Physik der GeysireDr. Christian Reimers
Faculty of Earth Sciences, Geography and Astronomy
University of ViennaAustria
Christian Reimers, Universität Wien
Einleitung und VorbereitungsphaseKurzbeschreibung: Die Erde besitzt einen heißen Kern
und glutflüssigen Mantel auf der die Erdkruste liegt. Durch Konvektionsbewegungen entsteht Plattentektonik und Vulkanismus. An Stellen, an denen das Magma bis nahe an die Oberfläche reicht, können sich Geysire bilden, deren Funktionsweise sich mit anschaulichen Experimenten und physikalischen Hintergründen erläutern lassen.
Schlagworte: Erdaufbau, Geothermie, Erdwärme, Geysire, Vulkanismus, Wärmelehre, Clausius-Clapeyron-Gleichung, Dampfdruckkurve, Siedepunkt, P-T-Diagramm
Zielgruppe: SchülerInnen, Informelle LernendeAlter: 12-15Zuordnung: Physik (Wärmelehre), ErdkundeBenötigte Zeit: 2 x 50 min (mehr, falls ein Besuch in
einem Science Center geplant ist)
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Technische Voraussetzungen: PC, Internetverbindung, evtl. Physiklabor
Hintergrund des Autors: Lehrveranstaltungsleiter für Physik für Erdwissenschaften
Lehrplanbezug: Thermodynamik, Struktur der ErdeLernziele:
Verhalten von Wasser abhängig von Temperatur und Druck Naturphänomene mit physikalischen Konzepten untersuchen Eigenständige Untersuchungen durchführen Verfassen eines wissenschaftlichen Berichts
Anleitung für die Vorbereitung: Organisation einer Exkursion zu einem Science Center mit hands-on Aktivitäten zu Vulkanismus und Geysiren
Einleitung und Vorbereitungsphase
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Lehrphase 1: Fragen hervorrufende AktivitätenNEUGIER WECKEN
> Lehrperson: Präsentiert und zeigt Materialien, um Neugier zu wecken
Bilder / Videos von Vulkanen und Geysiren
Höchste Fontänen und andere interessante Daten
Arten vulkanischer Aktivität: Supervulkane, etc.
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Lehrphase 1: Fragen hervorrufende Aktivitäten DEFINITION VON FRAGEN ZUM DERZEITIGEN WISSENSSTAND
> Lehrperson: Präsentiert Fragestellungen entsprechend dem derzeitigen Wissensstand
Wo findet man Vulkane und/oder Geysire?Wie ist die Struktur der Erde?Welche Mechanismen können Vulkanismus und Geysire
erklären?Welche physikalischen Prozesse sind beteiligt?Was weiß man über Vulkanismus auf anderen Planeten oder
Monden im Sonnensystem?
> Studierende: Sammeln Daten von den vorangegangenen Präsentationen und versuchen eine Verbindung zu oben gestellten Fragen zu finden
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Lehrphase 2: Aktive UntersuchungenVORSCHLAG VORLÄUFIGER ERKLÄRUNGEN ODER HYPOTHESEN
> Lehrperson: Bereitstellen notwendiger Materialien (Referenzen) um eine Erklärung der Fragen zu ermöglichen; Leitung der Studierenden, um eine korrekten Lösungsansatz zu finden
Verhalten von Wasser abhängig von der Temperatur: solid, fluid, gas
Temperaturgradient in der Erdkruste
Wasserzyklus: Grundwasser; Woher kommt es?
