5G Luft

GRUNDSCHULE

5GLuft

Luft

Die Versuche: Luft Luftdruck Temperatur Raumbedarf Feuer Wind Sturm

Vgl auch weiterführende Experimente

Gesundheit Luft

Schadgase

Ohne Wasser

kein Leben

Ohne Luft

kein Leben

des

Menschen

Als Luft bezeichnet man die Gashülle über der Erdoberfläche. Sie bedeckt den ganzen Erdball. Viele gasförmige Substanzen sind in ihr enthalten, wie Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, die Edelgase, Stickstoff. Aber auch feste Stoffe wie Stäube oder Rußpartikel aus Zigarettenrauch, Hausbrand oder Industrie werden durch die Luft verteilt. Heute spielen die Autoabgase eine zunehmend wichtige Rolle in der Wahrnehmung der Bevölkerung. Viele dieser Substanzen sind extrem gesundheitsschädlich, man denke nur an die Staublunge bei Kohlebauarbeitern oder im Steinbruch. Luft ist lebensnotwendig! Der Mensch kann 4 Wochen ohne Nahrung überleben, er kann vier Tage ohne Trinken überleben. – Der Mensch kann aber nicht 5 Minuten ohne natürliche Atemluft am Leben bleiben. Die Lufthülle ist über den Atmungsbedarf hinaus auch in anderer Hinsicht lebenserhaltend: In großer Höhe bildet sich aus Sauerstoff unter dem Einfluss der ultravioletten Strahlung Ozon. Ozon vermindert die UV- Strahlung derart, dass nur wenig UV- Licht auf die Erdoberfläche gelangt. Würde das UV- Licht aus dem Weltraum direkt auf die Erdoberfläche stoßen, wäre menschliches Leben nicht mehr möglich. Unterschiedliche Erwärmung der Luftschichten führt zu dem Phänomen Wetter. Diese Erscheinungen sind den Schülerinnen und Schülern als Regen, Wind und Sturm bekannt. Hier soll nur auf die Besonderheiten der Luft wie Ausdehnung und Druck eingegangen werden. Außerdem wird das Feuer näher untersucht. Stickstoff und Sauerstoff können als Bestandteile der Luft indirekt erarbeitet werden. Luft gilt bei den meisten Kindern als „nicht existent“, man sieht sie nicht, man riecht sie – normalerweise – nicht. Der Nachweis, das Luft nicht „nichts“ ist, gelingt mit dem Nachweis des Raumbedarfs von Luft und dem Verhalten von Luft gegenüber Temperaturveränderung. Die Lufthülle: Die Erdkugel ist von einer Lufthülle umgeben. Diese ist sehr dünn. Im Vergleich: die Schale eines großen Apfels entspricht in etwa der Lufthülle, wenn man sich den Apfel als Erdkugel vorstellt. Zusammensetzung: Die Atmosphäre besteht aus verschiedenen Gasen: Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent ist Stickstoff der größte Teil Nur rund 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Dazu kommen noch Edelgase, weitere Gase sind: Methan, Stickoxide und Kohlenstoffdioxid mit rund nur 0,3 Prozent. Kohlenstoffdioxid, das bei Verbrennungen entsteht, hat großen Einfluss auf das Erdklima. Folge ist der „Treibauseffekt, der den Planeten aufheizt und der zu Trockenheiten, aber auch zu gewaltigen Sturmfluten Anlass gibt. Wetter: Das Wetter wird in den unteren Luftschichten gebildet. Einfluss haben Sonneneinstrahlung, Druckunterschiede in verschiedenen Bereichen, Wassergehalt der Luft. Weiterführende Literatur: https://de.wikipedia.org/wiki/Erdatmosphäre https://de.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A4re_(Astronomie) http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5/Kap_IV/Atmosphaere.htm https://de.wikisource.org/wiki/Die_Lufth%C3%Bclle_der_Erde https://herr-kalt.de/geographie/atmosphaere https://www.planet-schule.de/mm/die-erde/Barrierefrei/pages/Eine_Huelle_aus_Gas.htm Gase brauchen Raum! Dieser Versuch hat einen hohen Überraschungseffekt. Dennoch demonstriert er überzeugend den Platzbedarf von Gasen. Achtung: Das Filmdöschen springt sehr hoch, der Versuch sollte also im Freien durchgeführt werden. Durch das in den Brausetabletten enthaltene Natriumhydrogencarbonat und durch die zugesetzte Zitronensäure entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid. Das entstehende Gas sprengt explosionsartig den Deckel ab. Das Döschen wird hoch geschleudert. Man sollte das Döschen nicht mehr als etwa zu 1/3 mit Wasser füllen, damit genügend Gasraum vorhanden ist und sich ausreichend Druck aufbauen kann. Den Versuch vorher mit einer geeigneten Brausetablette testen, da nicht alle Brausetabletten genügend Natriumhydrogenkarbonat enthalten. Manchmal gelingt es nicht, das Döschen fest zu verschließen. Öfter ist auch der Deckel nicht dicht aufzubringen. Daher erscheint es günstig, den Versuch mit vielen Döschen durchzuführen. Einige werden sehr hochspringen. Die intakten Döschen kann man erneut verwenden. (nach einer Idee von Thomas Zahn) vgl: Schneider, V. u. Th. Zahn: Beiträge zur Didaktik, Shaker Verlag 2008)

