Beiträge

Der Kerzenversuch

Der Kerzenlift gehört vom Kindergarten über die Grundschule bis hin zum Gymnasium zum naturwissenschaftlichen Standardexperiment. Bei Schülern der neunten Klasse ist auch ohne den eigentlichen Versuch sofort eine Erklärung  verfügbar: "Die Kerze braucht den Sauerstoff auf - der Luftdruck im Glas nimmt ab - das Wasser steigt" (siehe Unterrichtsfilm). Auf die weiterführende Frage: "Wann steigt denn das Wasser im Glas?" ist die Schülerantwort eindeutig: "Während die Kerze brennt". Im anschließenden Experiment (mit Videokamera) zeigt sich jedoch deutlich, dass das Steigen erst mit der abnehmenden Kerzenflamme beginnt. Der Sauerstoffverbrauch kann somit als Erklärung ausgeschlossen werden.

Für die Schüler wird es nun erst recht interessant: "Wie lautet denn jetzt die richtige Erklärung?" Sofort werden von der Klasse zahlreiche Vermutungen formuliert und weitere Experimente vorgeschlagen. Um das Phänomen genau zu untersuchen wird die Klasse in Gruppen aufgeteilt.

 Video aus der Unterrichtsstunde (8 aus 45 Minuten):

 

Einsatz des Forschungskreislaufs:
Zur strukturierten Vorgehensweise
in einer Gruppenarbeit mit einem offenen experimentellen Auftrag empfiehlt sich  die Orientierung am Forschungskreislauf.  Der Kreislauf kann bei jeder offenen experimentellen Fragestellungen eingesetzt werden. Die Schülerinnen und Schüler werden dadurch gezwungen ihre oft wirren Hypothesen in der Gruppe klar zu formulieren, zu diskutieren und entsprechende Experimente vor der Durchführung exakt zu planen. Die Struktur des Kreislaufs kann den Schülern mit einem Arbeitsblatt vorgegeben werden. Der Kreislauf dient als Hilfsgerüst für Schüler, die bisher mit offenen experimentellen Aufgaben noch wenig vertraut sind. Erfahrene Klassen können auf die kleinschrittige methodische Führung getrost verzichten.

 


Forschungskreislauf für naturwissenschaftliche Experimente.

Materialien für Schüler zum Erforschen des Phänomens:
Salz, Zucker, Eistee, Magnete, Federn, Eiswürfel, Heißluftföhn, Wasserkocher, ....

 

Unterrichtsverlauf:
Im ersten Schritt des Kreislaufs wird eine Forschungsfrage von den Schülern frei formuliert oder vom Lehrer vorgegeben: "Warum steigt das Wasser im Glas?". Danach erfolgt in der Gruppe die Formulierung einer gemeinsamen Hypothese und die damit verbundene Planung von Experimenten. Für die Versuche werden den Schülern verschiedenste Materialien auf einem Tisch zur Verfügung gestellt (siehe Bild). Erst nach der Planung der Experimente (Schritt 3) dürfen sich die Schüler am Experimentiermaterial bedienen und den geplanten Versuch durchführen.
Der zeitliche Rahmen zum Experimentieren beträgt zwischen 15 und 30 Minuten. Die Ergebnisse jeder Forschungsgruppen werden anschließend präsentiert. Interessant sind vor allem Gruppen, die mit Ihrer Hypothese: wie z. B. "Kohlendioxid wird im Wasser gelöst" nur einen geringen Forschungserfolg hatten und nach den Ursachen suchen. Da alle Schüler am Versuch involviert waren entsteht bei der Präsentation eine rege Diskussion mit wissenschaftlicher Verteidigung der Schülerhypothese und der experimentellen Durchführung. Wichtig ist dabei, dass es beim Kerzenversuch nicht das eine richtige  experimentelle Ergebnis gibt. Im Versuch gibt es verschiedene Effekte, die das Steigen des Wassers verursachen (kalte Luft zieht sich zusammen, Wasserdampf kondensiert, Kohlendioxid wird gelößt, ...). Eine gute Klasse wird verschiedene Effekte erforschen und kann versuchen den Anteil am Gesamtergebnis zu überschlagen. Im Anschluss an den Versuch können Experimente gezeigt werden, bei denen der Effekt: "Aus einem Temperaturunterschied resultiert ein Druckunterschied" praktisch angewandt wird: Stirlingmotor, Dampfmaschine, thermische Kraftwerke, Automotoren, ...

