Physikalische Größen (Volumen, Kraft, Zeit, Gewicht)

Volumen

Eine Volumenmessung vorzunehmen, bedeutet die Fläche, welche eine Substanz oder ein Körper einnimmt zu bestimmen. Ein dafür geeignetes Messgerät ist der Messzylinder. Mit ihm ist möglich, das Volumen von flüssigen oder losen Stoffen direkt zu messen. Das Volumen eines Festkörpers kann leicht durch Eintauchen in Wasser (oder andere Flüssigkeiten) anhand der verdrängten Flüssigkeit gemessen werden. Das Volumen des vermessenen Körpers ergibt sich aus der Differenz des Wasservolumens vor und nach dem Eintauchen. Es ist auch möglich, das Volumen von gasförmigen Substanzen mit dem Messzylinder zu erfassen. Dazu braucht es einige Schritte: in ein Gefäß mit Wasser wird z.B. eine mit Wasser gefüllte PET-Flasche über Kopf gestellt. Jetzt wird durch einen Schlauch und durch die Öffnung der PET-Flasche das Gas eingefüllt. Das Gas wird das Wasser verdrängen. Je nachdem, wie viel Wasser verdrängt wird, kann diese an der PET- -Flasche vermerkt werden (z.B. 100 ml wurden aus der Flasche in den Topf gedrängt, jetzt kann „100ml“ an die PET-Flasche auf der Höhe des Wasserstandes eingezeichnet werden). So kann nach und nach eine Skala entstehen. Ein solches Verfahren kann auch zur Herstellung eines Spirometers (einem Gerät zur Messung des Lungenvolumens) verwendet werden. Das Lungenvolumen eines erwachsenen Mannes beträgt etwa 4,5 Liter. Daher wird die Verwendung eines 5-Liter-Kanisters empfohlen.

Gewicht

Zur Gewichtsbestimmung können Waagen, die auf verschiedenen Prinzipien basieren, verwendet werden. Balkenwaagen, an denen das Prinzip, mit bekannten Gewichten unbekannte zu bestimmen, sind geläufig. Die am häufigsten verwendeten Waagen basieren auf dem Verformungsprinzip elastischer Körper. Diese basieren auf der Messung des Verformungsgrades des elastischen Körpers (z. B. der Feder). Eine solche Waage kann leicht aus normalen Büromaterialien gebaut werden. Beispielsweise kann eine Feder, ein Gummiband und ein Lineal verwendet werden. Wird beispielsweise der Verformungsgrad der Feder bei bekannten Gewichten auf einem Papier an der Wand neben der Feder aufgezeichnet, kann man eine Skala erarbeiten, die auf das unbekannte Gewicht von anderen Gegenständen schließen lässt.

Zeit

Zeit wurde bereits vor dem Neolithikum (8.000 v. Chr.) aufgezeichnet und bestimmt. Naturereignisse, die sich regelmäßig wiederholten, wurden schon immer zur Bestimmung der aktuellen Zeiten verwendet. Die am besten beobachtbaren und damit am meisten beobachteten Objekte, waren die Sonne, der Mond und die Sterne. Sie waren auch in ihrer regelmäßigen Wiederkehr so zuverlässig, dass mit ihnen die aktuelle Zeit genau bestimmt werden konnte. Messmethoden zur schnelleren und einfacheren Bestimmung der Zeit sollten hauptsächlich aus praktischen Gründen entwickelt werden. So wurden Sand- oder Wasseruhren verwendet, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeiteten (Sand oder Wasser floss über eine bestimmte Zeit von einem oberen in den unteren Behälter), verwendet um die Zeit zu messen. An diesen Uhren konnte man jedoch nicht die aktuelle Uhrzeit einfach so ablesen. Zu diesem Zweck begann man ein anderes System zu verwenden – die Sonnenuhr.¹⁾