> Studierende: Untersuchung von Materialien und Erstellung von Präsentationen mit möglichen Lösungen und Erklärungen und Präsentation vor den anderen
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Lehrphase 2: Aktive Untersuchungen PLANUNG UND DURCHFÜHRUNG EINFACHER UNTERSUCHUNGEN
> Studierende: Suche nach physikalischen Konzepten über Vulkanismus und Geysire
Physikalisches Konzept: „Physik in interessanten Kontexten“ von Rainer Müller, Seite 39ff. „Der Ausbruch eines Geysirs“ http://www.uni-kiel.de/piko/downloads/Physik_in_interessanten_Kontexten_RMueller.pdf
Experimente: „Versuchsbericht zum Thema: Schweredruck in Flüssigkeiten“ http://www.didaktik.physik.uni-duisburg-essen.de/veranstaltungen/soe/versuchsberichte/WS0809/Berichte/Versuchsbericht%20Schweredruck.doc
> Studierende: Beobachtete Vorgänge wiederspiegeln und dokumentieren
> Lehrperson/Studierende: Vorbereitung eines Experiments im Physiklabor oder einem Besuch in einem Science Center mit hands-on Aktivitäten zu Vulkanismus und Geysiren
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Lehrphase 3: ErstellungSAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Lehrperson/Studierende: Durchführung eines Experiments eines Geysir-Modells im Physik-labor und Messung von Temperatur und Druck
Instruktionen: “Experiment Geysir“: Betriebsanleitung http://www.exphys.jku.at/didaktik/Lehre/Skripten/LA_2007/BA_Geysir.pdf
Geysir-Modell: „Druckabhängigkeit des Siedepunkts“ http://vorsam.uni-ulm.de/Versuche/TH/PDF/TH080V00.PDF
> Lehrperson/Studierende: oder ...2011
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Lehrphase 3: ErstellungSAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)
Themen über erneuerbare Energien:
Gehe zum Bereich Geothermal-Energie ...
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Lehrphase 3: ErstellungSAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)Erdkugel zum Öffnen
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Lehrphase 3: ErstellungSAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)Modell von Magmakammern (‘Plumes’) und vulkanischer Aktivität
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Lehrphase 3: ErstellungSAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)Experiment eines Geysirs
> Studierende: Erstellung eines Protokolls der Beobachtungen und physikalischen Messungen
Der Geysir startet bei:einer Temperatur von ca. 103° Celsius und einem Überdruck von 0.15 bar
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Lehrphase 4: DiskussionERKLÄRUNG BASIEREND AUF DEN BEWEISEN
> Studierende: Analysieren der Daten und Diskussion dieser mit den anderen
Verhalten von Wasser: Sieden, VerdampfenPhasenübergänge, Clausius-Clapeyron-Relation
Druck, Temperatur
Siedepunkt Druck
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Lehrphase 4: DiskussionÜBERLEGUNG ANDERER ERKLÄRUNGEN
> Lehrperson: Fragen, ob andere Erklärungen möglich sind
Geysire oder Wasser-Fontänen ohne Hitze: Kalt-Wasser-Geysire mit CO2, kohlendioxid-getrieben
(z.B. Andernach, Deutschland) Künstliche Fontänen mit Pumpen Wasser-Hydrant (Wasserversorgung) Verbundene Gefäße
> Studierende: Überlegungen und Diskussion darüber
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Lehrphase 5: ReflektionKOMMUNIKATION DER ERKLÄRUNGEN
> Studierende: Schreiben eines wissen-schaftlichen Berichts über den physikalischen Aspekt eines Geysirs: Phasen einer Eruption, P-T-Diagramm; Verwendung von Richtlinienfür die Verfassung wissenschaftlicher Berichte: <<Guidelines for Writing a Research Report Version2.1.pdf>> (in Englisch)
Struktur (Titel, Abstract, Einleitung, etc.)
Layout (Schriftart, Überschriften, Auflistungen, etc.)
> Lehrperson: Bewertung und Diskussion der wissenschaftlichen Berichte als Referee und Leitung der Studierenden, um den überprüften Bericht im Lernmanagementsystem der Schule zu publizieren
> Studierende : Erstellung von Quiz und Fragen für eine Selbstüberprüfung und Veröffentlichung2011
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NACHFOLGENDE AKTIVITÄTEN UND MATERIALIEN
Datenblätter / DatenbankenQuiz / TestsAnimationen / SimulationenTutorialsHilfsreiche LinksAdressen (WELIOS, …)Weitere Experimente
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