Die folgenden Freihandversuche dienen zur Veranschaulichung bzw. zum Nachdenken im Physik-Unterricht und können auch von Schülern ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden. Viel Spaß beim Nachbauen…
Der magische Doppeltrichter
Dieser aus zwei Trichtern bestehende Körper besitzt sogar die Fähigkeit bergauf zu rollen.
Natürlich kann er dies nur, weil sich sein Schwerpunkt während des Bergauf-Rollens senkt 😉
Einfache Magnetfeldsonde
Zur Veranschaulichung von Magnetfeldern eignet sich diese nur aus einer Büroklammer, etwas Klebeband und einer Schnur bestehende Magnetfeldsonde…
Die folgsame Garnrolle
Für dieses anschauliche Experiment wird lediglich eine Garnrolle benötigt.
Ihr Verhalten hängt ganz entscheidend vom Winkel α des Seils ab.
Bei kleinem Winkel α rollt/rotiert die Garnrolle nach rechts:
Bei einem bestimmten Winkel α rollt/rotiert die Garnrolle gar nicht, sondern sie rutscht nur:
Und ist schließlich der Winkel α groß, so rotiert die Garnrolle nach links:
Zu erklären ist dieses Verhalten mit dem wirkenden Drehmoment:
Ganz links im Bild wirkt durch den nach rechts gehenden Hebel r ein nach links wirkendes Drehmoment. Daher rollt/rotiert die Garnrolle in diesem Fall nach links. Im mittleren Bild zielt die Kraft genau auf den Auflagepunkt. Der Hebel r ist nun genau 0 und daher wirkt kein Drehmoment. Die Garnrolle rutscht nur nach rechts. Im rechten Bild zeigt der Hebel nach links und es kommt zu einem nach rechts wirkenden Drehmoment. Die Garnrolle wird in diesem Fall nach rechts rollen/rotieren.
Hier das Video zu diesem Experiment:
Ein Beschleunigungsmesser
Dieses Experiment ist finde ich besonders faszinierend, führt es doch seine Beobachter zunächst in die Irre. Man braucht dazu ein wasserdichtes Glasgefäß mit Schraubdeckel, eine Schnur, Wasser, einen Korken und Heißkleber. Der Aufbau ist sehr simpel:
Die Schnur klebt man zuerst an der Unterseite des Korkens fest und danach an der Innenseite des Deckels. Die Schnurlänge ist dabei so zu wählen, dass der Korken später dann ca. bei 2/3 der Glashöhe schwebt.
Bei der Durchführung des Experiments fragt man zuerst die Schüler, wohin sich der Korken wohl bewegen wird, wenn man das gesamte Glas in eine Richtung beschleunigt. Die allermeisten Kinder werden antworten, dass sich der Korken aufgrund seiner Trägheit in die Gegenrichtung zur Beschleunigung bewegen wird. Führt man dann den Versuch durch, so stellt man verwundert fest, dass sich der Korken genau in die Gegenrichtung, also in Richtung der Beschleunigung bewegt.
Bei einer Kreisbewegung bewegt sich der Korken also nicht nach außen, sondern nach innen! Warum ist dies so? Nun, das Wasser im Glas ist natürlich auch träge. Aufgrund der Beschleunigung wirkt dann auf das Wasser eine Trägheitskraft in die zur Beschleunigung entgegengesetzte Richtung. Dies führt dazu, dass der Wasserdruck entgegen der Beschleunigung wächst. Im Erdschwerefeld mit der Gewichtskraft nach unten wächst der Wasserdruck mit der Tiefe linear an. Hier wächst er durch die Trägheitskraft entgegen der Beschleunigung linear an. Dies hat zur Folge, dass auf beiden Seiten des Korkens nun ein unterschiedlicher Druck herrscht und somit eine (Auftriebs)Kraft in Richtung der Beschleunigung auf den Korken wirkt! Bremst man dann das Glas wieder ab, so drückt es den Korken nicht nach vorne, sondern nach hinten. Die wirkende Beschleunigung zeigt auch nach hinten. Der Korken zeigt also genau die Richtung der wirkenden Beschleunigung an…
Das Dosenrennen
Für dieses Experiment werden zwei gleich schwere und große Lebensmitteldosen und eine schiefe Ebene benötigt. Eine der Dosen soll einen dünnflüssigen Inhalt besitzen (z.B. eine Suppe), während der Inhalt der zweiten Dose dickflüssig/fest sein sollte (z.B. Chili con carne).
