Unterrichtsstunde 3.1: Was ist thermischer Isolator?
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| Publikation: | 12.4.2011 |
| Lernstufe: | 3 |
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| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Schwerpunkt: | Naturwissenschaften und Technologie |
| Wortschatz: | Isolator, Isolierung, Wärmedämmung, thermisch, Dämmstoff |
| Dauer: | 1 Stunde 30 Minuten |
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Für jede Gruppe:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Einstiegsfrage
Der/die Lehrer/in kommt auf die ganz am Anfang des Projekts formulierten Bedürfnisse zurück: Eine Wohnung soll unter anderem vor Kälte und Hitze schützen. Er/sie fragt die Klasse: "Wie heizt ihr zu Hause? Und wie wird unsere Schule beheizt?" Manche Schüler/innen wissen keine Antwort, andere schon: mit Strom, mit Gas, mit Öl, mit einem Ofen.
Nun wurde schon festgestellt, dass wir weniger Energie verbrauchen sollten. Wie können wir das erreichen? Der/die Lehrer/in fragt die Schüler/innen: "Könnt ihr euch vorstellen, wie man auch mit weniger Energie eine Wohnung warm bekommen kann?" Die Kinder antworten zum Beispiel:
"Man muss die Wärme der Sonne nutzen. Man muss vermeiden, dass Wärme verloren geht, usw." Falls die Schüler/innen nicht von sich aus auf Wärmedämmung zu sprechen kommen, gibt der/die Lehrer/in Hinweise ("Was tut ihr, damit ihr im Winter nicht friert, wenn ihr rausgeht?"), so dass das Stichwort Wolle fällt. Was genau macht die Wolle? Die Klasse wird i. A. geteilter Meinung sein: Die einen denken, dass Wolle wärmt, die anderen, dass sie vor Kälte schützt.
Untersuchung mit Experiment
Der/die Lehrer/in schlägt vor, experimentell herauszufinden, ob Wolle wärmt. Eine Möglichkeit wäre, eins der beiden Thermometer in einen Wollpullover zu wickeln, und mit dem anderen die Lufttemperatur zu messen. Der Versuch wird gemeinsam durchgeführt. Unterdessen schreiben die Schüler/innen ins Versuchsheft, welches Ergebnis sie vorhersagen. "Wie hoch wird die Temperatur in 10 Minuten sein?" Manche denken, dass sie deutlich steigt, um 10°C oder sogar mehr.
Wissenschaftliche Anmerkung
Vor Beginn des Versuchs sollte man unbedingt überprüfen, ob alle Thermometer die gleiche Temperatur anzeigen. Dazu sollte man sie ein paar Minuten bei Raumtemperatur liegen lassen.
Nach 10 Minuten stellt sich heraus, dass zwischen dem Thermometer im Wollpullover und der Raumtemperatur keine Temperaturdifferenz entstanden ist. Beide Thermometer zeigen die gleiche Temperatur an: Die Wolle wärmt also nicht (obwohl sie zweifellos warm hält).
"Wie macht die Wolle das?" Offensichtlich lässt sie die Kälte nicht herein und die Wärme nicht heraus.
Abb. 1: Wärmt Wolle? (Nach einer Zeichnung eines Fünftklässlers aus der Klasse von Anne-Marie Lebrun, Bourg-la-Reine, Frankreich)
Untersuchung mit Experiment
Zur genaueren Prüfung kann die Klasse sich jetzt ein weiteres Experiment vornehmen. Es werden warme Gegenstände benötigt, die warm gehalten werden sollen.
"Welche Gegenstände kommen für diesen Zweck in Frage?" Eine Möglichkeit wären zum Beispiel zwei Flaschen mit warmem Wasser. Das Wasser muss nicht sehr warm sein, 40°C genügen (wenn die Zimmertemperatur etwa 20 bis 25°C beträgt). Die eine Flasche wird in einen Wollpullover gewickelt, die andere bleibt einfach an der Luft. In jeder steckt ein Thermometer. Eine Viertelstunde lang werden alle fünf Minuten die Temperaturen abgelesen und notiert. Jede Gruppe führt für sich den Versuch durch.
