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Wärmeausdehnung fester Körper – Metallstäbe und Bimetallstreifen

NaturwissenschaftenStoffe und MaterialienAlter 13–14Virtuelles Labor

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Drei gleich lange Stäbe aus Aluminium, Kupfer und Stahl werden gleich stark erwärmt; eine Messuhr am Ende jedes Stabs misst die Längenänderung ΔL = α·L₀·Δt auf eine hundertstel Millimeter genau. Die Lernenden füllen eine Messwerttabelle aus und sehen, dass sich Aluminium am stärksten und Stahl am wenigsten ausdehnt. Im Bimetall-Modus biegt sich ein Kupfer-Stahl-Streifen zum Stahl hin (dem Metall, das sich weniger ausdehnt) und unterbricht einen Stromkreis wie der Thermostat in einem Bügeleisen. Weitere Versuche zeigen die Flächen- und Volumenausdehnung einer Platte und eines Würfels (β ≈ 2α, γ ≈ 3α), eine Flüssigkeit im Kolben mit dünnem Steigrohr und Luft, die einen Tropfen verschiebt (Gase dehnen sich am stärksten aus, dann Flüssigkeiten, feste Körper am wenigsten), sowie einen See, der von oben zufriert, weil Wasser bei 4 °C die größte Dichte hat.

Lektion: Wärmeausdehnung

Was sie zeigt

Wird ein Stoff erwärmt, bewegen sich seine Teilchen stärker und brauchen mehr Platz: Er dehnt sich aus; beim Abkühlen zieht er sich zusammen. Ein Stab verlängert sich um ΔL = α·L₀·Δt, eine Fläche wächst mit β ≈ 2α und ein Volumen mit γ ≈ 3α. Flüssigkeiten dehnen sich viel stärker aus als feste Körper und Gase noch stärker, weil ihre Teilchen schwächer gebunden sind. Eine Flüssigkeit im Glaskolben zeigt ihre scheinbare Ausdehnung: die wahre Ausdehnung minus die des Glases. Wasser ist besonders: Es hat bei etwa 4 °C die größte Dichte, deshalb frieren Seen von oben zu. Bimetallstreifen und Dehnungsfugen an Schienen sind Anwendungen aus dem Alltag.

So funktioniert es

Wählen Sie einen Versuch mit den Tabs. Bei Drei Metallstäbe zünden Sie den Brenner an und klicken bei mehreren Temperaturen auf Messwert notieren. Bei Fläche und Volumen wählen Sie das Metall und vergleichen ΔA und ΔV mit α. Bei Flüssigkeiten und Gase klicken Sie auf Brenner anzünden und beobachten, wie der Stand im dünnen Rohr erst sinkt und dann steigt; ist er stabil, notieren Sie den Messwert, ändern die Temperatur des Wasserbads und wiederholen. Bei Wasser bei 4 °C stellen Sie die Lufttemperatur im Winter ein und beobachten, wie der See zufriert.

Einstellbare Parameter

  • Versuch Drei Metallstäbe mit Messuhren, Bimetallstreifen Kupfer–Stahl, Platte und Würfel: Flächen- und Volumenausdehnung, Flüssigkeiten und Gase in Kolben, Wasser bei 4 °C und ein zufrierender See
  • Anfangslänge jedes Stabs 200–1000 mm
  • Raumtemperatur 10–35 °C
  • Höchste Heiztemperatur 60–300 °C
  • Metall (Platte und Würfel) Aluminium, Kupfer, Stahl
  • Flüssigkeit im Kolben Gefärbtes Wasser, Gefärbtes Ethanol, Quecksilber
  • Temperatur des Wasserbads 30–75 °C
  • Lufttemperatur im Winter -20–10 °C

Fragen zum Erkunden

  1. Welcher Stab verlängert sich bei gleicher Temperaturerhöhung am stärksten, welcher am wenigsten?
  2. Was geschieht mit ΔL bei gleicher Temperaturerhöhung, wenn Sie die Anfangslänge L₀ verdoppeln?
  3. Warum biegt sich der Kupfer-Stahl-Streifen beim Erwärmen zum Stahl hin, und wie schaltet das die Lampe aus?

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