Die Experimente

Für Draußen:
Die Sonne suchen
Die Sonnenwärme im Trichter messen
"Heiße Nase"

Für Drinnen:
Wer isoliert ein Glas am besten?
Alles nur Luft
Die "Jahrmarktsturbine"
Platzmangel
Spieglein, Spieglein an der Wand
Gut geschätzt!
Wasserschichtung

Aus verschiedenen Büchern und Zeitschriften haben wir uns mit der Zeit viele interessante Experimente zum Thema Wärmelehre herausgesucht. Anhand dieser Experimente kann man einige der Wirkungsweisen der Solaranlage den Schülern näherbringen. Nebenbei lernen sie auch Dinge, die für das alltägliche Leben brauchbar sind. Beispielsweise, was wie und am besten isoliert und vieles mehr.

Hier haben wir unsere gesammelten Experimente zusammengestellt und hoffen, dass der eine oder die andere auch uns ein paar Anregungen und Tips gibt, falls er/sie auch solche Experimente "auf Lager hat".

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Die Sonne suchen

Material:
kleine Finger-Trichter aus schwarzer Pappe und Silberfolie, Augenbinden
Beschreibung:
Einigen Kindern (hängt von der Anzahl der Fingertrichter ab) werden die Auge verbunden und sie erhalten einen Fingertrichter. Diesen stecken sie sich auf den Zeigefinger und versuchen, mit der erhobenen Hand die Sonne zu suchen. Wer hat die Sonne zuerst gefunden?
Erklärung:
Die Sonnenstrahlen werden in dem Silberfolien-Trichter reflektiert und erwärmen den Finger - Vorsicht, das kann ganz schön heiß werden!
In dem schwarzen Trichter werden die Strahlen geschluckt (absobiert) und der Innenraum des Trichters wird ordentlich warm.

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Die Sonnenwärme im Trichter messen

Material:
kleine Finger-Trichter aus schwarzer Pappe und Silberfolie, Thermometer, Augenbinden
Beschreibung:
Eben haben wir die Sonne mit dem Fingertrichter gesucht und die Wärmestrahlung empfunden. Bei dem schwarzen Trichter ist die Wärmestrahlung (Emission) und das Aufsaugen (Absorption) am größten. Wir wollen die Temperatur im Trichter messen. Dies können wir noch einmal mit dem Folientrichter ausprobieren. Hierzu präparieren wir einen Fingertrichter so, dass statt eines Fingers das Thermometer in der Öffnung befestigt wird. Nun können wir wieder die Sonne suchen und gleichzeitig die Temperatur ablesen.
Auftrag für Fortgeschrittene:
Legt zwei Messkurven an, die uns zeigen sollen, wie schnell die Temperatur in den verschiedenen Trichtern ansteigt. Jeweils eine für die Daten aus einem Trichter.

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Die "heiße Nase"

Material:
Klassensatz kleiner Handspiegel, Augenbinde
Beschreibung:
Einer Versuchsperson werden die Augen so verbunden, dass die Nase frei bleibt, sie aber nichts sehen kann. Über den Verlauf des Versuches wurde ihr nichts erzählt. Die anderen Schüler bekommen einen Spiegel und versuchen, den vom Spiegel reflektierten Lichtfleck auf die Nase der Versuchsperson zu richten. Nun soll die Versuchsperson beschreiben, was sie spürt.
Erklärung:
Die Nase wird warm. Falls die Nase zu heiß wird, den Versuch sofort abbrechen!
Auf die gleiche Weise funktioniert auch ein Solarkocher / Parabolspiegel.

Draußen

Wer isoliert ein Glas am besten?

