Klaus Liebers

Nachweis und Messung des Luftdrucks (I)

Luftdruck Messung Experimente
Versuchsaufbau zur Messung des Luftdrucks mit einem verschlossenen Kolbenprober und Wägestücken

Klaus Liebers

Versuch Sek. I/II Lehrer
Zeit: ca. 10 min
Didaktische Ziele
  • überraschendes Kennlernen des Luftdrucks
  • Nachweis der Allseitigkeit des Luftdrucks
  • Messen des Luftdrucks
Material
  • Kolbenprober mit Hahn
  • Wägestücke (1 kg, 2 kg, 5 kg) je nach Kolbenquerschnitt bis zu einer Gesamtmasse von 7 kg
  • starker Bindfaden
  • kleine Trittleiter
Vorbereitung und Versuchsaufbau
Vor dem Versuch benetzt man den Kolben zum Abdichten mit Wasser. Nach dem Einsaugen von Wasser dreht man den Kolbenprober um und drückt die Luft zusammen mit etwas Wasser aus dem Kolbenprober heraus, bis innen etwa 1 – 2 cm Wasser zurückbleiben. Danach schließt man den Hahn.
Am Bindfaden bringt man bereits in der Vorbereitung eine Schlaufe an, mit der man den Faden am Kolben einhängen kann. Weitere Schlaufen dienen zum Einhängen der Wägestücke an den Faden. Die Wägestücke stellt man in einer Reihe auf den Tisch und hängt alle am Bindfaden ein. Zuletzt zieht man die Schlinge am Kolben fest (s. Abb. 1 ).
Durchführung
Man hebt nun den Kolbenprober mit der Hand allmählich in die Höhe; erleichtert wird dies durch eine Trittleiter. Mit zunehmender Höhe ziehen mehr Wägestücke am Kolben. Erst bei einer bestimmten Last beginnt der Kolben schließlich zu rutschen. Nun muss man die letzten Wägestücke schnell auf dem Tisch absetzen. Kennt man aus einer Erprobung die zum Rutschen des Kolbens erforderliche Gesamtmasse, kann man den Versuch für die Schülerinnen und Schüler höchst überraschend gestalten, wenn zum Schluss ein oder zwei zusätzlich eingehängte kleine Wägestücke den Ausschlag geben.
Variante 1:
Man befestigt jedes Wägestück einzeln am Kolbenprober, sodass diese wie eine Traube daran ziehen.
Variante 2:
Man lässt den Faden über eine feste Rolle laufen. Man kann so zusätzlich die horizontale Wirkung des Luftdrucksund damit dessen Allseitigkeit noch überzeugender demonstrieren.
Beobachtung
Trotz der zunehmenden Last rutscht der Kolben lange keinen Millimeter nach unten bis er schließlich unter der Kraft zusätzlicher kleiner Wägestücke doch zu rutschen beginnt.
Auswertung
  • Beginnt der Kolben zu rutschen, ist die Zugkraft der Wägestücke größer als die Kraft des Luftdrucks auf die Kopffläche des Kolbens.
  • Der Luftdruck wirkt auch nach oben.
  • Mit dem Berechnen des Querschnitts kann der Luftdruck nahezu exakt bestimmt werden.
Quellen
Das Experiment ist eine Variation einer Idee von G. Galilei. In der Sek. II könnte sich dazu ein historischer Exkurs anschließen:
[1]Galileo Galilei: Unterredungen und mathematische Demonstrationen über zwei neue Wissenszweige, die Mechanik und die Fallgesetze betreffend. Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften. Band 11. Verlag Harry Deutsch.
[2]Liebers, Klaus: Das Wunder Vakuum. Experimente, die Geschichte schrieben. Berlin: epubli, 2016.

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aus: Unterricht Physik Nr. 161 / 2017

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Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 8-13