Wolltet ihr auch schon immer eine gute Ausrede haben, um im Physikunterricht ein Überraschungsei zu essen, dann probiert doch einmal dieses lustige Experiment aus. Dafür brauchst du nur einen einfachen Faden, ein Feuerzeug, eine Nadel, den Korken vom Vorabend und den Star des ganzen Experiments: DAS ÜBERRASCHUNGSEI
Der erste und wichtigste Schritt ist erst die Schokolade zu essen und natürlich das Spielzeug zusammenzubauen!
2. Danach müsst ihr vorsichtig die Nadel mit dem Feuerzeug erhitzen (bitte nur unter Aufsicht einer erwachsenen Person😉).
3. Nun müsst ihr auf beiden Seiten des Plastikeis jeweils ein kleines Loch machen.
4. Als nächstes nehmt ihr den Faden und fädelt ihn durch die zwei Löcher.
5. Jetzt müsst ihr den Korken waagrecht in das Ei legen, sodass er den Raum gut ausfüllt.
6. Wenn ihr nun das Ei zumacht und es unter Spannung senkrecht an den beiden Fadenenden haltet, sollte es sich nicht bewegen. Wenn man den Faden locker lässt, bewegt sich das Ei langsam nach unten.
Die physikalische Erklärung für Dummies:
Die Größe der Kraft, die den Faden an den Korken und an die Ränder der Löcher im Ei presst, ist proportional zu der Kraft, mit der die Hände den Faden spannen. Das heißt, je fester man den Faden auseinanderzieht, desto stärker wird der Korken an die Innenseite des Plastikeis gedrückt, die Reibung wird größer und das Ei wird langsamer oder kann sogar zum Stillstand gebracht werden.
RG≤≤ Fg
RH < Fg
(RG: Betrag der Gleitreibungskraft; Fg: Betrag der Gewichtskraft des Eis; RH: Betrag der Haftreibungskraft)
Fotocredit: Alle Fotos wurden von Jana und Pia im WPG Scienceblog selbst erstellt.
Bereits in der Unterstufe lernt man, dass ein Stromkreis aus Stromquellen und Verbrauchern* bestehen kann. Ein Beispiel für einen Verbraucher ist eine Glühlampe.
Mehrere Glühlampen kann man in einem Stromkreis beliebig anordnen, genauer gesagt in Serien- und Parallelschaltung.
Für unseren Versuch braucht man sieben Glühlampen, die man folgendermaßen (auf einem Steckbrett) anordnet:
An den beiden Schaltungen wird nun dieselbe Spannung angelegt. Es wird davon ausgegangen, dass die sieben Glühlampen gleich sind.
Wir möchten nun herausfinden, welche der beiden rechten Glühlampen (oben und unten) heller leuchtet:
A) Die obere rechte Glühlampe leuchtet heller.
B) Beide rechten Glühlampen leuchten gleich hell.
C) Die untere rechte Glühlampe leuchtet heller.
Wie findet man das heraus?
Um vorgehen zu können, müssen wir die Glühlampen als Widerstände betrachten und uns an die Formeln zur Berechnung von Widerständen in Serien- und Parallelschaltungen erinnern:
Damit wir etwas über die Spannung, die an der jeweils rechten Glühlampe anliegt, herausfinden, müssen wir zunächst den jeweils linken Teil der Schaltkreise betrachten. Außerdem nehmen wir an, dass jede Glühlampe den Widerstand x hat.
Der Widerstand des linken Teils der oberen Schaltung ist einfach x, da es sich nur um einen einzigen Widerstand handelt.
Bei der unteren Schaltung müssen wir die Formeln für die Serien- und dann für die Parallelschaltung verwenden:
Der Widerstand in der unteren Schaltung ist also auch x, das bedeutet, dass an beiden rechten Glühlampen dieselbe Spannung anliegen müsste und sie damit gleich hell leuchten müssten, es wäre also Antwort B richtig.
Nun schalten wir den Strom ein und kommen zu folgendem Ergebnis:
Die vier Glühlampen im linken Teil des unteren Stromkreises leuchten logischerweise weniger hell, da sich die Spannung in der Serienschaltung der einzelnen Stränge der Parallelschaltung „aufteilt“.
Zu Beginn leuchten tatsächlich auch die beiden rechten Glühlampen gleich hell, doch dann stellt sich heraus, dass die untere rechte Glühlampe etwas heller leuchtet als die obere.
Doch warum ist das so?
Eine Glühlampe hat innen in der „Glaskugel“ einen Glühdraht, der sich beim Leuchten erwärmt.
Dadurch, dass die linke Glühlampe im oberen Stromkreis viel heller leuchtet als die vier linken Glühlampen im unteren Stromkreis, hat diese mit der Zeit auch einen höheren Widerstand, obwohl es im unteren Stromkreis vier Glühlampen sind, diese leuchten allerdings kaum.
Und warum hat ein warmer Glühdraht einen höheren Widerstand als ein kalter?