Material:
2 gleichgroße Gläser, Thermosflasche, Thermometer, Socken u.ä. Isoliermaterial
Beschreibung:
Ein Glas wird in einen Socken gesteckt. In die drei Gefäße wird gleich warmes Wasser eingefüllt. Günstige Ausgangstemperatur: 50 °C. Nach dem Einfüllen bitte noch einmal umrühren und Temperatur nachmessen, eventuell korrigieren.Jetzt wird das Speichervermögen der verschiedenen Gläser mit und ohne Isolierung verglichen.
Beobachtung:
Die Temperaturabnahme erfolgt in den drei Gefäßen unterschiedlich stark, da die Materialien unterschiedlich die Wärme halten.
Auftrag für Fortgeschrittene: Wir legen eine Messkurve an, die uns zeigen soll, wie schnell die Temperatur in den Gläsern fällt. Dazu erfassen wir die Daten zunächst in einer geeigneten Tabelle. Danach kann das Ganze als Kurve darstellen werden.
Bedeutung für die Solartechnik:
Die gewonnenen Erkenntnisse sind in die Solartechnologie eingeflossen. Als Speicherflüssigkeit bzw. Wärmetauscher verwendet man ein Glykolgemisch, das in Kupferleitungen fließt. Damit von der aufgenommenen Wärmestrahlung möglichst wenig verloren geht, werden die Rohre in einer Vakuum-Glasröhre verlegt. Das Vakuum besitzt nahezu ideale Wärmedämmungseigenschaften (Prinzip der Thermosflasche). So isoliert, gelangt die Wärmetauscher-Flüssigkeit in den Schichtenspeicher, wo sie die aufgenommene Wärme an das Brauchwasser abgibt.
Erweiterung:
Wenn man sich genügend Isoliermaterial zusammensammelt, kann auch ein Wettbewerb in der Klasse ausgetragen werden. Dazu wird die Klasse in Kleingruppen eingeteilt, die jeweils ein Glas isolieren sollen. Wer isoliert, also hält die Wärme des Wassers am besten?

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Alles nur Luft

Material:
Glaswanne oder Küchengefäß, kleine Flasche, Luftballon, heißes Wasser
Beschreibung:
Den Luftballon stülpen wir über die Flaschenöffnung. Die Flasche mit dem Luftballon stellen wir in das mit heißem Wasser gefüllte Gefäß. Was passiert?
Beobachtung:
Der Luftballon wird langsam aufgeblasen.
Erklärung:
Die kalte Luft in der Flasche wird durch das warme Wasser erwärmt und dehnt sich aus.
Wichtig:
Nicht zu heißes Wasser verwenden (Bruchgefahr!), leere Flaschen können im Kühlschrank vorgekühlt werden.

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Die "Jahrmarktsturbine"

Material:
Campingkocher, Standkolben, Gummistopfen, Glaswinkelrohr, Windrad
Beschreibung:
Den Standkolben füllen wir zur Hälfte mit Wasser und verschließen ihn mit Stopfen und Glasrohr. Das Ganze stellen wir auf den Kocher und erhitzen es. Wenn das Wasser zu sieden beginnt, halten wir das Windrad vor die Öffnung des Glasrohres und beobachten, was passiert.
Beobachtung:
Das Windrad beginnt sich zu drehen.
Erklärung:
Der Wasserdampf, der beim Sieden entsteht, wird durch die Düse des Glasrohres gepresst und treibt das Windrad an.
Wichtig:
Der Versuch kann als Modell für eine Turbine angesehen werden. Unbedingt darauf achten, dass niemand dem heißen Wasserdampf zu nahe kommt!

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Platzmangel

Material:
Tablettenröhrchen (o. Reagenzglas) mit luftdichtem Verschluss, Kerze, Drahtstück (o. Reagenzglasklammer)
Beschreibung:
Das Röhrchen füllen wir ca. 1 cm hoch mit Wasser und verschließen es. Mit dem Draht basteln wir uns eine Halterung, die wir an dem Röhrchen befestigen. Mit diesem "Henkel" halten wir das Röhrchen über die Kerze und beobachten, was passiert.
Beobachtung:
Nach  kurzer Zeit wird der Verschluss des Röhrchens "weggeschossen".
Erklärung:
Das Wasser in dem Röhrchen beginnt zu sieden und benötigt mehr Platz. Es entsteht ein Überdruck und der Verschluss wird weggedrückt.
Wichtig:
Röhrchenöffnung von Personen wegrichten. Keinesfalls fest verschlossene Gefäße verwenden (Explosionsgefahr!).