Herstellung der Sonnenuhr

Die Herstellung von Sonnenuhren ist nicht anspruchsvoll. Es reicht, einen Stab in den Boden zu stecken oder an einer senkrechten Fläche zu befestigen. Dann beobachten wir einfach wie die Zeit vergeht und markieren jede Stunde, wohin der Schatten fällt. Eine Sonnenuhr kann auch aus Papier hergestellt werden. Damit die Sonnenuhr richtig funktioniert, muss der Zeiger eine exakte Achsenrichtung haben. Für unseren Breitengrad bedeutet dies, dass die Steigung des Zeigers etwa 50° von der horizontalen Ebene weg betragen muss, wobei der Zeiger nach Norden zeigt (Abbildung 3). Wenn sich die Uhr an einer vertikalen Wand befindet, muss der Zeiger einen Winkel von etwa 40° von oben (Befestigung) nach unten eröffnen und von oben nach Süden zeigen.

Wegen der Neigung der Erdachse und der ellipsenartigen Bahn der Erde um die Sonne, bewegt sich der Schatten der Sonne auf der Sonnenuhr nicht das ganze Jahr hinweg gleichmäßig. Deshalb zeigt die Sonnenuhr während des Jahres mal eine Uhrzeit an, die etwas vor oder etwas nach der eigentlichen Uhrzeit ist. Die Differenz zwischen der Zeit, welche die Uhr anzeigt, und die einer Sonnenuhr kann bis zu 16 Minuten betragen. Daher gibt es Korrekturtabellen für Sonnenuhren (Abbildung 4). Je nach aktuellem Datum finden wir in der Tabelle den Wert in Minuten, der dazugezählt oder abgezogen werden muss.

Deshalb haben wir beim Bau einer Sonnenuhr zwei Möglichkeiten:

1. Wir können die sonnige Zeit auf dem Zifferblatt liefern. Die Uhr ist dann mit einer Korrekturtabelle ausgestattet, einschließlich einer Korrektur für den Breitengrad.
2. Wir werden eine Zeitverzögerung angeben, die sich aus der geografischen Länge ergibt, wenn wir die Skala kalibrieren. Die Uhr wird dann mit einer Korrekturtabelle versehen, die nur eine Datumskorrektur enthält.

Kraf

Geräte zur Messung von Kraft basieren im Allgemeinen auf dem Verformungsprinzip elastischer Körper (insbesondere der Feder). Unter Verwendung herkömmlicher Materialien ist es möglich, eine Messung der Zugkraft mit diesem Prinzip aufzubauen. Ein Gummischlauch (ca. 3 m lang) genügt dazu. Wir befestigen den Schlauch mit einem Ende an einem festen Griff. Am anderen Ende ziehen alle Schülerinnen und Schüler. Um die Messung zu objektivieren, kann man eine Markierung auf dem Schlauch abbringen und auf einem in der Nähe befindlichen Papier (z.B. an der Wand neben der Markierung auf dem Schlauch) die Ergebnisse der Verformung aufzeichnen. Wenn wir ein hängendes Gewicht am Schlauch montieren und es ziehen, können wir wie auf einer Art Waage eine Newton-Skala zeichnen. Zu einem anderen, nicht traditionellen und sehr einfachen Kraftmessgerät kann eine PET-Flasche werden, die mit Wasser und verschieden langen Streichhölzern versehen wird. Wenn die PET-Flasche zusammengedrückt wird, wird die in den Streichhölzern enthaltene Luft komprimiert und das Wasser in das Streichholz gedrückt. Die Dichte des Streichholzes nimmt zu und es beginnt nach unten zu sinken. Da jedes Streichholz eine andere Länge hat, ist zum Absenken eine andere Kraft erforderlich. Wer mehr Streichhölzer versenkt, gewinnt. Achtung, wenn die Streichhölzer mit der Zeit mit Wasser gesättigt sind, funktioniert der Kraftmesser nicht mehr.