Schulversuche im Freihandexperiment

Hier werden verblüffende Experimente aus den traditionellen Gebieten der klassischen Physik gezeigt.

Nach einer Idee von Helmut Hilscher, Professor für Fachdidaktik am Institut für Physik der Universität Augsburg wurden Freihandexperimente verfilmt. Sechs Stundenten des Lehramtes an Gymnasien erklärten sich bereit, im Rahmen ihrer Examensarbeit Sammlung, Durchführung, Optimierung und Dokumentation von Freihandexperimenten vorzunehmen. Ein siebter Student des Lehramts für Hauptschulen stieß später hinzu und verfilmte einen Teil der Experimente. Die Autoren und Mitarbeiter dieser Filme sind: Clemens Berthold, Daniela Binzer, Gunther Braam, Jürgen Haubrich, Markus Herfert, Helmut Hilscher, Jürgen Kraus und Christian Möller.

Die daraus entstandene CD-ROM mit 400 gefilmten Experimenten ist leider nicht mehr verfügbar.

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Papier als Sägeblatt

(Zentrifugalkraft)

Eine sehr schnell rotierende Papierkreisscheibe wird durch die Zentrifugalkraft so steif, daß man mit ihr sogar Kreide durchsägen kann.

Material

• Blatt Schreib- oder Zeichenpapier
• Schraube mit Mutter und Beilagscheiben
• Handbohrmaschine
• Kreide
• evtl. Styropor oder weiches Holz

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Die schwere Zeitung

(Druck - Luftdruck - Kraft - Gewichtskraft - Drehmoment)
 
Durch einen Hammerschlag bricht eine Holzleiste, zum einen aufgrund des Luftdrucks, zum anderen aufgrund der Trägheit der Leiste.

Material

• 1 Blatt einer Tageszeitung
• Holzleiste (z.B. ca. 1 m x 2 cm x 0,5 cm mit rechteckigem Profil oder 1 m x 0,35 cm mit kreisförmigem Profil)
• Hammer oder anderes Gerät zum Schlagen
• Tisch

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Die stabilen Papierschlaufen

(Kraft - Beschleunigung - Trägheitsgesetz)
 
Die elastischen Eigenschaften und die Massenträgheit einer Holzleiste verhindern, dass zwei Papierschlaufen bei einem Schlag reißen.

Material

• Holzleiste aus sprödem Holz, z.B. Spanplatte oder Birnbaumholz (Länge: 60-100 cm, Querschnitt: 15 mm x 30 mm)
• 2 Papierschleifen (Länge: 40 cm; Breite: 1-2 cm)
• Hammer
• 2 Stativstangen 

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Schneller als im freien Fall

(Freier Fall - Rotation - Trägheitsmoment - Drehmoment)

Läßt man das obere Ende eines schräg stehenden Bretts los, so wird das Brettende stärker bescheunigt als eine frei fallende Kugel. Diese Tatsache steht scheinbar im Widerspruch zu der Regel, die besagt, daß alle Körper gleich schnell fallen.

Material

• 2 Bretter (Maße: 120 cm x 10 cm x 1,5 cm)
• 2 Scharniere (Maße des aufgeklappten Scharniers: 2,5 cm x 4 cm) und die notwendige Anzahl passender Befestigungsschrauben (Durchmesser: ca. 2 mm; Länge: ca. 15 mm)
• massive Kugel (Durchmesser: ca. 2 cm), z.B. Glasmurmel, Stahlkugel
• Joghurtbecher (Durchmesser: ca. 5 cm)
• Knetmasse
• 3 Schrauben (Durchmesser: ca. 2 mm: Länge: ca. 20 mm)
• evtl. ein Stück dicker Stoff (Maße: ca. 15 cm x 50 cm)
• Hilfsmittel: Schere, Meterstab, 2 Schraubzwingen, Schaubenzieher, Bohrmaschine, Bohrer (Durchmesser: ca. 1mm)

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Farbige Schatten

(Additive Farbmischung - Subtraktive Farbmischung - Schatten - Streuung Farben)
 
Aus farbigem Licht, das mit dem Licht aus zwei verschiedenfarbigen Lichtquellen gemischt wurde (additive Farbmischung), kann durch Schattenbildung die Farbe der Lichtquelle "heraussubtrahiert" werden, die den Schatten erzeugt.

Material

• 2 Diaprojektoren mit möglichst gleicher Strahlungsleistung, oder 2 andere geeignet Lichtquellen
• 2 Farbfilter, die nicht durch Wärmeentwicklung geschädigt werden können
• Projektionsleinwand oder weiße Wand
• Hilfsmittel: evtl. Pappkarton

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Vortex-Ringe

(Wirbelringe - Viskosität - Strömung - Bernoullische Gleichung)
 
Mit einer Plastikflasche kann vorgeführt werden, wie in Gasen und Flüssigkeiten stabile, wandernde Wirbelringe entstehen.

Material

• weiche Plastikflasche (rechteckiger Querschnitt: ca. 5 cm x 10 cm; Höhe: ca. 25 cm; Durchmesser der Öffnung; ca. 2 cm), notfalls auch mit rundem Querschnitt
• Zigaretten
• Trinkhalm
• evtl. Tinte, Farbe blau oder schwarz
• evtl. grosse Wanne (Länge: mindestens 0,5 m)
• evtl. Kerze 

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Eine brennende Kerze im Wasserglas

(Spiegelbild -Reflektivität - Bilder)
 
Durch das durch eine Glasplatte erzeugte Spiegelbild einer Kerze werden Reflexion und Transmission von Licht an einer Glasplatte demonstriert.

