1. Einleitung
2. Sachwissen
2.1 Die Erdumkreisung
2.2 Auftrieb des Heißluftballon
3. Der Unterricht
unter anderem:
- Unterrichtseinstieg
- Versuch 1: Der Geist in der Flasche
- Versuch 2: Der Geist in der Flasche
- Versuch 3: Die blubbernde Flasche
- Versuch 4: Gewicht der Luft
- Versuch 5: Ausdehnung von Mais bei Erhitzung
- Versuch 6: Das erste Mais-Experiment
- Versuch 7: Das zweite Mais-Experiment
- Versuch 8: Der fliegende Teebeutel
- Versuch 9: Bau und Start eines eigenen Heißluftballons
4. Fazit
5. Literaturverzeichnis
Anhang
Viele Kinder sind, obwohl ihnen im alltäglichen Leben so oft das Gegenteil bewiesen wird (Luftballons, Seifenblasen, Luftpumpe usw.) der Meinung, dass Luft nichts ist.
Umso interessanter ist es, die Schüler selbst erforschen zu lassen, dass Luft nicht nur keinesfalls nichts ist, sondern dazu noch so viele faszinierende Eigenschaften besitzt.
Ich denke, dass dieses Thema besonders gut für den Physik-Unterricht in der Grundschule geeignet ist, da man viele ungefährliche Versuche mit den Schülern durchführen und damit den Unterricht interessant gestalten kann.
Auf den folgenden n werde ich deshalb versuchen die Idee einer Unterrichtseinheit zu entwickeln, in der man den Schülern der Grundschule das Thema „Auftrieb“ mit Freude vermitteln kann.
Ich werde hierzu auch auf die erste Erdumkreisung eingehen, welche 1999 Bertrand Piccard und Brian Jones gelang.
Da im Rahmenplan Grundschule für Hessen empfohlen wird, in der Grundschule (dritte Klasse) nur die Tragfähigkeit und Ausdehnung von Luft zu erproben, werde ich allerdings nur kurz auf die Besonderheit des Ballons, welchen Piccard und Jones bei ihrem Weltrekord benutzten, eingehen und mich sonst auf normale Heißluftballons beschränken.
Ich werde meine Idee für eine Unterrichtseinheit zu diesem Thema, wie empfohlen, in Form eines Briefes an einen mir unbekannten Lehrer verfassen.
Als besonderen Abschluss werde ich einen eigenen Ballon basteln, der sich auch für die Grundschule zum Nachbau eignet, und den Bau sowie den Start mit Fotografien und einem Video dokumentieren.
Am 1.März 1999 starteten der Pilot Bertrand Piccard und sein Co-Pilot Brian Jones ihren dritten Versuch, die Erde in einem Ballon zu umrunden, und schafften es. Niemand, nicht einmal sie selbst, hatten nach zwei Fehlversuchen noch geglaubt, dass es klappen würde. Die Nervosität war groß, denn sie wussten, dass dies nicht nur der dritte, sondern auch der letzte Versuch für sie sein würde, da ihr Sponsor sie verstehen ließ, dass er einen weiteren Fehlversuch nur mit einem Rückzug aus dem Projekt kommentieren würde.
Der Ballon, mit dem sie flogen war eine sogenannte Rozière.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Rozière[1]
werden Butangasbrenner genutzt.
Es war lange Zeit ungewiss, ob Piccard und Jones überhaupt noch eine Chance bekommen würden, da die „Ballon-Jahreszeit“ sich immer mehr dem Ende näherte und kein geeignetes Wetterfenster in Aussicht stand, welches sie um die Welt führen konnte. Doch Ende Februar, als sie schon dabei waren ihre Zelte abzubrechen, bekamen sie endlich das „OK“ ihrer Meteorologen, da ein geeignetes Wetterfenster in Sicht war.
Das größte Problem, das sie während ihrer Fahrt, die am 01.03.1999 in Chateaux d`Oex in der Schweiz begann, meistern mussten, waren die großen Sperrgebiete, besonders über China, die sie nicht passieren durften. Doch hierfür hatten sie die Unterstützung der Meteorologen ihres Genfer Bodenteams.
Als sie am 21.03.1999 in der ägyptischen Wüste landeten, war es sicher, sie waren die ersten Menschen, die die Erde ohne Zwischenlandung in einem Ballon umfahren hatten.