Diese beiden unterschiedliche Dosen postiert man auf einer schiefen Ebene und lässt sie zeitgleich los. Die Dose mit dem dünnflüssigen Inhalt rollt schneller runter als jene mit dem festeren Inhalt. In der Ebene angekommen, holt aber die zunächst langsamere Dose wieder auf und überholt ggf. sogar die andere. Warum ist dies so?
Zu Beginn haben beide Dosen dieselbe potentielle Energie Epot = m·g·h. Diese wandelt sich beim Herunterrollen in kinetische Energie um. Dabei muss die kinetische Energie der Rotation (Rotationsenergie Erot = I·ω²/2) und die kinetische Energie der Translation (Ekin = m·v²/2) unterschieden werden. Der dickflüssige/feste Doseninhalt rotiert mit der Dose mit, wohingegen der dünnflüssige Inhalt zum Teil gar nicht an der Rotation teilnimmt. Demzufolge steckt beim festen Inhalt mehr Energie in der Rotationsenergie, sodass für die Translationsenergie weniger übrig bleibt und die Dose langsamer ist. Bei der dünnflüssigen Dose rotiert im Extremfall nur die Dose selbst, der Inhalt nicht. Daher steckt dort weniger Energie in der Rotation, dafür mehr aber in der Translation bzw. Geschwindigkeit. Man kann auch argumentieren, die Dose mit dem festen Inhalt habe ein größeres Trägheitsmoment I als die Dose mit dem dünnflüssigen Inhalt. Größeres I bedeutet aber kleineres v.
In der Ebene kommt der Dose mit dem festeren Inhalt ihre größere Rotationsenergie/ihr größeres Trägheitsmoment zugute. Das Reibungsmoment T aufgrund der Rollreibung der Dosenhülle ist bei beiden Dosen gleich und führt zu einer negativen Winkelbeschleunigung α nach T = I·α. Ist nun das Trägheitsmoment I bei der Dose mit dem festeren Inhalt größer, so resultiert dies in einer kleineren Winkelbeschleunigung. Die feste Dose verliert also weniger schnell an Rotation.
Es spielt aber auch die innere Reibung des Doseninhalts eine Rolle. Bei der dünnflüssigeren Dose reibt der ruhende Inhalt stärker an der Dose als beim mitrotierenden festen Inhalt. Dadurch sind die inneren Reibungsverluste bei der dünnflüssigen Dose größer und sie verliert schneller ihre Energie…
Schwärzer als Schwarz
Eine schwarze Oberfläche absorbiert Licht zu etwa 95%. In diesem Experiment werden wir sehen, dass es aber noch etwas bedeutend dunkleres als Schwarz gibt und zwar ein “schwarzes Loch”. Für diesen Versuch werden nur eine Kaffeetasse (Anmerkung: Deren Innenseite kann auch weiß sein) und ein Stück stärkeres, schwarzes Papier benötigt. In dieses schneidet man ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 4 mm aus.
Legt man nun das Papier mit dem Loch auf die Kaffeetasse, so erscheint das Loch deutlich dunkler als das schwarze Papier.
Es scheint also aus dem Loch viel weniger Licht zu kommen als vom schwarzen Papier reflektiert wird. Dies betrachten wir nun genauer:
Das eindringende Licht der Intensität I0 wird an der Innenseite der Tasse gestreut und trifft mit einer Wahrscheinlichkeit p auf das Loch und kann die Tasse somit wieder verlassen. Mit der Wahrscheinlichkeit 1 – p bleibt es aber in der Tasse und wird ein weiteres Mal gestreut. Man kann also folgenden Wahrscheinlichkeitsbaum aufzeichnen:
Für die Berechnung der mittleren wieder austretenden Intensität muss man die Einzelwahrscheinlichenkeiten mit den Einzelintensitäten multiplizieren und dann alles aufsummieren:
Man erhält also für die mittlere wieder aus dem Loch tretende Intensität einen Wert von 0.002 · I0, also einen “Reflexionsgrad” von 0.2%. Schwarze Oberflächen reflektieren zwar das Licht sehr schlecht aber immer noch mit ca. 5%. Wie man sieht, ist der Reflexionsgrad des Lochs deutlich geringer und dieses erscheint demnach verglichen mit dem schwarzen Papier deutlich dunkler/schwärzer…
Nicht-Newtonsche Flüssigkeit
Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind eine faszinierende Klasse von Flüssigkeiten, die ein einzigartiges Fließverhalten aufweisen und sich dem traditionellen Verständnis der Fluiddynamik widersetzen. Im Gegensatz zu Newtonschen Flüssigkeiten, die einer linearen Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit folgen, weisen nicht-newtonsche Flüssigkeiten komplexe und oft unvorhersehbare Fließeigenschaften auf.
