Physik der Geysire

Report
Dr. Christian Reimers
Faculty of Earth Sciences,
Geography and Astronomy
University of Vienna
Austria
Einleitung und Vorbereitungsphase
 Kurzbeschreibung: Die Erde besitzt einen heißen Kern und
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glutflüssigen Mantel auf der die Erdkruste liegt. Durch
Konvektionsbewegungen entsteht Plattentektonik und Vulkanismus.
An Stellen, an denen das Magma bis nahe an die Oberfläche reicht,
können sich Geysire bilden, deren Funktionsweise sich mit
anschaulichen Experimenten und physikalischen Hintergründen
erläutern lassen.
Schlagworte: Erdaufbau, Geothermie, Erdwärme, Geysire,
Vulkanismus, Wärmelehre, Clausius-Clapeyron-Gleichung,
Dampfdruckkurve, Siedepunkt, P-T-Diagramm
Zielgruppe: SchülerInnen, Informelle Lernende
Alter: 12-15
Zuordnung: Physik (Wärmelehre), Erdkunde
Benötigte Zeit: 2 x 50 min (mehr, falls ein Besuch in einem Science
Center geplant ist)
Christian Reimers, Universität Wien
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Einleitung und Vorbereitungsphase
 Technische Voraussetzungen: PC, Internetverbindung, evtl.
Physiklabor
 Hintergrund des Autors: Lehrveranstaltungsleiter für Physik für
Erdwissenschaften
 Lehrplanbezug: Thermodynamik, Struktur der Erde
 Lernziele:
 Verhalten von Wasser abhängig von Temperatur und Druck
 Naturphänomene mit physikalischen Konzepten untersuchen
 Eigenständige Untersuchungen durchführen
 Verfassen eines wissenschaftlichen Berichts
 Anleitung für die Vorbereitung: Organisation einer Exkursion zu
einem Science Center mit hands-on Aktivitäten zu Vulkanismus und
Geysiren
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Lehrphase 1: Fragen hervorrufende Aktivitäten
NEUGIER WECKEN
> Lehrperson: Präsentiert und zeigt Materialien, um Neugier zu
wecken
Bilder / Videos von Vulkanen und Geysiren
Höchste Fontänen und andere interessante Daten
Arten vulkanischer Aktivität: Supervulkane, etc.
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Lehrphase 1: Fragen hervorrufende Aktivitäten
DEFINITION VON FRAGEN ZUM DERZEITIGEN WISSENSSTAND
> Lehrperson: Präsentiert Fragestellungen entsprechend dem
derzeitigen Wissensstand
 Wo findet man Vulkane und/oder Geysire?
 Wie ist die Struktur der Erde?
 Welche Mechanismen können Vulkanismus und Geysire erklären?
 Welche physikalischen Prozesse sind beteiligt?
 Was weiß man über Vulkanismus auf anderen Planeten oder Monden im
Sonnensystem?
> Studierende: Sammeln Daten von den vorangegangenen Präsentationen
und versuchen eine Verbindung zu oben gestellten Fragen zu
finden
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Lehrphase 2: Aktive Untersuchungen
VORSCHLAG VORLÄUFIGER ERKLÄRUNGEN ODER HYPOTHESEN
> Lehrperson: Bereitstellen notwendiger Materialien (Referenzen) um
eine Erklärung der Fragen zu ermöglichen; Leitung der Studierenden,
um eine korrekten Lösungsansatz zu finden
Verhalten von Wasser abhängig von der Temperatur: solid, fluid, gas
Temperaturgradient in der Erdkruste
Wasserzyklus: Grundwasser; Woher kommt es?