 

Fachliche Anmerkung:
Leider wird der Versuch in Experimentierbüchern
und sogar im Fernsehen häufig falsch erklärt: "Die Kerze braucht den Sauerstoff auf - der Luftdruck im Glas nimmt ab - das Wasser steigt". Im Folgenden wird ein Effekt, der das Steigen des Wassers hauptsächlich verursacht, kurz erklärt: Wenn heiße Luft abgekühlt wird, dann zieht sich diese zusammen. Ein Unterdruck entsteht im abgeschlossenen oberen Glas durch das Abkühlen der Luft. Die so entstehende Druckdifferenz ist der Antrieb für das steigende Wasser. Je größer die Temperaturdifferenz desto größer ist der Druckunterschied und der damit verbundene Wasseranstieg. Der Versuch funktioniert auch ohne die Kerze, indem ein zuvor stark erhitztes Glas mit Eiswürfel schnell abgekühlt wird.  Weitere Effekte, die den Vorgang verstärken (Kondensieren von Wasserdampf, Lösen von CO2, ...) sind in der angegebenen Literatur zu finden. Der Versuch kann als Einstieg zum Thema Wärmekraftmaschinen verwendet werden.

 

Selbstdifferenzierende Aufgabenstellung:
Eine Öffnung des Unterrichts hin zum forschenden Lernen leistet für die Schüler einen wichtigen Beitrag zum selbstgesteuerten Lernen und zum kompetenzorientierten Wissenserwerb. Die im lehrerzentrierten Unterricht mit bis zu 33 Schülern oft vernachlässigten vorunterrichtlichen Schülervorstellungen spielen beim eigenständigen Forschen eine wichtige Rolle: Die Schüler nutzen ihre bestehenden Konzepte, diskutieren diese in der Gruppenarbeit und versuchen sie schließlich im Experiment wieder zu entdecken. Die eigenständige Beschäftigung mit dem naturwissenschaftlichen Phänomen kann dabei für Schülerinnen und Schüler ein Anlass sein, ihre Präkonzepte den naturwissenschaftlichen Konzepten anzunähern.Die Erforschung des Kerzenversuchs ist von Grund auf binnendifferenzierend. Eher schwache Schülergruppen können einfache Vermutungen wie z. B. das unterschiedliche Lösen von Gasen in gesüßtem oder gesalzenem Wasser ausschließen. Sehr gute Schülergruppen entdecken neben dem thermischen Effekt weitere Ursachen wie z. B. das Kondensieren von Wasserdampf am kühlen Teeglas.

 

Videos zum Kerzenversuch:
Experiment mit Kerze:
Das Wasser steigt erst an, nachdem die Kerze erloschen ist
Experiment I ohne Kerze:
Das Glas wird mit einem Heißluftföhn erwärmt - das Wasser wird durch den Überdruck nach draußen gepumpt.
Experiment II ohne Kerze:
Das Glas wird mit einem Heißluftföhn erwärmt und anschließend mit einem Eiswürfel gekühlt (Zeitrafferaufnahme)

 

Videos mit Anwendungen des Effekts:
Analogieexperiment:
Die heiße Luft dehnt sich im Glaskolben aus - kalte Luft zieht sich zusammen.
Stirlingmotor:
Nur mit heiß und kalt geht´s halt.
Dampfmaschine:
Ein kalter Dampfausgang erhöht die Effizienz.

 

Arbeitsblätter für den Unterricht:
Experimentieren mit dem Forschungskreislauf:
Word PDF
Ergebnissicherung zum forschenden Lernversuch:
Word PDF

 

Schülerlösungen aus dem Unterricht:
Hypothese: Kohlenstoffdioxid wird im Wasser gelößt.
PDF
Hypothese: Der Effekt funktioniert mit heiß und kalt.
PDF

 

 

Weiteres Material zur Unterrichtsstunde:

Start der Unterrichtsstunde:
Zur Motivation des Phänomens wurde den Schülern von einer peinlichen Begebenheit beim Date erzählt: "Eistee verschüttet!" (Bild1, Bild2). Wie kann man eine solche Situation wieder retten? Durch Zauberei! "Der Eistee geht von alleine mit Hilfe von Zauberkraft wieder in das Glas zurück". Das Experiment wurde mit Zauberhut und Kamera zur Vergrößerung durchgeführt (Video).

Fachliche Erklärung:
Der Effekt tritt auch auf, wenn die Luft im Glas kurz mit einem Heißluftföhn (500°C) erwärmt und das stehende Glas anschließend mit Eiswürfel gekühlt wird (Video).

