Eine lehrreiche Zeitschleife

Im Rahmen des 12. Berlin-Brandenburger MNU-Landeskongress im September 2014  in der Freien Universität Berlin werden für Lehrkräfte aller Schulformen und Schulstufen in den MINT-Fächern zahlreiche Vorträge und Workshops angeboten. Der MNU hat die Schüler der Talentförderung Physikusse als Referenten eingeladen. Sie zeigten eine eineinhalbstündige, abwechslungsreiche Naturwissenschafts-Show mit physikalischem Schwerpunkt.


Der Deutsche Verein zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V. (MNU) hat die Physikusse als Referenten für den Landeskongress verpflichtet, da sie Naturwissenschaften und insbesondere Physik aus einer ganz eigenen Perspektive zeigen. In ihrer Schülersprache übersetzen sie die physikalischen und chemischen Phänomene in praktische und anschauliche Erklärungen. Mit einer guten Mischung aus Theorie und Praxis vermitteln die Physikusse die Begeisterung an Naturwissenschaften und motivieren Lehrerinnen und Lehrer, ihren Unterricht vielfältig und multimedial  zu gestalten.


In der Show „und täglich grüßt der Physikuss…“ hängt ein schlauer, aber leider etwas fauler Student in einer Zeitschleife fest. Diese haben ihm zwei Engelchen eingebrockt, damit er vor der Abschlussprüfung doch noch den ganzen Unterrichtsstoff pauken kann. In der Mensa zeigt ihm ein Kommilitone, wie der Sahneantrieb bei Keksen funktioniert. Jeden Tag kommt ein neuer Aspekt hinzu. Viele Menschen, die der Student - zu seinem Leidwesen - immer wieder trifft, demonstrieren auf herzerfrischende Weise chemische und physikalische Phänomene, biologische und mathematische Zusammenhänge und witziges Allgemeinwissen. Dann kann bei der Prüfung ja nichts mehr schief gehen, oder?!?


Auftragsarbeit für den MNU

I UND TÄGLICH GRÜßT DER PHYSIKUSS

Flaschengeist


Brennender Handschuh


Flaschenrakete


Kerze im Trockeneisnebel


3 Kerzen unter Glas


Superabsorber-Schnee


Sahneantrieb bei Keksen

(Geogebra-Animation)


Wasser und Wein


Superabsorber-Kugeln


changing colors


In eine Flasche wird eine geringe Menge Spiritus gegeben, der sofort verdampft. Damit entsteht ein brennbares Spiritus-Luft-Gemisch. Mit einem Streichholz wird der Spiritus angezündet. Er verbrennt schnell und dehnt sich dabei aus. Wir haben Fotos gemacht, auf denen ist deutlich der Ereignishorizont zu sehen, an dem der gasförmige Spiritus brennt. Dieser setzt sich langsam von oben nach unten, je nach Lage des Streichholzes und Gaszusammensetzung auch von einer zur anderen Seite fort.

Da sich das Spiritus-Luft-Gemisch nicht in einem abgeschlossenen Raum befindet, steigt der Druck nur geringfügig an. Es entweicht ein Teil unverbrannter Spiritus, weshalb es auch eine Flamme oberhalb der Flasche gibt.


Wichtig ist, dass kein Wasser in der Flasche ist. Es sollte genügend Sauerstoff drin sein. Nur das richtige Verhältnis Sauerstoff/Spiritus führt zum gewünschten Effekt.


Kopf oder  Hand nicht direkt drüber halten, da austretende Gase heiß sind! Flasche beim Anzünden nicht auf Personen richten!

Der Alkohol verbrennt bei vollständiger Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser

Die Hand wird durch den nassen Handschuh geschützt. Das geschieht durch die große Wärmekapazität von Wasser.

Mit dem Salz wird die Flamme gefärbt.

Dadurch, dass man den brennenden Handschuh unter den Arm hält kommt kein Sauerstoff mehr an die Flamme und sie wird so gelöscht.

Wir geben Trockeneis in ein Aquarium mit ein bischen Wasser. Der Nebel ist nur das Wasser, welches aus der Luft kondensiert. Das CO2 kann man mit einer Kerze zeigen. Kerzen brauchen Sauerstoff zum Brennen. Da Kohlendioxid (Trockeneis) schwerer ist als Luft, füllt es das Aquarium von unten her. Das zeigt die Kerze an. Dann weiß man wo das CO2 ist, auch wenn man es nicht sieht.

Superabsorber sind Kunststoffe, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser (und anderen wässrige Lösungen) aufnehmen können.

Die Summe aus dem Volumen der Flüssigkeit und dem Volumen des trockenen Superabsorbers bleibt gleich.

Superabsorber sind in gequollenem Zustand Hydrogele.





Wenn Kerzen abbrennen, entsteht Wachs-Gas am Docht. Das Gas reagiert mit dem Sauerstoff in der Luft, es entsteht CO2 = Kohlendioxid. In Kohlendioxid können Kerzen nicht brennen.


Ich zünde die Kerzen an und stelle ein Aquarium umgekehrt darüber und warte. Die Kerzen gehen aus. Was ist daran kniffelig?

In welcher Reihenfolge gehen sie aus?