Ein Beispiel für eine solche anormale Flüssigkeit ist Maizena, pure Maisstärke. Diese löst man einfach in Wasser auf. Ich habe dazu 170 g Maizena mit 130 g Wasser vermischt.
Bei langsamen Bewegungen verhält sich die Mischung wie eine Flüssigkeit. So kann man etwa mit einer Zange oder einen anderen Gegenstand bei langsamen Bewegungen in die Mischung eintauchen und sich darin bewegen:
Stößt man mit der Zange aber schnell zu, so verhält sich die Mischung wie ein Festkörper und blockt diese schnelle Bewegung ab:
Kinder/Schüler sind ebenso fasziniert von diesem Verhalten wie ich und sie wollen alle ihren Finger einmal langsam und dann schnell in die Maizena-Wasser-Mischung eintauchen 😉
Der Spritzenwettkampf der Geschlechter
Burschen behaupten ja zumeist das stärkere Geschlecht zu sein. Dieser Auffassung wirkt folgender Versuch entgegen. Man benötigt nur zwei unterschiedlich große (z.B. 5 ml und 20 ml) Spritzen, einen Schlauch und Wasser.
Die beiden Spritzen und den Schlauch füllt man komplett mit Wasser. Eventuell fixiert man den Schlauch auf den beiden Spritzenstutzen noch mit Kabelbinder. Dann wählt man ein vermeintlich schwaches Mädchen und einen männlichen Kraftprotz aus. Ziel ist es, seine Spritze ganz reinzudrücken. Dem Mädchen gibt man die kleine Spritze in die Hand, dem Burschen natürlich die große.
Zur Überraschung aller, gewinnt natürlich das Mädchen. Warum ist dies so? Nun der Druck p im Wasser ist überall gleich. Es gilt daher auch: p = F1 /A1 = F2 / A2. Die Fläche A1 ist aber deutlich kleiner als die Fläche A2. Daher ist die vom Mädchen aufzubringende Kraft F1 auch deutlich geringer als die Kraft F2 des Burschen und sie gewinnt… 😉
Übringens, dies ist auch ein sehr schöner Versuch um zu zeigen, dass man sich bei verminderter Kraft F keine Arbeit erspart. Der beim Reindrücken der kleinen Spritze zurückgelegte Weg s ist nämlich größer und somit die geleistete Arbeit W = F · s gleich.
Gekoppelte Schwingungen
Mit zwei Wäschekluppen und einem breiteren Gummiband lässt sich ein sehr schöner Versuch zum Thema gekoppelte Schwingungen durchführen. Das Gummiband wird auf der Vorrichtung gespannt und dann die beiden Kluppen festgemacht.
Stößt man nun eine der beiden Kluppen an, so beginnt diese zu schwingen. Nach einer Zeit nimmt aber diese Schwingung ab und die andere Kluppe beginnt verstärkt zu schwingen. Schwingt dann die erste Kluppe überhaupt nicht mehr, so besitzt die Schwingung der zweiten Kluppe ein Maximum. Danach hört schön langsam die zweite Kluppe zu schwingen auf und die erste Kluppe schwingt wieder stärker usw.
Betrachtet man die einzelne Schwingung einer Kluppe, so erhält man eine schöne Schwebung. Die Amplitude nimmt periodisch zu und ab und zwar gegengleich zur jeweils anderen Kluppe.
Domino-Brücke
Mit Domino- oder Kaplasteinen lässt sich ein spannender und lehrreicher Versuch durchführen. Meine Kaplasteine konnte ich günstig und gebraucht auf der österreichischen Verkaufsplattform willhaben erstehen.
Um was geht es in diesem Experiment? Mit den Holzsteinen ist eine möglichst überragende Brücke zu konstruieren. Hier kann man durchaus methodisch vorgehen. Betrachten wir zunächst einen einzelnen Stein. Dieser kippt dann, wenn sich dessen Schwerpunkt S außerhalb der Tischkante befindet.