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Spieglein, Spieglein an der Wand

Material:
Spiegel, Kerze, Brettchen, schwarzes Glas, Thermometer
Beschreibung:
Den Spiegel lehnen wir senkrecht an eine Wand und stellen das Brettchen im rechten Winkel zum Spiegel auf. Hierbei müssen wir beachten, dass zwischen Brett und Spiegel ein kleiner Spalt bleibt. Nun positionieren wir die Kerze auf der einen Seite des Brettchens und das schwarze Glas auf der anderen Seite. In das Glas geben wir ein wenig kaltes Wasser und die Kerze zünden wir an.
Falls noch direkte Lichtstrahlen der Kerze auf das Glas treffen, müssen wir entweder ein größeres Brett nehmen oder Kerze und Glas anders positionieren.
Mit dem Thermometer beobachten wir die Temperatur des Wassers. Was passiert? (Es kann eine Weile dauern, bis etwas festzustellen ist.)
Beobachtung:
Langsam steigt die Temperatur im Glas an, obwohl keine Lichtstrahlen auf das Glas treffen können.
Erklärung:
Die Lichtstrahlen werden vom Spiegel reflektiert. Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel!
Wichtig:
Man muss sich genau überlegen, wie man die Kerze und das Glas positioniert. Hierbei liegen die Reflexionsgesetze zu Grunde!

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Gut geschätzt!

Material:
3 Gläser, Thermometer, warmes und kaltes Wasser
Beschreibung:
Zuerst wird eine "Versuchsperson" ausgesucht. Diese Person nimmt erst einmal das Thermometer fest in die Hand, damit die Handwärme herausgefunden werden kann. Diese Temperatur schreiben wir uns auf, damit wir sie nicht vergessen. Nun bekommt die Versuchsperson drei Gläser. In einem ist kaltes Wasser, in einem ist heißes Wasser und das letze Glas ist leer.
Nun soll die Versuchsperson in dem leeren Glas das heiße und kalte Wasser so zusammenmischen, wie sie meint, dass es genau die Handtemperatur hat. Einfach ist das nicht!
Wichtig:
Erst in Ruhe das Wasser mischen lassen und dann ganz zum Ende mit dem Thermometer die Temperatur nachmessen. Natürlich kann diesen Versuch jeder aus der Gruppe testen.

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Wasserschichtung

Material:
große Glaswanne (oder durchsichtige Plastikwanne), 2 durchsichtige kleine Flaschen, rote u. blaue Lebensmittelfarbe
Beschreibung:
Die Glaswanne füllen wir zu 3/4 mit handwarmem Wasser. Eine der beiden Flaschen muss mit eiskaltem Wasser gefüllt werden, welches wir dann mit der blauen Lebensmittelfarbe einfärben. Die andere Flasche wird mit heißem Wasser gefüllt und dieses rot eingefärbt.
Nun sind wir mit den Vorbereitungen fertig und es kann los gehen.
Vorsichtig legen wir die beiden Flaschen in die Wasserwanne. Ganz langsam öffnen wir die Flaschen, lassen die Luft "rausblubbern" und legen sie dann wieder auf den Boden.
Man kann gut beobachten, was passiert!
Beobachtung:
Das blau eingefärbte Wasser läuft regelrecht aus der Flasche raus und verteilt sich auf dem Boden. Das rote Wasser fließt auch aus der Flasche raus, steigt aber sofort nach oben und breitet sich im oberen Bereich der Wasserwanne aus. Gut zu erkennen ist auch eine Schichtung in den Flaschen.
Erklärung:
Das blaue, kalte Wasser ist etwas schwerer als das handwarme Wasser und das rote, warme Wasser ist leichter. Daher "schwebt" das eine nach oben und das andere "sackt" nach unten. Dies ist auf die Bewegung der Wasserteilchen zurückzuführen.
Je wärmer das Wasser ist, desto leichter ist es auch. Das Verhalten der Luft ist damit vergleichbar.
Wichtig:
Bei diesem Versuch kommt es darauf an, dass keine Verwirbelungen oder starken Bewegungen in das Wasser kommt, da sich die Schichten dann sofort vermischen.

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