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Unterrichtsverlauf

1. Schritt: Wir messen die Auftriebskraft

Zur Einführung weist die Lehrkraft darauf hin, dass die Kinder im bisherigen Unterricht gelernt haben, wie der Auftrieb auf einen ins Wasser eingetauchten Gegenstand zustande kommt, aber nicht wie groß er auf einen bestimmten Gegenstand ist, z.B. auf diesen oder jenen Stein (zeigt zwei unterschiedlich große Steine). Als nächstes wird der Federkraftmesser vorgestellt und seine Funktion an einigen Beispielgegenständen erläutert.

Anschließend wird für einen der Gegenstände die Erdanziehungskraft gemessen und notiert. Dann wird er in das Wasser eingetaucht und die Anzeige erneut notiert, es wird ein kleinerer Wert angezeigt. Das Gespräch darüber, was dieser Rückgang der Kraftanzeige bedeutet, führt zu dem Ergebnis, dass die Differenz der beiden Kraftanzeigen gerade die Größe der Auftriebskraft angibt. Empfehlenswert ist die Verwendung eines schmalen Gefäßes (Einweckglas), bei dem der Anstieg des Wasserspiegels beim Eintauchen des Gegenstandes beobachtet werden kann. Dies ist für Schritt 2 nützlich.

Zur Übung wird für ein, zwei andere Gegenstände die Auftriebskraft bestimmt. Für den im nächsten Schritt verwendeten Gegenstand bleibt die Tafelanschrift für die Größe der Auftriebskraft stehen.

 

2. Schritt: Die Auftriebskraft und die Erdanziehungskraft auf das vom Gegenstand verdrängte Wasser – Das Archimedische Prinzip

Zunächst wird mit den Kindern besprochen, dass an der Stelle, wo sich ein ins Wasser eingetauchter Gegenstand befindet, jetzt natürlich kein Wasser mehr sein kann. Man sagt auch, der Gegenstand hat dort das Wasser verdrängt. Dass das Wasser von dort verschoben wurde, wird deutlich durch den Anstieg der Wasseroberfläche. Durch die Gefäßwände kann es nur nach oben ausweichen.

Die Lehrkraft zeigt den Kindern nun den Zusammenhang zwischen der Größe des Auftriebs und der Erdanziehungskraft auf das verdrängte Wasser. Dazu muss bestimmt werden, wieviel Wasser der Gegenstand verdrängt. Ein gut geeignetes Hilfsmittel ist ein vorbereitetes Überlaufgefäß. Der Gegenstand wird eingetaucht und seinem Volumen entsprechend fließt eine bestimmte Wassermenge in den danebenstehenden Becher. Dieser wird an den Federkraftmesser gehängt, die Erdanziehungskraft wird abgelesen und ihr Wert neben den im vorigen Schritt gewonnenen Wert der Auftriebskraft geschrieben. Das erstaunliche Ergebnis: Die Auftriebskraft auf den Gegenstand ist genauso groß wie die Erdanziehungskraft auf das vom Gegenstand verdrängte Wasser! Das ist das sogenannte Archimedische Prinzip.

 

3. Schritt: Anwendungen des Archimedischen Prinzips und Folgerungen
  1. Hängt die Größe der Auftriebskraft von der Größe (dem Volumen) des eingetauchten Gegenstandes ab?
    Antwort: Ein größerer Gegenstand verdrängt mehr Wasser, also ist der Auftrieb größer.

  2. Zusammenhang mit Sinken, Schweben, Steigen und Schwimmen:
    • Ist die Erdanziehungskraft auf das verdrängte Wasser kleiner als die Erdanziehungskraft auf den Gegenstand, dann sinkt er.
    • Ist die Erdanziehungskraft auf das verdrängte Wasser gleich groß wie die Erdanziehungskraft auf den Gegenstand, dann schwebt er im Wasser.
    • Ist die Erdanziehungskraft auf das verdrängte Wasser größer als die Erdanziehungskraft auf den Gegenstand, dann steigt er, bis er aus dem Wasser herausragt und schwimmt.

  3. Ein Schiff wird ins Wasser gelassen
    Kleinere Schiffe werden mit einem Kran ins Wasser gelassen. Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit das Schiff an der Wasseroberfläche schwimmt und nicht untergeht? Antworten: Wenn es in das Wasser eintaucht, nimmt mit der Einsinktiefe der Auftrieb zu, die Erdanziehungskraft auf das Schiff bleibt. Wenn der Auftrieb genauso groß geworden ist wie die Erdanziehungskraft, schwimmt das Schiff, ohne tiefer einzusinken. Es sinkt soweit in das Wasser, bis Auftrieb und Erdanziehungskraft gleich groß sind.

    Mit dem Archimedischen Prinzip argumentiert: Je tiefer das Schiff einsinkt, desto mehr Wasser verdrängt es. Der Auftrieb nimmt dadurch zu, bis er so groß wie die Erdanziehungskraft auf das Schiff ist.

  4. Ladevermögen
    Wie kann man das Ladevermögen eines Schiffes vergrößern? Je mehr Wasser ein Schiff verdrängen kann, desto größer ist der Auftrieb auf das Schiff und desto mehr kann es an Ladung aufnehmen. Zur Demonstration werden zwei gleich große Stücke Alufolie und einige Glasmurmeln, Eisenmuttern o.Ä. als Ladung bereit gelegt. Aus den Alufolien werden zwei Schiffe geformt, ein sehr kleines und ein deutlich größeres. Beide Schiffe sind gleich schwer. Dann werden sie in eine Schüssel gesetzt und schrittweise gleichzeitig mit jeweils einem Ballaststück beladen. Das kleinere Schiff versinkt bei einer geringeren Beladung als das größere, das aufgrund seiner Größe mehr Wasser verdrängen kann und damit eine größere Auftriebskraft haben kann.


Abb. 7.3: Verschieden große Schiffe aus Alufolie, beladen mit gleichen Schrauben; das kleinere Schiff sinkt bei dieser Belastung

Eine Variante: Zwei Schachteln, deren Grundflächen im Verhältnis 1:2 stehen, werden so beladen, dass sie gleich tief im Wasser schwimmen. Dann trägt die größere Schachtel eine doppelt so große Last wie die kleinere (Abb. 7.4a und Abb. 7.4b).


Abb.7.4a und 7.4b: Die doppelt so große Schachtel trägt bei gleicher Eintauchtiefe die doppelt so große Last

Eine weitere Variante benutzt aus wasserunlöslicher Knete verschieden geformte Boote.

Mit einem Überlaufgefäß kann der unterschiedlich große Auftrieb auch noch über die verschieden große Menge des verdrängten Wasser gezeigt werden (vgl. Abb. 7.3: beide Schiffe befinden sich in einem Überlaufgefäß).

 

 

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