Versuch 1

Luftdruck: Wir bringen ein Filmdöschen zum Hüpfen!

Was brauchst Du?

Ein altes Filmdöschen mit einem dicht schließenden Verschlussdeckel

(gibt es kostenlos im Fotofachgeschäft),

eine halbe Brausetablette, Wasser

Ausführung:

1. Fülle das Filmdöschen zur Hälfte mit Wasser

2. Gib eine halbe Brausetablette zu

3. verschließe die Filmdose rasch und lege sie im Freien aufrecht auf den Boden

4. Was pasiert?

Erkläre warum!

Versuch 2:

Luftrakete

Was brauchst Du?

Dünne Schnur, Luftballon, Trinkhalm, Klebeband

Was kannst Du tun?

Diesen Versuch könnt Ihr am besten zu zweit durchführen.

1. Fädelt den Trinkhalm auf die Schnur

2. Blast den Ballon ein wenig auf und haltet ihn dann gut zu.

3. Befestigt den Ballon mit Klebeband am Trinkhalm

4. Blast den Ballon nun stärker auf, haltet dann weiter gut zu.

5. Spannt jetzt die Schnur zwischen euch straff an, lasst dann den Ballon los.

Was geschieht? Schreibe den Ablauf auf mit deinen Worten!

Beobachtung?

Beschreibe mit eigenen Worten:

Versuch 3

Luft kann auch hinderlich sein.

Material: eine große Milchflasche, einen Tischtennisball oder einen passenden Ball aus Styropor

Durchführung: Man legt den Ball so in die Mündung der Flasche, dass er leicht beweglich ist.

Dann bläst man so stark man kann auf den Ball

Beschreibe, was geschieht!

Ergebnis: Der Ball springt zur Überraschung aller aus der Flasche heraus

Fachliche und didaktische Hinweise: Die Luft, die gegen den Ball gepustet wird, ist sehr viel leichter beweglich als der Ball selbst. Deshalb strömt Luft am Ball vorbei in die Flasche und erzeugt dort einen Überdruck. Der relativ träge Ball hatte „noch keine Zeit“, sich mit dem Luftstrom in das Innere der Flasche zu bewegen. Inzwischen ist der Luftdruck in der Flasche bereits so groß geworden, dass der Ball aus der Flasche herausgedrückt wird.

Tipp: Je kräftiger man pustet, umso überzeugender gelingt der Versuch. Zwei Liter fassende Plastikflaschen sind besonders gut geeignet.

Versuch 4:

Der Ballon in der Flasche

Was brauchst Du?

Zwei große durchsichtige Plastikflaschen, am besten ohne Etikett, eine davon mit Loch am Boden,

einen Luftballon (aus dem Bastelgeschäft) Knetmasse zum Abdichten

Was kannst Du tun?

1.    Benutze zuerst die Flasche ohne Loch.
2.    Stecke den Ballon so in die Flasche, dass nur noch die Öffnung herausschaut.
         Man kann die Öffnung der Flasche mit etwas Knetmasse noch zusätzlich verschließen.
3.    Versuche dann, den Ballon in der Flasche aufzublasen.
4.    Benutze nun die Flasche mit dem kleinen Loch und führe das Experiment noch einmal durch.

Zwei Plastikflaschen

Erkläre deine Beobachtung!

Erklärung: Der Ballon lässt sich nur dann aufblasen, wenn gleichzeitig die Luft aus der Flasche entweichen kann. Beim Aufblasen bläht sich der Ballon aber sehr schnell so weit auf, dass die Öffnung der Flasche verschlossen wird. Auch dieser Versuch zeigt, dass Luft einen bestimmten Raum beansprucht und offensichtlich etwas „stoffliches“ ist.

