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Unterrichtsstunde: Ausdehnung von Gasen

Unterrichtsentwurf 2011 16 Seiten

Didaktik - Physik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

2. Sachanalyse
2.1 Die thermische Ausdehnung von Stoffen
2.2 Das Experiment im Unterricht

3. Didaktische Analyse
3.1 Bezug zum Bildungsplan
3.2 Vorwissen, Interessen und Motivation der Schüler
3.3 Welche Bedeutung hat das Thema für die Kinder und welche Bedeutung wird es zukünftig bekommen?
3.4 Didaktische Reduktion und Exemplarische Bedeutung
3.5 Welche Schwierigkeiten werden voraussichtlich im Zusammenhang mit diesem Thema bei meinen Schülern bedacht, bearbeitet und gelöst werden müssen?
3.6 Unterrichtsziele
3.7 Einbettung der Stunden in die Unterrichtseinheit

4. Methodische Analyse
4.1 Einstiegsphase und Problemstellung
4.2 Erarbeitungsphase
4.3 Präsentation, Reflektion und Ergebnissicherung
4.4 Transferphase

2. Sachanalyse

2.1 Die thermische Ausdehnung von Stoffen

Das Volumen und die Länge eines Stoffes sind nicht konstant. Vielmehr dehnt sich ein Körper beim Erwärmen unter Zufuhr von Wärmeenergie aus und beim Abkühlen wieder zusammen. Dies lässt sich mit Hilfe des vereinfachten Teilchenmodells erklären. Durch den Anstieg der Temperatur schwingen, bzw. rotieren die einzelnen Teilchen eines Stoffes schneller (Molekularbewegung), was einen erhöhten Abstand zwischen denselben zur Folge hat. (Beim absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin gibt es keine Molekularbewegung.) Der Stoff dehnt sich aufgrund des erhöhten Platzbedarfs aus und vergrößert seine Längen-, bzw. Volumenausdehnung. Diese ist von unterschiedlichen molekularen Anziehungskräften (van-der-Waals Kräfte, Wasserstoffbrücken etc.) abhängig. Hierdurch lassen sich die Unterschiede von Stoffen in festem, flüssigem und gasförmigen Zustand erklären.1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ausdehnung von festen Stoffen

Feste Stoffe dehnen sich beim Erwärmen in alle räumlichen Richtungen aus. Dabei unterscheidet man zwischen der Längenausdehnung in der Ebene und der Volumenausdehnung in den Raum.

Die Längenausdehnung eines Stoffes wird durch die Längenausdehnungskonstante α beschrieben und durch die Einheit 1/grad Kelvin angegeben. Sie zeigt um welchen Faktor sich ein Körper bei der Erhitzung um 1°C ausdehnt.

Längenausdehnungskonstante ausgewählter Stoffe:

Zink: 0,000026 / grad K

Eisen: 0,000013 / grad K

Aluminium: 0,00024 / grad K

Analog dazu lässt sich die räumliche Ausdehnung durch die Volumenausdehnungskonstante beschreiben. Diese gilt auch für Stoffe im flüssigen Zustand, welche keine Länge, jedoch ein Volumen besitzen.2

Ausdehnung von Flüssigkeiten

Die Volumenausdehnung flüssiger Stoffe ist 10-100 mal höher als bei Festkörpern. (z.B. Ethanol: 0,0002 / grad K). Daneben verkleinert sich durch die gleichbleibende Masse bei erhöhtem Volumen die Dichte der Flüssigkeit. In diesem Zusammenhang sei die Einzigartigkeit des Wassers zu erwähnen, seine größte Dichte bei 4°C zu besitzen. Diese Erscheinung wird auch Anomalie des Wassers genannt.3

Ausdehnung von Gasen

Die räumliche Ausdehnung von Gasen lässt sich am deutlichsten Erkennen. Dies liegt an deren deutlich höheren Volumenausdehnungskonstante . (z.B. Luft = 0,0037/grad K) Der Druck bleibt konstant, so lange man das Gas nicht, durch bspw. ein geschlossenes Gefäß, an der Ausdehnung hindert. Alle Gase dehnen sich beim Erwärmen um 1 Grad um 0,0037 ihres Volumens aus. (Gesetz von Gay-Lussac). Somit hat die Zunahme bei allen Gasen genau den gleichen Wert.4

Mit Hilfe der thermischen Ausdehnung von Stoffen lassen sich zahlreiche Phänomene oder Baumaßnahmen erklären. So sind viele Brücken beweglich auf Rollen installiert oder mit Dehnungsfugen versehen, um der sommerlichen Ausdehnung Rechnung zu tragen. Diese Fugen lassen sich auch in unseren Badezimmern zwischen den Fließen erkennen. Eine typische Anwendung der Ausdehnung von Flüssigkeiten ist das Flüssigthermometer, welches jedoch aufgrund der Anomalie nicht mit Wasser gefüllt werden darf. Das Prinzip der Gasausdehnung (kombiniert mit dem Aufsteigen warmer Luft) sorgt für den Auftrieb eines Heißluftballons.5