Das ist dadurch zu erklären, dass sich, wenn der Draht (in diesem Fall durch den Stromfluss) erwärmt wird, die freien Elektronen im Metallgitter mehr zu bewegen beginnen, wodurch der Strom mehr Widerstand beim „Durchfließen“ hat.
Bei längerem Betrieb des Stromkreises ist somit Antwort C richtig.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Widerstand einer Glühlampe von der Helligkeit und der Betriebsdauer abhängt.
(*) Das Wort Verbraucher wird zwar im Alltag gerne benutzt, ist aber physikalisch nicht korrekt. Tatsächlich wird von zum Beispiel einer Glühbirne keine Energie verbraucht, sondern die elektrische Energie in eine andere Energieform (bei der Glühbirne in Wärmeenergie) umgewandelt. Korrekt wäre somit statt Verbraucher: Energieumwandler
Bislang dachte ich, Wasser könne nur bei sehr hohen Temperaturen, also über 100°C, sieden. Das stimmt aber nur unter Normaldruck (ca. 1 bar).
Grundsätzlich gilt jedoch: desto höher der Umgebungsdruck, desto höher die Siedetemperatur.
Dazu gibt es einen ganz einfachen Versuch, für den man Folgendes benötigt:
1 (Plastik-)Spritze
Leitungswasser
Im Folgenden saugt man etwas Wasser mit der Spritze an. Nun muss man die Spritze vorne zuhalten (am besten mit einem Finger) und an der Spritze hinten anziehen.
Was passiert?
Es ist zu beobachten, dass das Wasser in der Spritze zu sieden beginnt.
Doch warum ist das so?
Die Siedetemperatur eines Stoffes (nicht nur von Wasser) hängt vom Umgebungsdruck, also meistens vom Luftdruck, ab. So ist diese am Mount Everest (8848 Meter Seehöhe) geringer als an der Küste des Meeres. (Der Luftdruck nimmt mit der Höhenlage ab, da nicht mehr so viele Luftschichten von oben drücken.)
Das ist der Grund, warum man Eier in höherer Lage länger kochen muss, damit sie den gewünschten Zustand erreichen oder das Kochen am Mount Everest länger dauert als im Tal.
Dieser Effekt wird bei einem Druckkochtopf genutzt. Beim Erhitzen durch den Herd wird der Druck im Kochtopf von einem Ventil im Deckel erhöht, wodurch der Druck innen ansteigt. Damit wird eine höhere Temperatur benötigt, um das Wasser zum Sieden zu bringen, und das Essen ist schneller gar. Deshalb wird diese Art von Kochtopf auch Schnellkochtopf genannt.
In der Physik werden die drei Aggregatzustände (fest, flüssig, gasförmig) und deren Übergänge in Abhängigkeit vom Druck in einem sogenannten Phasendiagramm dargestellt.
Von Wasser sieht das beispielsweise so aus:
Auf einem solchen Phasendiagramm ist eingezeichnet, unter welchen Druck- und Temperaturverhältnissen ein Stoff (in diesem Fall Wasser (H2O)) welchen Aggregatzustand einnimmt.
An den violetten Linien sind zwei verschiedene Aggregatzustände möglich, da eine gewisse Energiemenge nötig ist, um einen Stoff zum Schmelzen oder Sieden zu bringen, ohne dass sich die Temperatur erhöht.
Nur bei einem Temperatur- und Druckzustand kann der Stoff alle drei Aggregatzustände einnehmen, dem sogenannten Tripelpunkt (Punkt, an dem sich alle drei violetten Linien schneiden). Unterhalb des Drucks des Tripelpunktes ist der flüssige Aggregatzustand nicht möglich.
Zusammenfassend ist also festzuhalten, dass der Aggregatzustand eines Stoffes nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Umgebungsdruck abhängt.
Quelle: Putz, Bruno: Faszination Physik 5 bis 6. Linz: Veritas-Verlag 2018, S. 98-99
Im Physikunterricht haben wir ein Bild gezeigt bekommen, auf welchem Holzklötze übereinander gestapelt worden sind, sodass der oberste über dem Rand des untersten Klotzes gestapelt war. Wir wurden gefragt, ob das funktioniere und durften es selbst zuhause ausprobieren.
Durch einen Tipp wurde die Antwort klar: mit der harmonischen Reihe!
Die harmonische Reihe kommt aus der Mathematik und hat die Form
n…Anzahl der Bücher
Man kann z.B. 5 Bücher nehmen (wobei 5 die Mindestanzahl für den Versuch ist, man kann so viele Bücher nehmen wie man will) und das zweite unter das erste im Abstand 1/n der Buchlänge legen. So geht es dann weiter, beim dritten Buch ein Drittel, beim vierten Buch ein Viertel und beim fünften Buch ein Fünftel. So steht das oberste Buch am Stapel leicht über den Rand des untersten Buches über.
Quelle: Apolin, Martin: Big Bang 5 RG, Schulbuch, öbv