Einen einzelnen Kaplastein kann man also maximal bis zur Hälfte über die Tischkante hinausragen lassen, ohne dass dieser kippt. Der erste Überhang beträgt also L/2 (Steinlänge L).
Fügen wir unterhalb des ersten Steins einen weiteren Kaplastein hinzu, so muss sich dessen Kante also bei L/2 befinden. Beide Steine kann man dann zusammen wieder ein wenig über die Kante schieben und zwar bis zu einem maximalen weiteren Überhang von L/4. Denn dann befindet sich der gemeinsame Schwerpunkt S der beiden Steine genau über der Tischkante:
Kommt ein dritter Stein hinzu, so muss dieser bei L/4 unterhalb des zweiten Steins postiert werden. Zudem kann der dritte Stein bis zu einem Überstand von L/6 wieder hinausgerückt werden. Der Schwerpunkt S12 trägt ja die Masse von 2 Steinen. Der aus S3 (= Schwerpunkt eines Steins) und S12 neu gebildete Gesamtschwerpunkt S ist also doppelt so nah an S12 wie an S3. Dies wird durch eine Strecke 1/3 von L/2 garantiert, denn dann betragen die Abstände von S zu S12 1/3 · L/2 und von S zu S3 2/3 · L/2. Der dritte Überhang beträgt also 1/3 · L/2 = L/6.
Bei 4 Steinen verläuft die Berechnung analog. Hier beinhaltet der Schwerpunkt S123 die Masse von 3 Steinen und S4 die Masse eines einzelnen Steins. Daher muss der neue Gesamtschwerpunkt S 3-mal so nahe bei S123 sein wie bei S4. Dies schaffen die Abstand 1/4 · L/2 und 3/4 · L/2. Der vierte Überhang beträgt somit 1/4 · L/2 = L/8.
Die Überhänge bilden also eine besondere Zahlenfolge und zwar L/2, L/4, L/6, L/8, L/10 usw. Möchte man den Gesamtüberhang bestimmen, muss man die Einzelüberhänge addieren.
Wir haben es hier also mit einer sog. harmonischen Reihe zu tun. Die einzelnen Glieder 1/i streben zwar gegen 0 (sog. Nullfolge), aber trotzdem divergiert die gesamte harmonische Reihe. Ihre Teilsumme kann mit Hilfe der Näherung ln(n) + 0.57721566 bestimmt werden. Demnach beträgt der gesamte Überhang der Kaplasteine bei insgesamt 10 Steinen (n = 10) 1.44 · L (siehe untere Abbildung). Bei 20 Steinen sind es bereits 1.79 · L und bei 100 Steinen immerhin 2.59 · L. Man benötigt also für einen Zuwachs an Überhang immer mehr zusätzliche Holzsteine, da die Einzelüberhänge abnehmen. Theoretisch kann mit unendlich vielen Kaplasteinen auch ein unendlich großer Überhang konstruiert werden, da eben die harmonische Reihe divergiert 😉
Hier der maximale Überhang gebildet aus 10 Steinen:
Minikartoffelkanone
Gleich vorweg: Im Umgang mit dieser Minikanone ist trotzdem große Vorsicht geraten. Das Gesicht nicht direkt hinter der Dosenöffnung halten und auch ja nicht auf Menschen oder Lebewesen mit Munition im Lauf zielen!
Benötigt werden ein Piezozünder, ein Stück Holz, eine Plastikdose mit verschraubbaren Deckel, ein kurzes Stück dünnen Draht, eine Schraube, Heißkleber und einen Filzstift.
Am Laufende muss man das kurze dünne Drahtstück durch den Lauf stecken und mit Heißkleber fixieren. Dies verhindert dann später, dass die Softgunkugeln in den Innenraum der Dose fallen! Ein kleiner Tipp: Die orangen Filzstifte von Stabilo besitzen genau den richtigen Innendurchmesser für die gelben Softgunkugeln!
Hier sieht man schön den geringen Abstand der Holzschraube zum Drahtende des Piezozünders und den dünnen Draht am Laufende:
Als Treibstoff verwende ich Desinfektionsspray aus Corona-Zeiten:
Die fertige Minikartoffelkanone:
Beim Betätigen des Piezozünders muss die Hand/der Daumen auch die Holzschraube berühren. Nur so ist garantiert, dass innen der Funken überspringt…
Wirbelströme – Zauberkugel
Auch dieses Experiment ist sehr anschaulich und trotzdem sehr einfach. Man benötigt lediglich ein Aluminiumrohr (meines hat einen Aussendurchmesser von 16 mm bei 1 mm Wandstärke) und eine etwas kleinere Magnetkugel bzw. gewöhnliche Stahlkugel. Die Magnetkugel mit einem Durchmesser von 12.7 mm habe ich bei https://www.supermagnete.at/ gekauft.