Mit einem normalen Heißluftballon wäre die Umkreisung der Erde niemals möglich gewesen, da für eine so lange Fahrt sehr viel Brennstoff benötigt würde, um ihn am Himmel zu halten. Der normale Brennstoffvorrat eines Heißluftballons reicht aber gerade mal für eine Fahrt von cirka zwei Stunden. Auch mit einem Gasballon hätte sich die Umfahrung der Erde zu schwierig gestaltet. Dieser wird zwar schon durch das Gas in der Luft gehalten, doch das Steigen und Sinken ist mit ihm zu schwerfällig.[2]
Ihren Weltrekord verdankten Piccard und Jones also unter anderem der Erfindung von Pilâtre de Rozier, der Rozière.
Hinzu kamen die Vorteile, die sie durch die inzwischen so ausgereifte Technik des Ballons und im Ballon (Druckkapsel, Funkgeräte usw.), die inzwischen relativ genauen Wettervorhersagen und besonders das Wissen, dass sie über den Jetstream hatten. Der Jetstream ist ein etwa 200 km breiter Wind, der sich in einer Höhe von cirka 10 000 Metern mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 km/h um die Erde schlängelt.[3] Ohne das Wissen über ihn und die Nutzung von ihm wäre eine Umfahrung der Welt, besonders eine derart zügige, in weniger als zwanzig Tagen, überhaupt nicht möglich gewesen.
Luft übt auf jeden Körper Druck aus. Da die Dichte der Luft mit zunehmender Höhe abnimmt, ist der Druck, den sie von unten auf einen Körper ausübt, höher als ihr Druck von oben.
Die Auftriebskraft eines Körpers entsteht durch die Differenz des Drucks von unten (mal der Fläche, auf die Druck ausgeübt wird) und des Drucks von oben (mal der Fläche, auf die Druck ausgeübt wird).
Da die Auftriebskraft eines Körpers immer gleich der von ihm verdrängten Luftmenge ist, ist der Auftrieb größer, um so umfangreicher ein Gegenstand ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die aus der Erdanziehung resultierende Gewichtskraft des Körpers ist das, was ihn dennoch am Boden hält. Möchte man nun, dass ein Körper nach oben steigt, so muss man dafür sorgen, dass die Gewichtskraft des Gegenstandes geringer wird als seine Auftriebskraft.
Bei einem Heißluftballon kann man das folgendermaßen erreichen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wenn Luft erhitzt wird, so dehnt sie sich aus. Das bedeutet, die Masse der Luft bleibt gleich, aber ihr Volumen wird größer. Wird Luft in einem Heißluftballon erhitzt, so strömt die Luft, die aufgrund Abb.2: Auftrieb[4] ihrer Ausdehnung keinen Platz mehr in ihm hat, nach draußen. Durch diesen Luftverlust wird der Ballon leichter und im idealen Fall ist nun die Auftriebskraft größer als seine Gewichtskraft. Dadurch steigt der Ballon. Da Luft mit zunehmender Höhe eine immer geringere Dichte hat und somit der Druck, den sie von oben auf die Ballonhülle ausüben kann, mit zunehmender Höhe immer geringer wird, ist es für den Auftrieb eines Heißluftballons von
Vorteil, wenn er relativ hoch ist.[5]
Ich möchte Ihnen hiermit auf ihre Anfrage bezüglich der Gestaltung einer Unterrichtseinheit zum Thema „Die Erdumkreisung in einem Ballon“ einige Anregungen geben.
Als erstes möchte ich darauf hinweisen, dass es von Vorteil wäre, den Unterricht zu einer möglichst kalten Zeit im Jahr durchzuführen, da dann die Erhitzung (im Vergleich zur Raum- bzw. Außentemperatur) der Versuchsgegenstände um vieles vereinfacht wird.
Unterrichtseinstieg:
Als Unterrichtseinstieg empfehle ich, sofort mit einem Experiment zu beginnen, da Grundschüler zumeist begeistert bei Experimenten mitmachen und so ihr Interesse für das kommende Thema geweckt wird.
Versuch 1: Der Geist in der Flasche
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Man benötigt:
Eine hitzebeständige Flasche, ein Gestell, einen Gasbrenner und einen Luftballon.
(Das Experiment ist auch mit einem einfachen Kochfeld und einer Metallflasche, z.B. Ölflasche, möglich)
Durchführung:
Der Gasbrenner wird unter das Gestell und die Flasche darauf gestellt. Über den Flaschenhals wird der Ballon gezogen. Der Lehrer entfacht nun den Gasbrenner und erhitzt die Flasche.
