Demonstrations- und Freihandexperimente zur Thermodynamik · PDF file Thermodynamik...

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  • Stefan Stangl

    Demonstrations- und Freihandexperimente zur Thermodynamik

    Diplomarbeit

    zur Erlangung des akademischen Grades eines

    Magisters

    an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der

    Karl-Franzens-Universität Graz

    Ao. Univ.- Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Pottlacher

    Technische Universität Graz

    Institut für Experimentalphysik

  • 2018/2019

  • I

    EHRENWÖRTLICHE ERKLÄRUNG

    Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe

    verfasst, andere als die angegebenen Quellen nicht benutzt und die den Quellen wörtlich oder

    inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Die Arbeit wurde bisher in

    gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen inländischen oder ausländischen Prüfungsbehörde

    vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Die vorliegende Fassung entspricht der

    eingereichten elektronischen Version.

    Datum: Unterschrift:

  • II

    DANKSAGUNG

    Besonderer Dank gilt meinen Eltern, die mich sowohl im Laufe meines Studiums als auch in

    jeglichen Entscheidungen meines Lebens immer unterstützt haben.

    Ebenfalls bedanken möchte ich bei Herrn Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot

    Pottlacher, ohne dessen hervorragende Betreuung, Zeit und der von ihm zur Verfügung

    gestellten Geräte und Räumlichkeiten diese Arbeit nicht zustande gekommen wäre.

    An dieser Stelle möchte ich mich auch bei meinen Freunden bedanken, die mir die Zeit

    meines Studiums unvergesslich gemacht haben.

  • III

    DEMONSTRATIONSXPERIMENTE

    ZUR THERMODYNAMIK

    vorgelegt von Stefan Stangl

    Fachbereich: Experimentalphysik 1

    Betreuer: Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Pottlacher

    Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Aufbau, die Durchführung und die

    zugrundeliegenden physikalischen Prozesse von Experimenten im Fachbereich der

    Thermodynamik zu beschreiben und zu erklären. Die dafür ausgewählten Themen geben einen

    Überblick über die Thermodynamik und decken sich zu einem großen Teil auch mit den im

    AHS-Lehrplan vorgesehenen Schwerpunkten für den Physikunterricht. Die Vorgehensweise,

    welche zur Erarbeitung der Themen gewählt wurde, sieht eine theoretische Einführung in das

    jeweilige Kapitel und einen anschließenden experimentellen Teil zur Veranschaulichung der

    Thematik vor. Es wurden insgesamt 43 Experimente, aufgeteilt auf die einzelnen Kapitel,

    durchgeführt und in einer Art und Weise dokumentiert, die es jeder Leserin bzw. jedem Leser

    ermöglicht, die jeweiligen Experimente sowohl in deren Aufbau als auch deren

    zugrundeliegende Phänomene nachvollziehen zu können. 35 der durchgeführten Experimente

    wurden auf Video aufgezeichnet und auf einen YouTube-Kanal hochgeladen.

    Über diesen fachlichen Schwerpunkt hinausgehend wird auch der fachdidaktische Aspekt und

    die Rolle von Demonstrationsexperimenten im Physikunterricht betrachtet. Dabei stehen die

    Funktionen des Experiments im Unterricht, die Forderungen des Lehrplans, die

    Gegenüberstellung von Schüler- und Demonstrationsexperimenten sowie die Auswirkungen

    von Experimenten auf den Lernzuwachs der Schülerinnen und Schüler im Vordergrund.

  • IV

    DEMONSTRATION EXPERIMENTS

    IN THERMODYNAMICS

    by Stefan Stangl

    subject area: experimental physics 1

    supervisor: Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Pottlacher

    The focus of this thesis is to describe and explain the setup, the performance and the basic

    physical principles of experiments in the field of thermodynamics. The topics chosen give an

    overview on the subject and correlate for the most part with the topics provided in the

    curriculum for high-school physics lessons. The approach chosen to develop said topics was to

    provide a theoretical foundation of the topic first and then give examples via experiments to

    illustrate the subject matter. Overall 43 experiments, distributed on the various topics, have

    been conducted and have been documented in such a way, that the reader can comprehend the

    experiments in their setup as well as their underlying phenomena. 35 of the conducted

    experiments have been recorded on video and have been uploaded to a YouTube channel.

    In addition to the subject-specific focus of the thesis, the teaching methodology and the function

    of experiments in physics lessons are evaluated. The main topics in this section include the role

    of the experiment in the class, the expectations of the curriculum, the comparison of student

    experiments to demonstration experiments as well as the influence of experiments on the

    learning process of the students.

  • V

    INHALTSVERZEICHNIS

    1. Einleitung ......................................................................................... 1

    2. Fachdidaktik ..................................................................................... 2

    2.1 Das Experiment im Physikunterricht ............................................................................ 2

    2.2 Funktionen von Experimenten ...................................................................................... 3

    2.3 Auswirkungen auf den Lernzuwachs ............................................................................ 4

    2.4 Schülerexperiment - Demonstrationsexperiment .......................................................... 5

    2.5 Forderungen des Lehrplans ........................................................................................... 7

    2.5.1 Forderungen des Lehrplans für die AHS-Unterstufe ............................................ 7

    2.5.2 Forderungen des Lehrplan für die AHS-Oberstufe ............................................... 9

    3. Theorie und Experimente ............................................................... 11

    3.1 Temperatur ...................................................................................................................... 11

    3.1.1 Temperatur und thermische Bewegung ................................................................... 11

    3.1.2 Temperaturmessung ................................................................................................. 12

    3.1.3 Temperaturskalen ..................................................................................................... 13

    3.1.4 Neudefinition des Kelvin ......................................................................................... 14

    3.1.5 Thermische Ausdehnung ......................................................................................... 15

    Experiment 1: Längenausdehnung durch Wärmezufuhr („Bimetallstreifen“) ............. 17

    Experiment 2: Volumsausdehnung einer Eisenkugel unter Wärmezufuhr .................. 18

    Experiment 3: Volumsausdehnung einer Flüssigkeit unter Wärmezufuhr .................. 19

    Experiment 4: Volumsausdehnung von Luft unter Wärmezufuhr ............................... 20

    3.2 Wärme ............................................................................................................................ 21

    3.2.1 Wärme und Wärmeenergie ...................................................................................... 21

    3.2.2 Innere Energie .......................................................................................................... 21

    3.2.3 Mechanisches Wärmeäquivalent ............................................................................. 22

    Experiment 5: Mechanisches Wärmeäquivalent .......................................................... 23

  • VI

    3.3 Wärmekapazität .............................................................................................................. 24

    3.3.1 Spezifische Wärmekapazität .................................................................................... 24

    3.3.2 Kalorimetrie ............................................................................................................. 25

    Experiment 6: Wärmekapazität eines Kalorimeters und eines Probekörpers .............. 26

    Experiment 7: Der nicht platzende Ballon ................................................................... 28

    3.4 Der erste Hauptsatz der Wärmelehre .............................................................................. 29

    3.5 Kinetische Gastheorie ..................................................................................................... 29

    3.5.1 Das Modell des idealen Gases ................................................................................. 29

    3.5.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases ............................................................... 30

    3.5.3 Isochore Zustandsänderung ..................................................................................... 31

    3.5.4 Isotherme Zustandsänderung ................................................................................... 32

    3.5.5 Isobare Zustandsänderung .................................................