Lässt man zuerst die Stahlkugel durch das 50 cm lange Aluminiumrohr fallen, so dauert dies nur etwa 0.3 Sekunden. Lässt man danach aber die Zauberkugel (= Magnetkugel) durch das Rohr fallen, so tritt diese erst nach etlichen Sekunden am unteren Rohrende wieder aus. Grund sind die durch den fallenden Magneten induzierten Wirbelströme im Aluminiumrohr. Diese Ströme erzeugen ein zum Magnetfeld der Kugel entgegengesetztes Magnetfeld (also Nordpol auf Nordpol), welches den Fall der Kugel entsprechend verlangsamt. Dieser Versuch eignet sich sehr gut, um die Kinder und Jugendliche zu verblüffen. Schauen doch die beiden Kugeln identisch aus und die Magnetkugel kann durch das nicht magnetische Aluminium auch nicht so leicht entlarvt werden 😉
Roh oder gekocht, das ist hier die Frage…
Einen viel einfacheren Versuch wird es fast nicht geben, denn es werden nur ein rohes und ein hartgekochtes Ei benötigt.
Wie kann man aber sehr einfach und mittels der Physik herausfinden, welches welches ist?
Man versetzt das Ei zunächst in Drehung und stoppt es dann mit dem Finger ab. Nachdem man es wieder loslässt offenbart sich der Unterschied. Während das hartgekochte Ei weiterhin ruhig bleibt, beginnt sich das rohe Ei wieder langsam zu drehen. Warum ist dies so?
Schuld ist die Trägheit. Das Innere des hartgekochten Ei wird durch den Finger komplett zur Ruhe gebracht und verbleibt danach auch in dieser. Das rohe Ei ist aber im Inneren flüssig und träge. Stoppt man das rohe Ei ab, so rotiert das Innere aufgrund der Trägheit noch weiter und versetzt dann das Ei, nachdem man es wieder losgelassen hat, wieder in eine leichte Bewegung 😉
Reaktionszeitmesser
Für dieses simple Experiment zum Thema “freier Fall” benötigt man nur ein Lineal und eine Skala mit den aufgedruckten Reaktionszeiten.
Der Schüler hält bei der 0-Markierung das Lineal zwischen Daumen und Zeigefinger. Der Lehrer lässt dann irgendwann ohne Vorankündigung das Lineal fallen. Der Schüler hat nun die Aufgabe, das Lineal so schnell wie möglich mit den beiden Fingern zu stoppen. An der Fingerposition kann man dann die Reaktionszeit des Schülers ablesen.
Basis für dieses Experiment ist die Formel s(t) für den freien Fall, welche lautet: s(t) = 1/2 · g · t². Beträgt die Reaktionszeit etwa 0.08 sek, so fällt das Lineal während dieser Zeit um die Strecke s(0.08) = 1/2 · 9.81 · 0.08² = ca. 31.4 mm:
Ist Cola light tatsächlich leichter?
Man nehme ein normales, zuckerhältiges Cola und dann eine Dose Cola light. Legt man beide Dosen ins Wasser so offenbart sich ein Unterschied. Und zwar sinkt das normale Cola zu Boden, während Cola light schwimmt. Warum ist dies so?
In normalen Cola befindet sich leider eine große Menge Zucker. Dieser gelöste Zucker erhöht die Dichte des Colas deutlich. Dadurch überschreitet die Durchschnittsdichte von Aludose, Luft im Inneren und Getränk jene von Wasser (ca. 1 g/cm³) und dadurch sinkt die normale Coladose zu Boden.
Cola light verwendet zum Süßen stattdessen Süßstoff. Von diesem wird nur eine geringe Menge benötigt. Dadurch steigt die Dichte des Cola lights nur sehr wenig an. Die Durchschnittsdichte der gesamten Dose liegt aufgrunddessen unterhalb von Wasser und die Cola light Dose schwimmt daher an der Oberfläche. Cola light ist also kein Marketing-Gag sondern entspricht ausnahmsweise einmal der Realität 😉
Hier folgen noch weitere spannende Freihandexperimente…