Beobachtung:
Der Ballon bläst sich während der Erhitzung der Flasche auf.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1. Fertige eine eigene Beschreibung des Ballon-Versuches an und male dazu passende Bilder.
2. Überlege, warum sich der Ballon von alleine aufbläst.
Wahrscheinliches Schülerergebnis:
Die Luft wird warm, steigt deshalb nach oben und füllt so den Ballon.
Dieses Experiment kann aber auch durch das folgende ersetzt bzw. ergänzt werden, welches den Vorteil hat, dass die Schüler es selbst durchführen können. Dies wirkt sich insofern positiv aus, da beim eigenen Experimentieren leichter die Zusammenhänge erkannt werden können. Zudem ist der Lerneffekt beim eigenen Erproben größer, denn „ Kinder behalten am besten, was sie selbst ausprobieren können.“[6]
Versuch 2: Der Geist in der Flasche 2[7]
Man benötigt (pro Tischgruppe):
Eine kalte, leere Flasche (welche möglichst eine Nacht im Kühlschrank stand) und eine Münze.
Durchführung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Öffnung der kalten Flasche wird mit einer Münze verschlossen. Damit sie die Flasche möglichst luftdicht verschließt kann man die Flaschenöffnung zuvor etwas anfeuchten. Mehrere Schüler sollen nun mit ihren Händen die Flasche umfassen (sie warm halten).
Beobachtung:
Die Münze fängt an, unruhig auf dem Flaschenhals herumzuhüpfen.
Luft entweicht.
Fragestellung:
- Warum, denkt ihr, bewegt sich die Münze?
Wahrscheinliches Schülerergebnis:
Die Luft wird warm und steigt deshalb nach oben.
Weil der Flaschenhals mit der Münze verschlossen ist, drückt die Luft diese weg.
Nach diesen Versuchen halte ich es für sinnvoll, ein Klassengespräch anzuregen, in dem die Schüler ihre Vermutungen äußern sollen, warum der Ballon sich aufbläst bzw. die Münze auf dem Flaschenhals rumhüpft. Eine Sammlung der Ergebnisse in den Heften erscheint mir zu diesem Zeitpunkt verfrüht, da die Schüler wahrscheinlich nur vermuten, dass warme Luft nach oben steigt, sie aber noch nichts über den Zusammenhang mit der Ausdehnung der Luft bei Erhitzung wissen.
Als Gegenversuch für ihre Vermutung kann der Lehrer deshalb den folgenden Versuch heranziehen.
Versuch 3: Die blubbernde Flasche[8]
Man benötigt:
Eine kalte, leere Flasche (welche möglichst eine Nacht im Kühlschrank stand), Wasser, eine Schüssel.
Durchführung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Schüssel wird mit Wasser gefüllt und die Flasche wird mit ihrer Öffnung in das Wasser getaucht. Einige Schüler sollen die Flasche
umfassen und so mit der Temperatur ihrer Hände erwärmen.
Beobachtung:
Es blubbern Luftblasen aus der Öffnung der Flasche heraus.
Da die Schüler sich das Phänomen, dass warme Luft auch nach unten steigen kann, wahrscheinlich nicht erklären können, muss nun eine Beschreibung des Lehrers erfolgen, dass sich alle Stoffe (abgesehen von der Anomalie des Wassers), also auch Luft, bei Erhitzung ausdehnen.
[...]
[1] http://www.ballonfahrer-online.de/bo_ballontypen/bo_roz/bo_roziere1.html#aufbau
[2] vgl.: Gebauer, Thomas. (2001). Verschiedene Ballontypen.
(http://www.ballonfahrer- online.de/bo_ballontypen.html)
[3] vgl.: Der Jetstream. Was ist der Jetstream? (http://th04acc0162.swisswebaward.ch/?=wissenschaft)
[4] http://www.johanneum.de/index.php?group=25&fetch=117
[5] vgl.: http://www.johanneum.de/index.php?group=25&fetch=117
[6] Mogge-Stubbe, Birgitta (2005). Sachkunde. Frühe Übung macht den Meister. 03.02.2005.
(http://www.merkur.de/aktuell/mp/mp_050503.html)
[7] vgl.: Warme Luft – Die Münze auf der Flasche. (http://www.3sat.de/nano/titel/luftikus.pdf.)
[8] vgl.: Warme Luft – Die Münze auf der Flasche. (http://www.3sat.de/nano/titel/luftikus.pdf.)
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