Versuch 5

Bleibt die Watte trocken oder wird sie nass?

Demostrationsversuch

Tipp: Oftmals macht es Schwierigkeiten, den Schlauch richtig zu handhaben. Dann muss die Lehrperson helfen.

Ergebnis: Erst wenn die Luft durch den Schlauch entweichen kann, dringt Wasser ein und befeuchtet die Watte. Der Versuch zeigt, dass Luft auch Raum benötigt. Luft i st also nicht "nichts", wie die Schülerinnen und Schüler vermuten würden. .

Was brauchst Du?

Durchsichtige große Wasserwanne, Trinkglas mit großer Öffnung, ca. 30 cm Gummischlauch z. B. aus dem Aquarienfachhandel, doppelseitiges Klebeband,

Gummibärchen oder Wattebausch oder Papiertaschentuch.

Was kannst Du tun?

Vorbereitung: Fülle die Wasserwanne so hoch mit Wasser, dass Du das Glasgefäß aufrecht vollständig unter Wasser drücken kannst. Halte zum Test das Glas außen an die Wanne, das Glas soll noch nicht nass werden

Versuch:

1.    Klebe den Wattebausch, das Papierstück oder den Wollknäuel mit etwas Klebeband innen auf den Boden des Glases.
2.    Tauche das Glas aufrecht, mit der Öffnung nach unten, vollständig in das Wasser.
Überprüfe, ob das Gummibärchen oder der Wattebausch nass geworden ist.
3.    Der Wattebausch möchte sich nun mit Wasser vollsaugen. …… Probiere es aus!

Beobachte und beschreibe, was geschieht!

Es ist nicht möglich, die Watte nass zu machen, solange sich Luft unter dem Glasbehälter befindet.

Luft - Erwärmung - Feuer

Luft - Erwärmung - Feuer Sachliche Grundlagen: In diesem Versuch wird die Eigenschaft von Gasen demonstriert, sich bei Temperaturerhöhung auszudehnen. Je höher die Temperatur, umso mehr Raum (Volumen) nehmen alle Gase ein. In bestimmten Bereichen ist die Molekularbewegung der Teilchen ein direkter Ausdruck des Energieinhalts. Man kann leicht im Mikroskop beobachten: Je höher die Temperatur, umso stärker auch die Molekularbewegung von kleinsten Teilchen, (z. B. Im Milchsaft von Löwenzahn). Die Temperatur ist im Grunde ein Messwert für den Energieinhalt eines Systems. Daher gilt: Je höher die Energiemenge umso stärker auch die Bewegungen der Teilchen (Brown‘sche Bewegungen), umso mehr Volumen wird beansprucht. Mit dieser Erkenntnis kann man sogar umgekehrt aus der Volumenänderung von Gasen auf die Temperatur schließen (Luftthermometer, schon Goethe bekannt). Dies gelingt jedoch nur ungenau, weil der Luftdruck sich bei Wetteränderung sehr deutlich verändert und einen direkten Bezug verfälscht. Versuch: Die Ausdehnung von Luft schon bei der Erhöhung der Temperatur von rund 20 Grad Celsius auf die Temperatur von 35 Grad Celsius (Handwärme) soll Kindern vor Augen geführt werden. Durch die enge Wassersäule im Manometer (gebogener Aquarienschlauch oder zwei zusammengeklebte Trinkhalme) wird die Volumenänderung besonders leicht sichtbar zu machen (Ein Gerät zur Druckmessung nennt man ein Manometer). Gegenwartsbedeutung: Die Schülerinnen und Schüler kennen die Fähigkeiten der Luft vom Aufpumpen der Fahrradreifen. Dabei entsteht Wärme, weil sich der Druck erhöht. Die Bezeichnungen "Hoch" und "Tief" bei den Wetterberichten werden jedoch selten verstanden. Zukunftsbedeutung: Die Druckmessung gelingt beim Menschen nur mit Hilfe der „Druckkörperchen“ in der Haut. Diese sind zwar sehr empfindlich, sie können aber die Änderungen des Luftdrucks nicht wahrnehmen. Daher braucht der Mensch zusätzliche Geräte: Die einfache Konstruktion eines Manometers(Druckmessers) dient dazu, Geräte als Hilfsmittel für die Erweiterung der menschlichen Sinne kennen zu lernen. Der Versuch weist also zunächst darauf hin, dass man mit geeigneten Geräten die Sinneswahrnehmung sehr stark erweitern kann. Ohne solche Erweiterung der Wahrnehmung durch die richtigen Geräte (wie Mikroskop oder Voltmeter) ist eine moderne Wissenschaft nicht zu denken. Versuchsvariationen: Man stellt die Flasche in Eiswasser: Die Luft „zieht sich zusammen“, das Manometer zeigt eine Verminderung des Volumens an. Wenn man ein Thermometer in die Flasche einbringt, kann man recht genau die Abhängigkeit des Volumens von der im Innern herrschenden Temperatur bestimmen (Luftthermometer), da man nicht vom Luftdruck in der Atmosphäre abhängig ist.

