Kalter Kaffee?

"Stimmt es, dass zu heißer Kaffee schneller auf Trinktemperatur ist, wenn man gleich die Milch dazu schüttet?". Diese bekannte Frage kann die Grundlage einer Aufgabe zum forschenden Lernen sein. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei eigenständig eine Hypothese aufstellen, das Problem physikalisch modellieren, Experimente zur Bestätigung planen und schließlich durchführen. Der physikalische Hintergrund kann dabei je nach Klassenstufe qualitativ: "Je größer der Temperaturunterschied, desto ...." oder mit Hilfe der Exponentialfunktion quantitativ erforscht werden.

 Zunächst müssen die Schüler die reale Situation modellieren, vereinfachen und sich Gedanken zur Ausgangssituation machen:

  • Muss ich zum Experimentieren Kaffee und Milch verwenden?  (Wasser reicht aus)
  • Wie heiß ist der Kaffee? (z.B. 85°C)
  • Welche Trinktemperatur ist zu erreichen? (z. B. 45°)
  • Welche Temperatur hat die Milch? (z.B. 20°C).
  • Welche Menge an Kaffee und Milch wird verwendet? (z.B. 50% Kaffee, 50% Milch)
  • Wie führen wir das Experiment durch? (z.B. Gleichzeitig)
  • Wie nehmen wir die Daten auf? (Digitales Thermometer, Datenerfassung)

Je nach Vorwissen der Schülerinnen und Schüler kann die Offenheit der Aufgabenstellung durch die genannten Angaben verringert werden.

 

Von der Realsituation zum Modell.


Modellierung: Gleiche Kaffee- (hinten) und Milchmenge (vorne):
Unterschiedliche Zeitpunkte zum Einfüllen: links: Sofort, rechts: nach 4 Minuten

 

Erst nach der genauen Planung der Experimente (z. B. anhand des Forschungskreislaufs) dürfen sich die Schüler am Experimentiertisch bedienen und das Experiment durchführen. Je nach Schulausstattung können die Schüler dabei auf moderne Messwerterfassung zurückgreifen. Die Messergebnisse der Schüler werden anschließend präsentiert und zeigen fast bei allen ein eindeutiges Ergebnis: Die Milch sollte erst später in den Kaffee geschüttet werden! Das Herleiten einer geeigneten physikalischen Erklärung viel dabei einigen Schülern schwer. "Je größer die Temperaturdifferenz, desto größer ist der Wärmestrom aus dem Kaffee".

 


Rote Kurve: Milch wird nach 4 Minuten hinzugefügt.
Grüne Kurve: Milch wird sofort hinzugefügt.

 

Quantitativer Zusammenhang:
Für die Sekundarstufe II kann das Experiment mit Exponentialfunktionen verknüpft werden:
Artikel: Stimmt´s: Kalter Kaffee - Zeit Online Wissen

Arbeitsblätter für den Unterricht:
Experimentieren mit dem Forschungskreislauf:
Word PDF

 

Autor und Bilder: Patrick Bronner, Friedrich-Gymnasium Freiburg