> Studierende: Untersuchung von Materialien und Erstellung von
Präsentationen mit möglichen Lösungen und Erklärungen und
Präsentation vor den anderen
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Lehrphase 2: Aktive Untersuchungen
PLANUNG UND DURCHFÜHRUNG EINFACHER UNTERSUCHUNGEN
> Studierende: Suche nach physikalischen Konzepten über Vulkanismus und
Geysire
Physikalisches Konzept: „Physik in interessanten Kontexten“ von Rainer
Müller, Seite 39ff. „Der Ausbruch eines Geysirs“
http://www.unikiel.de/piko/downloads/Physik_in_interessanten_Kontexten_RMueller.pdf
Experimente: „Versuchsbericht zum Thema: Schweredruck in Flüssigkeiten“
http://www.didaktik.physik.uni-duisburgessen.de/veranstaltungen/soe/versuchsberichte/WS0809/Berichte/Versuchsbe
richt%20Schweredruck.doc
> Studierende: Beobachtete Vorgänge wiederspiegeln und dokumentieren
> Lehrperson/Studierende: Vorbereitung eines Experiments im Physiklabor
oder einem Besuch in einem Science Center mit hands-on Aktivitäten zu
Vulkanismus und Geysiren
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Lehrphase 3: Erstellung
SAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Lehrperson/Studierende: Durchführung eines
Experiments eines Geysir-Modells im Physiklabor und Messung von Temperatur und Druck
Instruktionen:
 “Experiment Geysir“: Betriebsanleitung
http://www.exphys.jku.at/didaktik/Lehre/Skripten/LA_2007/BA_Geysir.pdf
 Geysir-Modell: „Druckabhängigkeit des Siedepunkts“
http://vorsam.uni-ulm.de/Versuche/TH/PDF/TH080V00.PDF
> Lehrperson/Studierende: oder ...
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Lehrphase 3: Erstellung
SAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)
Themen über erneuerbare Energien:
Gehe zum Bereich
Geothermal-Energie ...
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Lehrphase 3: Erstellung
SAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)
Erdkugel zum Öffnen
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Lehrphase 3: Erstellung
SAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)
Modell von Magmakammern (‘Plumes’) und
vulkanischer Aktivität
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Lehrphase 3: Erstellung
SAMMLUNG VON BEWEISEN DURCH BEOBACHTUNG
> Besuch eines Science Center (z.B. WELIOS in Wels)
Experiment eines Geysirs
Der Geysir startet bei:
einer Temperatur von ca. 103° Celsius
und einem Überdruck von 0.15 bar
> Studierende: Erstellung eines Protokolls der Beobachtungen und
physikalischen Messungen
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Lehrphase 4: Diskussion
ERKLÄRUNG BASIEREND AUF DEN BEWEISEN
> Studierende: Analysieren der Daten und
Diskussion dieser mit den anderen
Verhalten von Wasser: Sieden, Verdampfen
Phasenübergänge,
Clausius-Clapeyron-Relation
Druck, Temperatur
Siedepunkt  Druck
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Lehrphase 4: Diskussion
ÜBERLEGUNG ANDERER ERKLÄRUNGEN
> Lehrperson: Fragen, ob andere Erklärungen möglich sind
Geysire oder Wasser-Fontänen ohne Hitze:
 Kalt-Wasser-Geysire mit CO2, kohlendioxid-getrieben
(z.B. Andernach, Deutschland)
 Künstliche Fontänen mit Pumpen
 Wasser-Hydrant (Wasserversorgung)
 Verbundene Gefäße
> Studierende: Überlegungen und Diskussion darüber
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Lehrphase 5: Reflektion
KOMMUNIKATION DER ERKLÄRUNGEN
> Studierende: Schreiben eines wissenschaftlichen Berichts über den physikalischen
Aspekt eines Geysirs: Phasen einer Eruption,
P-T-Diagramm; Verwendung von Richtlinien
für die Verfassung wissenschaftlicher Berichte:
<<Guidelines for Writing a Research Report
Version2.1.pdf>> (in Englisch)
 Struktur (Titel, Abstract,
Einleitung, etc.)
 Layout (Schriftart, Überschriften,
Auflistungen, etc.)
> Lehrperson: Bewertung und Diskussion der wissenschaftlichen
Berichte als Referee und Leitung der Studierenden, um den überprüften
Bericht im Lernmanagementsystem der Schule zu publizieren
> Studierende : Erstellung von Quiz und Fragen für eine Selbstüberprüfung
und Veröffentlichung
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NACHFOLGENDE AKTIVITÄTEN UND MATERIALIEN
Datenblätter / Datenbanken
Quiz / Tests
Animationen / Simulationen
Tutorials
Hilfsreiche Links
Adressen (WELIOS, …)
Weitere Experimente
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Kontakt:
[email protected]

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