Auftrieb und das Archimedische Prinzip

Hier sollen sich die Schüler mit dem Phänomen beschäftigen, dass ein in Wasser eingetauchter Körper scheinbar leichter wird. Die Schüler sollen die physikalische Bezeichnung dieses Phänomens, den Auftrieb, kennen lernen. Anschließend soll das Archimedische Gesetz erarbeitet werden.

Informationen für den Lehrer:

• Zeitbedarf: etwa 2 Unterrichtsstunden
• Didaktische Analyse, Lernziele und geplanter Stundenverlauf
• Arbeitsblätter und Kreuzworträtsel

Hallo!

1. Hast Du Dirty Dancing gesehen? Warum übte Patrick Swayze die Hebefigur zunächst im Wasser?
2. Überlege Dir, warum sich ein Dinosaurier im Wasser wohl fühlt?

Der Auftrieb

Bei folgendem Applet von Walter Fendt kannst Du einen Quader in eine Flüssigkeit eintauchen.

1. Was beobachtest Du dabei?
2. Wie ändern sich die Gewichtskraft und die gemessene Kraft?

Hier geht es zum Applet von Walter Fendt.

Versuch In einem Versuch wird mit einem Kraftmesser die Gewichtskraft eines Dinosauriers in Luft und die scheinbare Gewichtskraft in Wasser gemessen. Dabei wird die vom Kraftmesser angezeigte Kraft als Haltekraft bezeichnet. Es ergeben sich für die Haltekraft in Luft $F_{H1}=0,7\ N$ und für die Haltekraft in Wasser $F_{H2}=0,3\ N$.

Bearbeite folgende Aufgaben und ergänze anschließend entsprechend Dein Arbeitsblatt!

1. Zeichne auf Deinem Arbeitsblatt in das linke Bild die Haltekraft $F_{H1}$ und als Gegenkraft die Gewichtskraft des Dinos ein!
2. Zeichne im rechten Bild die Haltekraft $F_{H2}$ und als Gegenkraft die Gewichtskraft des Dinos ein! Wodurch können wir Kräftegleichgewicht erreichen?

Ergebnis

Wovon ist diese Auftriebskraft abhängig?

Zur Vereinfachung betrachten wir statt des unregelmäßig geformten Dinos einen Quader, der sich im Wasser befindet.

Bearbeite folgende Aufgaben und ergänze entsprechend Dein Arbeitsblatt!

1. Welcher Druck wirkt in Flüssigkeiten und nach welcher Formel lässt er sich berechnen? Lösung
2. An jeder Quaderfläche greifen Kräfte an. Welche Richtung hat die Kraft auf die Deckfläche und wie lässt sie sich aus dem Schweredruck berechnen? Lösung
3. Welche Richtung hat die Kraft auf die Bodenfläche und wie lässt sie sich aus dem Schweredruck berechnen? Lösung
4. Welche Kräfte wirken auf die Seitenwände und wie wirken sie sich aus? Lösung
5. Wie können wir die Auftriebskraft berechnen? Lösung
6. Setze die bisher bekannten Beziehungen ein und vereinfache die Formel! Berücksichtige dabei wie man das Volumen eines Körpers aus seiner Grundfläche und Höhe berechnet. Lösung
7. Wenn Du weiter berücksichtigst, dass das Volumen des Körpers gleich dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit ist und sich aus Dichte und Volumen die Masse der verdrängten Flüssigkeit berechnen lässt, kannst Du das Ergebnis als Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit interpretieren. Lösung

Den gefundenen Zusammenhang nennt man Archimedisches Prinzip. Archimedisches Prinzip mit Herleitung

Experiment zum Archimedischen Prinzip

Den gefundenen Zusammenhang kann man durch ein Experiment überprüfen:

Versuch Nach dem Eintauchen des Dinos in Wasser geht das Gleichgewicht verloren. Bringt man die verdrängte Flüssigkeit auf die linke Waagschale, ist die Waage wieder im Gleichgewicht.

Bei www.leifiphysik.de werden drei Gedankenversuche zur Auftriebskraft gezeigt. Betrachte diese und beantworte die zugehörigen Fragen!

Das war Archimedes

Mit diesem Link erfährst Du, wer Archimedes war.

Die Krone des Königs von Syrakus

• Warum Archimedes so begeistert war, dass er nackt durch Syrakus lief und laut "Heureka" ("Ich habe es geschafft!") rief, erfährst Du hier! Drücke gleichzeitig die Shift-Taste und klicke auf "weiterblättern" um die Geschichte zu Ende lesen zu können.

Versuch

Für die Dichte von Silber und Gold gilt:

$\rho_{Silber}=10,5\frac{kg}{dm^3},\ \rho_{Gold}=19,3\frac{kg}{dm^3}$

• Warum ist dies ein Nachweis dafür, dass die Krone nicht aus reinem Gold besteht? [Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

Enthält die Krone Silber, was tatsächlich zutraf, dann hat sie ein größeres Volumen als der Goldklumpen und erfährt eine größere Auftriebskraft.

• Wie geht der Versuch aus, wenn die Krone aus reinem Gold wäre? [Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

Die Waage bleibt auch dann im Gleichgewicht, wenn man sie in Wasser bringt.

Zum Schluss noch was zum Knobeln!!!

1. Hier findest Du einen Lückentext. Hast Du es drauf?
2. Warum schwimmt ein Stahlschiff?
3. Ein Tauchexperiment für Profis.
4. Löse je nach Zeit das Kreuzworträtsel in Partnerarbeit oder als Hausaufgabe. Lösung des Kreuzworträtsels