Sonne zugewandt ist und das blaue Licht stärker von der Atmosphäre der Erde gestreut wird. Das rote Licht kann einen längeren Weg zurücklegen als das blaue Licht und gelangt noch an die äußeren Ränder der Erde. Dort geht in diesem Augenblick die Sonne unter. Deshalb erscheinen der Horizont und die Sonne rot.

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Versuch: Infrarotastronomie (Absorption von Infrarot-Strahlung)

Versuchsdurchführung:

1. Zuerst wird eine künstliche „Wolke“ im Becherglas erzeugt.

a. Erhitze ca. 200 ml Wasser im Wasserkocher und gieße dieses

Wasser in das Becherglas.

b. Dann zünde ein Streichholz an und gebe es mit in das

Becherglas.

c. Verschließe das Becherglas mit dem Beutel mit Eiswürfeln.

Damit ist die künstliche „Wolke“ hergestellt. 2. Schalte den Infrarotstrahler ein. 3. Beobachte den Ausschlag des Zeigers am Amperemeter! Notiere den

Wert! 4. Stelle zwischen den Infrarotstrahler und die Thermosäule das

Becherglas mit der „Wolke“. 5. Welchen Wert zeigt das Amperemeter jetzt an? 6. Stelle einen mit Wasser gefüllten Becher anstatt der „Wolke“

zwischen Strahler und Thermosäule. Vergleiche den Wert mit den beiden zuvor bestimmten.

Wo kommt das vor? - Infrarotastronomie (Absorption von IR-Strahlung)

Materialien:

Gleichstromverstärker, Amperemeter, Thermosäule, Infrarotstrahler, Kabel, Becherglas, Wasserkocher, Beutel mit Eiswürfeln, Wasser, Streichhölzer

IR-Teleskope werden an sehr hohen, trockenen Standorten installiert,

wenn nicht sogar mit Flugzeugen (SOFIA) in sehr große Höhen (13.200

Meter) über den Erdboden transportiert. Einige Teleskope (Spitzer)

werden auch in den Weltraum befördert. Warum macht man sich aber

so eine große Mühe, um die IR-Teleskope auf solche Höhen zu

bringen?

© L. Bzduskova, S. Hohmann

Erklärung: Infrarotastronomie (Absorption von IR-Strahlung)

Was passiert?

Die Infrarotstrahlung des Strahlers wird durch die Thermosäule in ein elektrisches Signal umgewandelt und am Amperemeter angezeigt. Je stärker die Infrarotstrahlung ist, desto größer ist der Ausschlag (Wert) am Amperemeter. Wird das Becherglas mit der „Wolke“ zwischen den Infrarotstrahler und die Thermosäule gestellt, dann wird der Ausschlag am Amperemeter kleiner. Wird das Becherglas wieder entfernt, so wird der Ausschlag wieder größer.

Warum ist das so?

Eine Wolke besteht aus sehr kleinen Wassertröpfchen (Nebel), die sich an Schwebeteilchen in der Luft absetzen. Diese „Wolke“ wird im Versuch künstlich erzeugt. Wassermoleküle wechselwirken aufgrund ihres Aufbaus sehr stark mit der IR-Strahlung. Dieser Strahlung wird Energie durch die Wassermoleküle entzogen. Die Menge an Energie, die der Strahlung entnommen wird, hängt von der Art der Moleküle ab. Im Vergleich zu anderen Molekülen entnimmt das Wassermolekül sehr viel Energie aus der IR-Strahlung, das Wasserstoffmolekül (H2) entnimmt der Infrarotstrahlung dagegen kaum Energie. Dadurch wird ein Teil der Energie der IR-Strahlung durch Wasser aufgenommen (absorbiert). Die künstlich erzeugte „Wolke“ absorbiert ebenfalls einen Teil der Energie der Infrarot-Strahlung. Der Ausschlag des Amperemeters wird kleiner, wenn die „Wolke“ zwischen den Strahler und die Thermosäule gestellt wird.

IR-Teleskope werden auf sehr hohen Bergen aufgestellt, weil das Wasser (Wasserdampf) in der Atmosphäre die IR-Strahlung absorbiert. Dadurch gehen den Astronomen wertvolle Informationen verloren, wenn die IR-Strahlung von beispielsweise Sternen durch die Erdatmosphäre absorbiert wird.

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