Kohlendioxid ist schwerer als Luft, sinkt also nach unten. Dies gilt aber nur, wenn beide Gase gleich warm sind. Direkt nach der Verbrennung ist das CO2 aber heiß und dann eben deutlich leichter als Luft, beziehungsweise Sauerstoff. Es sammelt sich oben im Gefäß und erstickt dort erst die oberste Flamme, dann die mittlere und die untere.


Hydrogele besitzen eine hohe Biokompatibilität. Das ist eine Verträglichkeit mit pflanzliche, tierischen und menschlichen Zellen. Die Eigenschaften sind also ähnlich dem von Gewebe.


Aus Hydrogelen kann man weiche Kontaktlinsen und plastische Implantate machen.



In den Gläsern ist Wasser. Oben wird eine Mischung aus Alkohol und Farbstoff geschüttet. Und weil Alkohol eine geringere Dichte hat als Wasser, zieht es sich durch die Ritze rein und schwimmt nach oben.


Der Keks dreht sich durch die Kraft die die Sahne auf ihn ausübt. Dies ist auf der Animation über mir dargestellt. Die Sahne strömt aus der roten Düse. Darauf ist ein Pfeil. Der stellt die Kraft der Sahne auf den Keks dar.

Diese Kraft teil sich in zwei Teile auf, die ich jetzt mal Schiebekraft und Drehkraft nenne. Diese beiden stehen senkrecht aufeinander.

Die Schiebekraft versucht, den Keks wegzuschieben. Das klappt so nicht, weil die Reibung zu groß ist.

Wenn der Keks ein bisschen gewölbt ist, liegt er nur auf einem Punkt in der Mitte auf. Dadurch lässt er sich leicht drehen.

Bei der Drehkraft ist es ja so, dass wir das Drehmoment, also die Drehkraft mal den Hebelarm, betrachten müssen. Das ist hier grün dargestellt.

Ist nun das Drehmoment gegenüber der Schiebekraft groß, dreht sich der Keks. Und zwar immer schneller je näher die Düse an den Auflagepunkt heran kommt.

Ganz nah am Auflagepunkt geht es aber nicht mehr.

Sie werden sehen, wenn Sie das zu Hause ausprobieren, klappt das nicht bei jedem Keks. Manche sind einfach nicht gewölbt genug.


Man muss wissen, dass Phenolphtalein in vier halochromen Formen, je nach Konzentration von H+- und OH—- Ionen vorliegen kann. Wir betrachten hier nur zwei davon.

 

Das aus 3 Benzolringen bestehende Molekül ist über ein zentrales C-Atom verbunden. Wenn das C-Atom nun Teil eines Lactonringes ist, unterbricht es die Kette der konjugierten Doppelbindungen. Ausgelöst wird die Bildung des Lactonringes durch eine Protonierung einer O--Gruppe. Dabei ändert sich die Länge der farbrelevanten Kette drastisch, was zu einer unterschiedlichen Emission typischer Wellenlängen führt.

 

Die dominante Farbwahrnehmung im alkalischen Milieu ist infolge des langen chromophoren Systems über das zentrale C-Atom hinaus eher im langwelligen Bereich angesiedelt. Unser optischer Apparat – auch Auge-Hirn-Kombination genannt – interpretiert das bis auf wenige Ausnahmen als rot.


Im neutralen, insbesondere aber im protonenreichen sauren Milieu ist die Kette konjugierter Doppelbindungen quasi mittig unterbrochen, was zu einer drastischen Verkürzung der aktiven Wellenlänge ins Ultraviolette führt.

Das ist so dramatisch, dass der human auflösbare Bereich des elektromagnetischen Frequenzspektrums gänzlich verlassen werden muss, womit für uns die Wahrnehmbarkeit schwindet.


Bärlappexplosion

Bärlappsporen  werden auch als Hexenmehl oder Blitzpulver bezeichnet. Mit Bärlapp wurden früher Schornsteine vom Ruß befreit. Bei Überdosierung wurde manchmal auch das Haus vom Schornstein – oder auch der Besitzer vom Haus - befreit. Die brennenden Bärlappsporen sind vergleichbar mit einer Mehlstaubexplosion.

Und das richtige Verhältnis zwischen diesen Stoffen, das entsteht aber erst dadurch, dass man die Sporen fein zerstäubt.


Geysir


Ein mit Wasser gefüllter Hohlraum befindet sich direkt über einer heißen Schicht Magma und ist mit einer Röhre zur Erdoberfläche verbunden.

Als erstes wird das Wasser durch das darunterliegende heiße Magma erhitzt. Das Volumen des Wassers vergrößert sich und steigt in der Röhre auf. Die daraus resultierende Drucksteigerung erhöht auch die Siedetemperatur. Das Wasser kann nun über 100°C heiß werden, bevor es kocht. Während das Wasser weiter erhitzt wird steigt weiter das Volumen, der Druck und die Siedetemperatur wodurch das Wasser wiederum noch heißer werden kann. Die Wassertemperatur steigt durch das heiße Magma immer weiter, bis endlich die Siedetemperatur doch noch erreicht wird. Jetzt geht es ganz schnell: Das Wasser kocht, Blasen steigen in die Röhre und verdrängen dort Wasser. Also drückt nicht mehr so viel Wasser auf die Kammer, und der Druck sinkt wieder. Dummerweise ist das Wasser jetzt aber heißer als es sein dürfte und es kocht immer heftiger und vor allem im ganzen Volumen. Von außen sieht man jetzt heftige Wasserdampffontänen.