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Arbeitsauftrag 3: Energie der Licht- und Wärmestrahlung

Arbeitsblätter Workshop

Arbeitsauftrag 3a:

Das Hauptziel der Aufgabe besteht darin, die Schülerinnen und Schüler darauf aufmerksam zu machen, dass Licht häufig von Wärmestrahlung begleitet wird und auf beide Weisen Energie übertragen wird. Körper, die erglühen, weil sie erhitzt sind, strahlen einen großen Teil der Energie in Form von Wärmestrahlung aus. Die oben erwähnte Glühbirne strahlt 5 – 10% der Energie als Licht, den Rest als Wärme aus. Verschiedene Lichtquellen basieren auf unterschiedlichen Prinzipien, LEDs oder Leuchtstofflampen haben ein anderes Wärme-Lichtverhältnis, mit dem sie Energie abgeben: Sie geben im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen einen kleineren Anteil an Wärme ab. Die Schülerinnen und Schüler sollen daher bei diesem Arbeitsauftrag die Wärmeenergie messen, die von normalen Glühbirnen im Vergleich zu LED-Lampen abgegeben wird.

Arbeitsvorgang:

Bevor das Experiment startet werden die Schülerinnen und Schüler gebeten, zunächst abzuschätzen, wie das Experiment verläuft, bei dem das Aufheizen von schwarzem Papier durch a) eine normale Glühbirne und b) eine LED-Glühbirne beobachtet wird. Die Lehrerin/der Lehrer fragt die Schülerinnen und Schüler: „Schätze aufgrund deiner Erfahrungen ein, von welcher Lichtquelle das Papier schneller aufgeheizt wird.“ Es ist ratsam, die Schülerinnen und Schüler dies nur auf der Grundlage ihrer eigenen Erfahrung schätzen zu lassen oder sie an die Erklärung, warum herkömmliche Glühlampen durch andere künstliche Lichtquellen ersetzt werden, zu erinnern. Sie sollen zu diesem Zeitpunkt keine Annäherung der Hand oder eines anderen Körperteils an die Lichtquelle unternehmen.

Um den ersten Teil der Aufgabe experimentell umzusetzen, werden zwei Lichtquellen mit einem ähnlichen Lichtstrom, idealerweise eine Lampe mit normaler Glühbirne und eine mit LED-Glühbirne, vorbereitet. Zum Beispiel kann dazu eine 100-W-Glühlampe mit einem Lichtstrom von ca. 1.300 lm und eine LED-Glühbirne mit einer Leistung von ca. 13 Watt bei vergleichbarem Lichtstrom hergenommen werden. Weiterhin sind mehrere Thermometer mit einem Erfassungsbereich, der sich mindestens von der Raumtemperatur bis mindestens 50 °C/vorzugsweise bis zu 100 °C erstreckt, und schwarze Papierblätter vorzubereiten. In einem bestimmten Abstand zur Lampe mit der gewöhnlichen Glühbirne, werden das Papier und darunter ein Thermometer platziert. Unter die Lampe mit der LED-Glühbirne werden im gleichen Abstand ein zweites Papier und darunter ein Thermometer gelegt. Es ist darauf zu achten, dass die Thermometer und Papiere auf demselben Untergrund (z. B. Holztisch, Teppich, Linoleum) liegen. Die Lampen mit Glühbirne und LED-Glühbirne werden eingeschalten und die Temperatur wird in regelmäßigen Abständen an beiden Thermometern zeitgleich abgelesen. Die Messung kann nach Erreichen einer vereinbarten Zeit, einer bestimmten Anzahl an Messungen oder bei Überschreiten des Thermometerbereichs beendet werden. Nach Abschluss der Messung vergleichen die Schülerinnen und Schüler die resultierende Temperatur beider Thermometer. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass eine Lichtquelle mehr Wärme produziert. Das experimentell erhaltene Ergebnis kann mit der ursprünglichen Schätzung verglichen werden. Die Lehrkraft gibt den Schülerinnen und Schülern die folgende Instruktion: „Vergleiche deine ursprüngliche Einschätzung mit den Ergebnissen der Messung. Wenn es Unterschiede zwischen den eingeschätzten und gemessenen Werten gibt, versuche diese zu erklären.“ Den Schülerinnen und Schülern sollte ins Gedächtnis gerufen werden, dass beide Lichtquellen eine vergleichbare Lichtmenge abgeben.