Versuch 6

Luft wird „mehr“!!!

Was brauchst Du?

1.    Ein Gefäß aus Glas (Wasserflasche, Saftflasche) oder aus Plastik,
2.    Stopfen mit einem Loch oder ein Stück dauerplastische Plastikmasse,
3.    Zwei kurze Plastikschläuche,
4.    Ein Gerät zum Messen von Druck (Manometer). Es besteht aus zwei Trinkhalmen und einen verbindenden biegsamen Gummischlauch (Saugstück Zahnarzt).

Versuchsaufbau zur Messung der Luftausdehnung

Was kannst Du tun?

1.    Baue Dir das Gerät, mit dem man den Druck messen kann (Manometer) wie in der Abbildung gezeigt, zusammen.
2.    Fülle etwas Wasser in den Schlauch, so dass das Wasser in auf beiden Seiten des Schlauchs gleich hochsteht.
3.    Schließe dann die leere Flasche an das Manometer an.
4.    Erwärme nun mit der Hand die Flasche. Drücke sie dabei nicht zusammen!
5.    Beobachte, wie sich der Wasserstand in den Trinkhalmen verändert.

Erkläre deine Beobachtung!

Feuer Fachliche und didaktische Hinweise: Der Versuch zeigt, dass nur ein kleiner Teil der Luft die Verbrennung unterstützt. Man nennt den Anteil der Luft, der eine Feuererscheinung (Verbrennung) möglich macht, Sauerstoff. Luft und Sauerstoff werden häufig als Synonyme benutzt. Dies ist nicht richtig: etwa 20 % der Luft bestehen aus Sauerstoff, der Rest ist hauptsächlich Stickstoff - Ein Stoff, der die Flamme erstickt (daher der Name Stickstoff). Weitere Bestandteile machen zusammen nur etwa 1 % aus. Davon ist der wichtigste Anteil Kohlenstoffdioxid zu 0,3 %, den die Pflanzen aufnehmen und zu Zucker verarbeiten. Man darf jedoch nicht aus dem verbrauchten Gasvolumen auf den Sauerstoffgehalt schließen, weil die Kerzenflamme zwar den Sauerstoff verschwinden lässt, aber zugleich das unsichtbare Gas Kohlenstoffdioxid entsteht. Dieses Gas benötigt ebenfalls Platz. Dazu löst sich dein Teil des Kohlenstoffdioxids in Wasser. Dies macht eine Volumenbestimmung noch unsicherer. Tipp: Es ist knifflig, ein Glas über die Kerze zu stülpen. Besser geeignet ist ein Gefäß, das offen übergestülpt und erst danach verschlossen werden kann, z. B. eine Plastikflasche, der man den Boden herausgeschnitten hat. Die Münze verhindert, dass das Gefäß völlig plan auf dem Boden aufliegt. Dadurch wird ein Nachströmen des Wassers ermöglicht.

Versuch 7

Wird die Luft weniger, wenn man Feuer macht?

Demostrationsversuch

Was brauchst Du?

Wasserwanne, Glaszylinder mit Verschluss (Stopfen oder Glasplatte),

Teelicht, eine Münze

Was ist zu tun?

Versuchsaufbau

Beobachtungen

Schildere möglichst genau, was geschieht!

Luft, Gase und Wasser Fachliche und didaktische Anmerkungen: Die Löslichkeit von Luft in Wasser, besonders die Löslichkeit von Sauerstoff, ist für Lebewesen im Wasser äußerst wichtig. Für die Versuche eignet sich Kohlenstoffdioxid besser als Sauerstoff, das die zu beobachtenden Gasmengen größer sind und das Kohlenstoffdioxidgas leichter herzustellen ist. Ergebnis und Erklärung: Bei der zweiten Tablette entsteht scheinbar deutlich mehr Gas. Wir müssen aber davon ausgehen, dass die Gasmenge, die gebildet wird, bei beiden Tabletten gleich ist. Woher dann diese unterschiedliche Reaktion? Hier kann nur gefolgert werden: vgl: Schneider, V. u. Th. Zahn: Beiträge zur Didaktik, Shaker Verlag 2008 Da nicht alle Brausetabletten gleich gut zu nutzen sind, sollte man den Versuch vorher zur Sicherheit ausprobieren. Gute Erfahrungen haben wir mit Vitamin C-Tabletten gemacht.