2.2 Das Experiment im Unterricht

Die Konzeption des forschend-entwickelnden Unterrichts basiert auf der naturwissenschaftlichen Erkenntnismethode des Experiments. Dieses induktive Verfahren ist durch einen Dreierschritt geprägt: Zunächst findet eine Problembegegnung (1.Schritt) statt. In diesem Zusammenhang wird ein Naturphänomen wahrgenommen und eine Problemfrage an dasselbe formuliert. Die Aufstellung von Hypothesen dient als Grundlage für eine geeignete Versuchsplanung. Mit Hilfe der Beobachtung und Interpretation des Versuchs kann eine Erklärung gefunden und die Vermutungen verifiziert oder falsifiziert werden. Das Problem ist gelöst (2.Schritt) Die neuen Erkenntnisse können nun auf weitere Naturerscheinungen oder in der Technik angewandt werden. (3.Schritt)6

3. Didaktische Analyse

3.1 Bezug zum Bildungsplan

Die Auseinandersetzung mit der thermischen Ausdehnung der Luft ermöglicht eine grundlegende naturwissenschaftliche Bildung, die für die Lebensbewältigung in unserer Gesellschaft unerlässlich ist.7

Konzeptionell basiert die Unterrichtstunde auf der naturwissenschaftlichen Erkenntnismethode und regt dadurch zum forschenden und entdeckenden Lernen an.8 Die Problemstellung, des in der Sonne geplatzten Reifens, aus der Erfahrungswelt der Kinder schafft einen Zugang in das Phänomen und veranlasst sie zur Hypothesenbildung.9 In unmittelbarer Begegnung mit der unbelebten Natur führen die Schüler selbstständig Versuche durch und ermitteln Ergebnisse, die ausgewertet und zur Lösung der Problemstellung herangezogen werden. Dabei entwickeln sie Grundfertigkeiten der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung.10 Diese ermöglichen eine „aktive Mitbestimmung und Mitgestaltung der naturwissenschaftlich und technisch geprägten Welt.“11 Weiterführend erwerben die Schüler im Rahmen der selbstständigen Durchführung des Versuchs typische Arbeitsweisen wie Beobachten, Analysieren, Experimentieren, Untersuchen aber auch Bewerten und Dokumentieren der Ergebnisse.12 Dabei steht die Beobachtung der wärmebedingten Volumenänderung eines Luftballons und dessen Interpretation im Vordergrund. Durch die praktisch handelnde Erfahrung mit der thermischen Luftausdehnung und spätere reflektierte Auseinandersetzung entwickeln sie ein bewusstes und differenziertes Verhältnis zu ihrer Umwelt.13

Die Auseinandersetzung mit der Wärmeausdehnung von Gasen trägt zum Erwerb folgender Kompetenzen bei:

Themenfeld: Wärme verändert

Die Schülerinnen und Schüler können

- den Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften von Stoffen und Werkstoffen untersuchen.

Inhalte:

- Ausdehnung von Stoffen.14

3.2 Vorwissen, Interessen und Motivation der Schüler

Die schulische Auseinandersetzung mit der thermischen Ausdehnung von Stoffen stellt für die Schüler keine erste Begegnung mit derselben dar. Vielmehr konnten sie im alltäglichen Leben Erfahrungen mit dem Phänomen sammeln und sich dadurch subjektive Theorien aneignen. Gerade bei warmen Temperaturen im Sommer oder in den letzten Wochen sind aufgeblähte Fahrradreifen zu beobachten, die gegebenenfalls sogar zum Platzen kommen können. Auch im Schwimmbad wird der mitgebrachte Wasserball in der Mittagssonne weitaus praller, als er nach dem Aufblasen war. Die umgekehrte Volumenausdehnung lässt sich im Winter beobachten. Aufgrund der niedrigen Temperaturen dellen sich bspw. PET-Flaschen ein, da das Gas weniger Raum benötigt. Im Unterricht gilt es diese möglichen Erfahrungen aufzugreifen, Vorstellungen zu verifizieren oder falsifizieren und gegebenenfalls Neue aufzubauen.

[...]


1 vgl. Dorn/Bader. Physik - Mittelstufe, S.116-119.

2 Vgl. Dorn. Physik, S.92,93.

3 vgl. ebd., S.,94,95.

4 vgl. ebd., S.95,96.

5 vgl. Götz/Raaf. Physik, Chemie, S.20-22.

6 vgl. Das Seminarbuch für den Unterricht an der Hauptschule

7 vgl. Bildungsplan WRS 2010, S.112.

8 vgl. ebd., S.112.

9 vgl. ebd., S.112.

10 vgl. ebd., S.112.

11 ebd., S.112.

12 vgl. ebd., S.112.

13 vgl. ebd., S.113.

14 vgl. ebd., S.114.

Details

Seiten
16
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656084525
ISBN (Buch)
9783656085812
Dateigröße
471 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v182069
Institution / Hochschule
Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (GWHS) Albstadt
Note
1,5
Schlagworte
unterrichtsentwurf ausdehnung gase

Autor

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Titel: Unterrichtsstunde: Ausdehnung von Gasen