Arbeitsauftrag 3b:

Der zweite Teil zum Thema „Energie der Licht- und Wärmestrahlung“ besteht darin zu überprüfen, wie unterschiedlich Körper mit verschiedenen Oberflächenfarben Wärme und Licht aufnehmen. Der ideale schwarze Körper absorbiert die gesamte einfallende Strahlung und wandelt sie in seine innere Energie um. Schwarzes Papier nähert sich trotz der Eigenschaft einer absolut schwarzen Oberfläche keineswegs einem idealen schwarzen Körper, dennoch sollte zu weißem Papier ein Unterschied deutlich erkennbar werden. Die Körper mit heller Oberfläche reflektieren das meiste der einfallenden Energie zurück in die Umgebung, wohingegen dunkle Körper sie absorbieren. Aus eigenen Erfahrungen sollten Schülerinnen und Schüler bereits das Vorwissen mitbringen, dass Körper mit dunkler Oberfläche in der Sonne schneller warm werden als Körper mit heller Oberfläche. Diese allgemein bekannte Tatsache wird durch das folgende Experiment bestätigt.

Arbeitsvorgang:

Für das Experiment wird eine Lichtquelle (idealerweise eine Lampe mit regulärer Glühbirne mit ca. 100 W), mehrere Thermometer mit einem Temperaturbereich bis zu mindestens 50 °C, vorzugsweise 100 °C, und schwarzes und weißes Papier benötigt. Unter eine eingeschaltete Glühbirne werden im selben Abstand ein weißes und ein schwarzes Papier gelegt. Unter die Papiere werden jeweils die Thermometer platziert. Sowohl Thermometer als auch Papiere müssen auf demselben Untergrund liegen (z. B. Holztisch, Teppich, Linoleum). Die Lehrerin/der Lehrer gibt den Schülerinnen und Schülern folgende Instruktion: „Schätze aufgrund deiner vorigen Erfahrungen ein, ob der schwarze oder der weiße Gegenstand mehr Energie aufnehmen und bei ihnen daher die Temperatur schneller steigt. Notiere deine Einschätzung.“ In regelmäßigen Abständen wird die Temperatur zeitgleich auf den Thermometern unter dem weißen und schwarzen Papier abgelesen und in die Tabelle eingetragen. Die Messung kann nach Erreichen einer vereinbarten Zeit, einer bestimmten Anzahl an Messungen oder bei Überschreiten des Thermometerbereichs beendet werden. Nach Abschluss der Messung vergleichen die Schüler die resultierende Temperatur beider Thermometer und ziehen die Schlussfolgerung, welches der verwendeten Papiere mehr Energie aufgenommen hat. Das experimentell erhaltene Ergebnis kann mit der ursprünglichen Schätzung verglichen werden. Die Lehrkraft gibt folgende Anweisung: „Vergleiche deine ursprüngliche Einschätzung mit den Ergebnissen der Messung. Wenn es Unterschiede zwischen den eingeschätzten und gemessenen Werten gibt, versuche diese zu erklären.“ Abschließend kann darauf hingewiesen werden, dass beide Papiere gleich weit von der Lichtquelle entfernt waren und somit eine vergleichbare Menge an Energie (Licht und Wärme) sie erreicht hat.

Wie kann ich den Arbeitsauftrag an die Fähigkeiten meiner Schülerinnen und Schüler anpassen?

  • Für schwächere Schülerinnen und Schüler genügt, wenn sie die Temperatur nach einer bestimmten eingestellten Zeit einmal ablesen und vergleichen
  • Begabte Schülerinnen und Schüler können die gemessenen Temperaturen in Diagrammen (Zeit und Temperatur als Achsen) darstellen und beide Kurven vergleichen. So sollte der Trend der Temperaturänderungen sichtbar werden. (Er sollte ungefähr linear sein.)