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Blick auf einen der ExperimentiertischeProjektgruppe: Physikalisches Grundwissen – ein Erlebnisbericht aus der Sicht der Teamer

Teamer:
Marie Rahn, Museum für Hemmoorer Geschichte,
Jean-Loup Ringot, Freischaffender Archäogaukler
Mila Wenk, Schwedenspeicher-Museum Stade

Schiffe können bekanntlich schwimmen, obwohl sie aus Metall bestehen und Metall an sich nicht schwimmen kann. Aber wie kann das sein und womit hängt das zusammen?

Fühlen, fühlen, und noch mal fühlen!

Wie fühlt sich ein Objekt im Wasser im Vergleich zur „normalen“ Lage in der Luft an?

Man nehme einen an einem Seil befestigten Stein, einen Eimer Wasser und einen Schüler (Schülerin tut’s auch…)

Mit geschlossenen Augen lässt das Kind den Stein langsam in den Eimer absinken und ohne zu hinzusehen soll es sagen, wann der Stein ins Wasser hinein kommt. Das klappt , ohne Problem. Das Geiche geht auch anders herum, wenn der Stein aus dem Wasser heraus genommen wird.

Wird der Stein leichter im Wasser?Wieso? „Wenn der Stein im Wasser ist, fühlt er sich leichter an“ ist die Antwort, die die Kinder geben

Messen, messen und noch mal messen!

Wir wollen mehr über diese unsichtbare Kraft wissen, woher kommt sie, wie groß ist sie.

Dafür betrachten wir zuerst zwei gleich große Würfel, einen aus Edelstahl und einen aus Fichtenholz.

- „Welcher schwimmt und welcher wird sinken?“

- „Na klar der Würfel aus Stahl sinkt und der aus Holz schwimmt! Das weiß jedes Kind!“

- „Gut aber wieso?“

- „Der aus Stahl ist schwerer!“

Wir wiegen die beiden Würfel und tatsächlich der Würfel aus Stahl ist schwerer.

„Na gut dann nehmen wir einen Würfel aus Fichtenholz, der ein wenig schwerer als der aus Stahl.“

- „Welcher wird schwimmen?“

- „Der aus Holz!“

- „Wieso, er ist aber schwerer als der aus Stahl!“

- „Ja, er ist aber größer.“

- „Was ist denn nun wichtig, die Größe oder das Gewicht?“

- „Vielleicht beide???“

Wir wollen weiter forschen; wir betrachten acht Würfel von 3 cm Kantenlänge aus:

  • Fichtenholz
  • Tropenholz
  • Speckstein
  • Sandstein
  • Marmor
  • Ziegelstein
  • Edelstahl
  • Blei.

Ein Kind versucht ohne Waage, die Würfel in der Reihenfolge des Gewichtes einzuordnen, was ziemlich gut funktioniert.

Dann werden die Würfel gewogen (wobei das Gewicht Gt für “Gewicht trocken“ steht) und dann wie schwer sie sind, wenn sie in Wasser getaucht sind (Gewicht Gn „Gewicht nass“).

Schwimmt es oder nicht?Wir stellen fest, dass der Unterschied zwischen Gt und Gn bei allen Materialien um 27 g liegt d.h. die Würfel sind im Wasser immer 27g leichter als in der Luft.

„Wieso immer 27 g.? Woher kommt dieser Wert 27g?“

„Wie groß sind die Würfel? 3x3x3 cm ergibt 27 cm³, komisch, wieder diese Zahl 27!“

Wir kommen auf die Idee 27 cm³ Wasser zu wiegen; und siehe da: wieder 27 g.!

Hier haben wir die Lösung, der Gewichtverlust entspricht dem Gewicht des verdrängten Wassers und ist unabhängig vom Material.

Wir wollen aber bestimmen wie wir voraussagen könnten, ob ein Objekt schwimmt oder nicht. Was ist schwerer als Wasser, was nicht und um wie viel ist es schwerer.

Durch Teilen des Gewichts durch das Gewicht von der gleichen Menge Wasser errechnen wir einen Wert, der typisch für ein Material ist. Wir entschieden uns, diesen Wert Dichte zu nennen!

Was eine Dichte unter 1 hat schwimmt, was eine Dicht größer als 1 hat, sinkt. Wasser hat natürlich eine Dichte von 1, da Wasser genauso schwer ist wie Wasser (doch, doch!)

Woher kommt diese Kraft? Gibt es eine einfachere Methode um diesen Auftrieb zu erkennen?

Newton hat das Gesetz von Aktion und Reaktion formuliert; wo eine Aktion ist muss auch eine Reaktion kommen.