Versuch 11:

Ein Gas entsteht und verschwindet!!

Was brauchst Du?

Eine Wasserwanne (nach Möglichkeit ein kleines, durchsichtiges Aquarium aus Plastik), ein großer Glaszylinder (oder Plastikzylinder), z. B. ein Messzylinder aus dem Haushalt, Wasser, zwei Vitamin C Tabletten.

Was kannst Du tun?

Versuchsaufbau

Gasmenge bei der ersten Tablette: ____________________________

Gasmenge bei der zweiten Tablette: ___________________________

Wo ist das Gas von der ersten Tablette geblieben?

Versuch 11

Luft nimmt Wasser auf und gibt Wasser wieder ab?

Fachliche und didaktische Hinweise: Dieser Versuch kann zur Illustration der Vorgänge des Wasserkreislaufs ebenso gut dienen, wie zur Verdeutlichung des technischen Vorgangs der Trinkwassergewinnung aus Meersalz: Verdampfen von Salzwasser und Auffangen des Dampfes in einem Kühlturm (Abtropfen von Wassertropfen von einer großen Glasplatte).

Ein Modellversuch zum Wasserkreislauf

Folgende Analogien und Unterschiede zum natürlichen Wasserkreislauf können angesprochen werden:

-- Wasser in der Aluschale = Meer

-- Kerzenflamme = Sonneneinstrahlung Wärme

-- Verdampfen = Verdunstung bei niedrigen Temperaturen.

-- Glasplatte = kalte Luftschichten in größeren Höhen

-- Wassertropfchen unter der Glasplatte = Wolkenbildung.

-- Wassertröpfchen, die von der schräg gehaltenen Glasplatte bei etwas Geduld herunterfallen = Regen

Wovon ist die Wasseraufnahme und die Wasserabgabe abhängig?

Wind und Sturm

Wind Sachliche und didaktische Vorbemerkungen: Die Windgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Luft gegenüber dem Boden. Die Schülerinnen und Schüler kennen heftigen Wind und Sturm. Auch die zerstörerische Gewalt hoher Luftgeschwindigkeiten. Schon seit langem besteht eine Skala, nach der die Windgeschwindigkeiten eingeteilt werden. Die Ableitung und Begründung von Wind und Sturm als Ausgleich unterschiedlicher Luftdrücke in der Lufthülle soll hier verzichtet werden. Wenn Windgeschwindigkeiten nicht mit ihrem Messwert angegeben werden, werden sie in der Regel nach der Beaufortskala klassifiziert, was durch die Verwendung der Begriffe Windstärke (z. B. 5) oder Beaufort (z. B. 5) gekennzeichnet wird. Sie wurde ab 1806 von Sir Francis Beaufort entwickelt und von ihm als Erster Hydrograph der Admiralität ab 1830 in die Royal Navy eingeführt. Abschätzung der Windstärke nach der Beaufort-Skala (Beaufort war ein englischer Admiral, der die Windgeschwindigkeiten praxisnah beschrieben hat. Die Skala gilt bis Heute. https://de.wikipedia.org/wiki/Windgeschwindigkeit Die Ableitung und Begründung von Wind und Sturm als Ausgleich unterschiedlicher Luftdrücke in der Lufthülle soll hier verzichtet werden. Der Zusammenhang mit den Wetter kann nur angedeutet werden.

Versuch 7

Wind und Sturm

Schätze nach der Beaufortskala ab, wie stark der Wind heute ist. Erinnere Dich an einen starken Sturm! Was ist damals geschehen?

Schildere, was dabei geschehen ist.

Aufgabe: Schaue den Wetterbericht im Fernsehen und stelle fest,

welche Windgeschwindigkeiten vorausgesagt werden!

Warum sind diese Angaben von Wichtigkeit?

Aufgabe: Was zeigt ein Barometer an?

Heutiges Barometer zur Messung des Luftdrucks und zur Voraussage des Wettergeschehens

(niedriger Luftdruck deutet auf Regen, hoher Luftdruck verheißt schönes Wetter)