Material

• 2 identische kleine Kerzen
• Becherglas oder Trinkglas
• Glasplatte (ca. 20 cm x 30 cm)
• Stativmaterial, um Glasplatte vertikal zu fixieren
• Aktentasche oder ähnlicher dunkler Alltagsgegenstand
• evtl. Alkohol und Lappen
• evtl. schwarzes Tuch 

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Modell eines Foucaultschen Pendels

(Foucaultsches Pendel - Erddrehung)
 
Als Modell eines Foucaultschen Pendels dient ein drehbarer Teller, auf dem ein Pendel befestigt ist

Material

• Teller
• Mehl oder feiner trockener Sand, z.B. Quarzsand
• 6 Schaschlikstäbchen aus Holz
• Knetmasse
• Murmel
• Klebefilm
• Faden (Länge: ca. 15 cm)
• Hilfsmittel: brennende Kerze und Allzweckschere

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In einen Luftballon schauen

(Druck - Luftdruck - Zustandsgleichung idealer Gase)
 
Konsequenzen der Zustandsgleichung idealer Gase werden anhand eines aufgeblasenen Luftballons demonstriert, der in einer Flasche seine Größe beibehält, auch wenn er offen ist.

Material

• Flasche aus durchsichtigem Material, am besten kegelförmig, z.B. Erlenmeyerkolben
• Gummistopfen mit zwei Bohrungen, in die Öffnung der Flasche passend
• Glasröhrchen, das knapp durch eine Bohrung im Gummistopfen paßt, möglichst von der Öffnung bis zum Boden der Flasche reichend
• Gummi- oder Plastikschlauch
  Luftballone
• Gummiringe
• Hilfsmittel: Spülmittel oder Seifenlauge, Geschirr- oder Handtuch, evtl. Glasröhrchen (Durchmesser höchstens halb so groß wie der Durchmesser der Flaschenöffnung), von der Öffnung bis zum Boden der Flasche reichend 

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Der Tischtennisball im Trichter

(Auftrieb - Gewichtskraft- Druck - Hydrastatischer Druck)
 
Im Experiment wird das Prinzip des Auftriebs in Flüssigkeiten verdeutlicht. Ein Körper kann nur Auftrieb erfahren, wenn auch unter ihm Flüssigkeit vorhanden ist.

Material

• durchsichtiger Trichter
• Tischtennisball
• Wasser und Auffangbecken (Wanne, Becken o.ä.) 

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Die implodierende Dose

(Druck - Luftdruck - Kondensation)
 
Eine Dose, in der Wasser zum Sieden gebracht wurde, wird beim schnellen Abkühlen durch den Dosendruck zusammengedrückt.

Material

• leere Getränkedose
• Gefäß mit kaltem Wasser
• Bunsenbrenner oder andere starke Wärmequelle
• Zange, Handschuhe o.ä., um die Dose über der Wärmequelle zu halten 

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Das aufrechte Rad

(Präzession- Schwerpunkt - Gewichtskraft- Drehmoment - Drehimpuls)
 
Die Präzession eines Kreisels wird an einer asymmetrisch aufgehängten, rotierenden Fahrradfelge demonstriert.

Material

• Fahrradfelge
• Paketschnur oder starker Faden 

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Chladnische Klangfiguren

(Schwingung - Schwingungsmoden - Eigenschwingung - Klangbilder)
 
Eigenschwingungen einer Metallplatte werden durch Sand auf der Metallplatte sichtbar.

Material

• dünne Metallplatte (ca. 15cm x 15 cm x 1mm) mit einem Loch in der Mitte
• Metallstab mit Gewinde an einer Seite
• Schraubenmutter, passend zum Gewinde am Metallstab
• Tischkralle, oder ein Gerät, um den Metallstab senkrecht an einem Tisch zu befestigen
• Paketschnur oder Geigenbogen
• Harz oder Kolophonium
• Reiner Sand 

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Mit einem Joghurtbecher Musik hören

(Schall - Schwingung)
 
Mit einem Plastikbecher läßt sich nachweisen, das Schall auf einer Langspielplatte durch eine Rille gespeichert ist, welche kleine Abweichungen von einer Spirale aufweist

Material

• Plattenspieler
• Schallplatte, die Kratzer bekommen darf
• Kunststoffbecher, möglichst groß aus weichem Kunststoff, z. B. Joghutbecher
• Stecknadel 

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Das hüpfende Ei

(Wirbel - Zustandsgleichung idealer Gase - Kraft)

Es wird demonstriert, dass bei festem Volumen und fester Temperatur die Masse bzw. die Dichte eines Gases und sein Druck direkt proportional zueinander sind.

Material

• 2 identische Eierbecher
• 1 gekochtes Ei
• evtl. Geschirrtuch 

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Das Ei in der Flasche

(Druck-Zustandsgleichung idealer Gase)
 
Nach der Zustandgleichung idealer Gase läßt sich durch das Abkühlen der in einer Flasche eingeschlossenen Luft ein gekochtes Ei in die Flasche saugen.

Material

• hartgekochtes Ei, geschältes Ei oder Luftballon
• Glasflasche mit breitem Hals, so dass ein Ei gerade nicht hindurch passt, z.B.Milchflasche
• Kaltes und warmes Wasser oder Papier und Streichhölzer