Können wir diese Reaktion einfach messen?

Wir stellen ein Glas voll Wasser auf die Waage und kalibrieren sie auf „Null“, dann tauchen wir einen unserer Würfel in das Wasser ohne dass er den Boden berührt. Die Waage zeigt „27g“!

So können wir auch das Volumen unregelmäßig geformter Objekte messen. So haben wir gemessen, dass ein Ei ca. 65 cm³ groß ist.

Raten, raten, raten! (oder Ei, Ei, Ei!)

Zauberei mit Ei?Wir haben drei Gläser in denen sich jeweils ein Ei befindet: ein Ei schwimmt ganz oben im Glas, das zweite schwimmt mittendrin und das dritte liegt ganz am Boden. Woran liegt das?

- „Vielleicht am Wassertemperatur?“

- „Na gut, lassen wir die Gläser während der Pause in der Sonne, etwaige Temperaturunterschiede werden sich ausgleichen.“

Nach der Pause hat sich nichts geändert…

- „Vielleicht ist ein Ei gekocht und das andere nicht?“

- „Nein sie sind alle gleich.“

Ratlosigkeit macht sich breit.

Doch keine HexereiWir lassen einige Tropfen Tinte in das mittlere Glas fallen, die Tinte breitet sich aus bis zu einer klaren Grenze, genau da, wo das Ei sich befindet.

Langsam wird klar, dass hier etwas manipuliert wurde!

- „Haben wir vielleicht unterschiedliche Wasser benutzt?“

- „Na was für Wasser?“

- „Salzwasser vielleicht?“

- „Gut geraten! Im mittleren Glas haben wir unten Salzwasser und oben Süßwasser.“

So können wir anhand der Dichte sowohl die Eigenschaften von eingetauchten Materialien untersuchen als auch die von der Flüssigkeiten in die sie getaucht wurden.

Wir tauchen unter!

In einem anderen mit einer Membrane geschlossenen Glas schwimmt ganz oben auf dem Wasser einen Ei, ich lege meine Hand auf der Membrane und befehle dem Ei unterzutauchen, was es brav macht. Nach Anweisungen der Kinder steigt, sinkt oder steht das Ei still…Ein Wunder!

Es wird wild gerätselt wie dies geht. Schnell wird klar, dass ich durch drücken auf die Membrane das Ei sinken lasse; aber wie ist das Ei manipuliert?

Nun nach einigen Momenten intensiver Überlegung ist das Rätsel gelöst; das Ei ist hohl, hat unten ein Loch und ist mit Blei so beschwert, dass es gerade schwimmen kann. Durch drücken auf die Membrane steigt der Wasserpegel im Ei und es sinkt, durch verringern des Drucks dehnt sich die Luft im Ei uns es steigt.

Austarieren der "U-Boote"So funktionieren U-Boote, und wir wollen auch eines bauen.

Wir füllen eine Plastikflasche mit Wasser und basteln ein U-Boot indem wir eine Einwegspritze halb mit Wasser füllen und sie anschließend mit Bleikugeln so beschweren, daß sie gerade oben schwimmen kann. Die Spritze kommt in die volle Flasche und diese wird verschlossen. Durch mehr oder weniger starken Druck auf die Flasche sinkt oder steigt unser „Taucher“.

 

Ob Gold oder Bleikern, wir finden es heraus!Von Königen, Genies und Betrügern…

Zum Schluss wurde mit Hilfe von Gold (Hier gelbe Knetmasse) und Blei ein geschichtliches Ereignis nachgestellt: König Hieron Il. von Syrakus ließ sich ein Diadem aus purem Gold anfertigen, hegte jedoch nach Erhalt Zweifel an der Ehrlichkeit der beauftragten Goldschmiede. Ohne das Meisterstück zu beschädigen bestimmte Archimedes dessen Goldgehalt indem er das Diadem zunächst wog, es dann in Wasser tauchte, aus der verdrängten Flüssigkeitsmenge das Volumen bestimmte und aus den beiden Messwerten die Dichte berechnete. Im Vergleich mit der Dichte von hochkarätigem Gold konnte er nachweisen, dass in dem Diadem nicht nur Gold verarbeitet und der König somit betrogen worden war.

Für die Nachahmung wurden bei der museumspädagogischen Projektwoche zwei Schülergruppen beauftragt je eine Figur aus Knete zu formen und sich untereinander abzusprechen, wer die Gruppenleiter betrügen und ein Stück Blei einbauen sollte - der Betrug konnte anschließend in jedem Fall anhand des von Archimedes entwickelten Prinzips nachgewiesen werden und so wurden die ertappten Betrüger zur Strafe ordentlich nass gespritzt!