Analogieexperiment:
Vom Phänomen zum Wärmemotor: Der Glaskolben wird abwechselnd in heißes und kaltes Wasser getaucht - der Kolben bewegt sich. Merksatz für die Anwendung als Motor: "Nur mit heiß und kalt geht´s halt." (Video)

Der einfachste Wärmemotor:
Der Stirlingmotor benötigt zum Betrieb auf der einen Seite eine warme Hand und zur Erhöhung der Temperaturdifferenz auf der anderen Seite Eiswürfel (Video). Bezug: Wissenschafts-Shop

Effekt bei der Dampfmaschine:
Wird der Ausgang der Dampfmaschine mit kaltem Wasser gekühlt, dann läuft die Dampfmaschine plötzlich fast doppelt so schnell. (siehe Glühbirne). Die Temperaturdifferenz zwischen heiß und kalt wurde vergrößert - die Effizienz der Dampfmaschine nimmt deutlich zu (Video). Bezug: Schneider Laborplan


Kohlekraftwerke:
Alle thermische Kraftwerke benötigen zum Betrieb "heiß" und "kalt". Zur Kühlung werden die Kraftwerke immer neben einem Fluss gebaut.

Zeitungsartikel: Problem der Kühlung im Sommer
Weitere Beispiele: Automotoren mit Kühler, ....
Bildquelle: Wikimedia Commons, Aufnahme von Dmitry A. Mott

 

Der Kerzenlift bei Jugend forscht:
Leonard Bauersfeld und Marcel Neidinger vom Hans-Thoma Gymnasium Lörrach:
1. Platz im Bereich Physik beim Regionalwettbewerb Südbaden 2013: Artikel Badische-Zeitung

Kerzenlift beim internationalen Physik-Weltcup 2013:
Der Kerzenversuch als weltweites Forschungsprojekt (Nr. 10):
IYPT Forschungsprojekte
International Young Physicists‘ Tournament 2013 in Taipei, Taiwan

Literatur zum Kerzenversuch:
H. J. Schlichting: "Die Kerzenpumpe", PdN - Physik 43/4 (1994)
D. Plappert: "Alles Klar! Der Sauerstoff verschwindet, das Wasser steigt!", PdN - Physik 4/61 (2012)
P. Bronner: "Differenzierung im Physikunterricht mit offenen Aufgaben und forschendem Lernen", PdN Physik, 6/62 (2013)

Zeitungsartikel zur Unterrichtsstunde:
MINT-Zirkel: "Offene Aufgaben in den Unterricht! Ein Unterrichtbeispiel ..." Ausgabe 01/02 (2013)
S. Höhl: "Date und Dampfmaschine"
, Badische Zeitung (07.07.2012)

 

Mechanische Anwendung aus der Antike:


Bild links: Vorderansicht der automatischen Türe
Bild rechts:
Rückansicht mit der Mechanik.

Alexandrinische Tempeltüren:Ein mysterisches Schauspiel in der Antike: Nach dem Entzünden eines Opferfeuers öffnen die Götter auf wundersame Weise die Tempeltüren! Doch wehe das Feuer erlischt: Sofort wird der Weg in den Tempel verschlossen. Unter den Türen agierten keine Götter sondern das physikalische Prinzip: "Nur mit heiß und kalt geht´s halt". Ein funktionsfähiges Modell der Türen kann im Wissenschaftsmuseum "Jahrtausendturm" in Magdeburg bewundert werden.
Erklärung der Türen anhand des rechten Bildes: Die Kugel rechts neben der Türe wird mit einem Bunsenbrenner erwärmt. Die Kugel ist dabei über einen Schlauch mit dem abgeschlossenem Wassergefäß in der Mitte verbunden. Die Luft in der Kugel dehnt sich aus und drückt die Flüssigkeit aus dem Wassergefäß in der Mitte nach links in das hängende offene Gefäß. Die Gewichtskraft des leeren Gefäßes auf der linken Seite wird durch ein Gewicht auf der rechten Seite ausgeglichen. Durch das einströmende Wasser im linken Gefäß ist kein Gleichgewicht mehr vorhanden und die Türen öffnen sich.
Wird die Kugel rechts neben der Türe abgekühlt, so schließt sich die Türe wieder.


Weitere antike Maschinen zum physikalischen Prinzip:
Spiegel-Online-Artikel

 

Erprobung der Aufgabe: Klasse 9c, Schuljahr 2011/12, Friedrich-Gymnasium Freiburg
Autor: Dr. Patrick Bronner
Inspiration zu den Versuchen: Prof. Dieter Plappert

Bilder und Videos: P. Bronner

 

  Start