Abb. 2: Ein Junge liest die Temperatur an einem Thermometer ab.
(4. Klasse von Emmanuelle Wilgenbus, Antony, Frankreich)
Gemeinsame Erörterung
Alle Gruppen haben festgestellt, dass die Temperatur in der eingewickelten Flasche weniger gesunken ist als in der anderen. Schlussfolgerung: Wolle wärmt nicht, sie verhindert das Abkühlen.
Neues Experiment
Der/die Lehrer/in fragt: "Was meint ihr, verhindert die Wolle auch das Erwärmen, wenn die Umgebung wärmer ist als das Wasser?" Er/sie sammelt die Hypothesen der Schüler/innen und auch die Vorschläge für Versuche, mit denen die Hypothesen überprüft werden können. Man bräuchte doch im vorherigen Experiment nur das warme Wasser durch kaltes zu ersetzen. Die Schüler/innen führen das Experiment wieder in kleinen Gruppen durch.
Gemeinsame Erörterung
Alle Gruppen stellen ihre Ergebnisse vor: Das Wasser in der mit einem Wollpullover umwickelten Flasche hat sich weniger erwärmt als das Wasser in der frei stehenden Flasche. Schlussfolgerung: Die Wolle schützt vor Erwärmung. Der/die Lehrer/in fragt die Schüler/innen, wie man einen Stoff nennt, der sowohl vor Wärme als auch vor Kälte schützt: Der Begriff Isolator (in diesem Fall thermischer Isolator, auch Dämmstoff genannt) wird eingeführt. Er ließe sich wie folgt erläutern: "Ein Isolator schützt gleich gut vor Wärme und vor Kälte. Man sagt: Er hemmt den Wärmeaustausch."
Zurück zur Einstiegsfrage
Die Frage der Isolierung/Dämmung soll nun wieder im anfänglichen Zusammenhang gestellt werden: Wo im Haus befinden sich Dämmstoffe, wo kann zusätzlich gedämmt werden? Die Kinder kommen sofort auf Wände und Decken. Aber nicht alle denken auch an die Fenster und eine Verbesserung der Wärmedämmung dort (Doppelfenster, Doppelglas).
Schlussfolgerung
Eine Schlussfolgerung, die die Klasse ziehen und in die Arbeitshefte eintragen kann, wäre zum Beispiel: Ein Isolator oder Dämmstoff hemmt den Wärmeaustausch. Im Sommer kann man sich durch Wärmedämmung vor starker Hitze schützen, im Winter vor großer Kälte. Wenn man die Wärmedämmung der Wohnung verbessert, kann man sowohl im Sommer (Klimaanlage) als auch im Winter (Heizung) Energie sparen.
In der nächsten Unterrichtsstunde sollen die verschiedenen im Wohnbereich verwendeten Dämmstoffe untersucht werden. Wir werden feststellen, dass manche umweltfreundlicher sind als andere.
Mögliche Fortsetzungen
- Im Mathematikunterricht hat man hier eine passende Gelegenheit grafische Darstellungen zu üben: Wahl der Achsen, Entsprechung von Tabellendaten und Punkten in der Grafik, Verständnis und Interpretation von Grafiken, usw.
- Auch die experimentelle Arbeit lässt sich fortführen: Man kann beobachten, wie mit jeder neuen Dämmstoffschicht die Dämmung wirksamer wird. Man braucht dazu nur weitere Wasserflaschen: Eine bleibt unverhüllt, eine zweite wird in einen Wollpullover gewickelt, die dritte in zwei Wollpullover usw.
- Man kann auch andere im Hausbau verwendete Stoffe ausprobieren, solche die dämmen und solche, die das nicht tun (vgl. die folgende Unterrichtsstunde). Vorsicht: Sowohl Glas- als auch Steinwolle bergen Gesundheitsrisiken und sollten nicht in die Hände der Schüler/innen gelangen.
Abb. 3: Ein Junge zeichnet ein Diagramm.
(5. Klasse von Christine Blaisot, Le Mesnil-Esnard, Frankreich)
