Unterrichtsstunde 3.5: Wie kann man mit Sonnenenergie Wasser erwärmen?

Autoren:
Publikation:	12.4.2011
Lernstufe:	3
Ziele:	Verstehen, wie die Sonne Wasser erwärmen kann. Erkennen, dass eine dunkle Fläche sich stärker erwärmt als eine helle. Erkunden, wie ein Gewächshaus funktioniert.
Angestrebte Kenntnisse:	Handwerkliche und technische Fähigkeiten entwickeln. Ein Versuchsprotokoll ausarbeiten können.
Schwerpunkt:	Naturwissenschaften und Technologie
Wortschatz:	Sonnenenergie, Sonnenkollektoren, Wasserboiler
Dauer:	1 Stunde 30 Minuten (mit einer einstündigen Pause in der Mitte)
Material:	Für die Klasse (für die 3 folgenden Unterrichtsstunden): Tesafilm Plexiglasscheiben (notfalls Klarsichtfolie) Spiegel oder Alufolie Wasserflaschen Wasser Thermometer Dämmstoffe: Wolle, Kork, Styropor, ... Wäscheklammern Farbe in verschiedenen Farbtönen Lupen Behälter aus unterschiedlichem Material und mit unterschiedlichen Abmessungen (Schachteln, Plastikdosen, Kochtöpfe, Aluminiumschalen, Plastikschalen [von Gemüse z. B.], ...) Schläuche Schnell trocknender Alleskleber (oder noch besser: Neoprenkleber) zum Abdichten Werkzeug wie Scheren, Cutter, ...
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Einstiegsfrage

Der Lehrer fragt die Kinder (bzw. fragt sie noch einmal, falls die Frage früher schon gestellt wurde), ob man Wasser mit Sonnenenergie erwärmen kann. Die meisten antworten mit Ja. Die Aufmerksamkeit richtet sich dann auf das "Wie". "Wie lässt sich Wasser mit Sonnenenergie erwärmen?"

Untersuchung

Die Schüler bilden Gruppen und bekommen folgenden Arbeitsauftrag: "Denkt euch eine Anordnung aus, mit der man zeigen kann, wie Wasser von der Sonne erwärmt wird."

Abb. 1: Kinderzeichnung 1 – Wie kann man Wasser mit Sonnenenergie erwärmen?
(5. Klasse von Emmanuelle Wilgenbus, Antony, Frankreich)

Abb. 2: Kinderzeichnung 2 – Wie kann man Wasser mit Sonnenenergie erwärmen?
(2./3. Klasse von Isabelle Salier und Muriel Levresse, Straßburg, Frankreich)

Gemeinsame Erörterung

Die Vorschläge werden gemeinsam erörtert. Der Lehrer hebt die wichti­gen Parameter in den Vorschlägen der einzelnen Gruppen hervor. Manche den­ken zum Beispiel, dass man schwarze Farbe verwenden sollte, weil "Schwarz Wärme anzieht". Andere schlagen Lupen oder Spiegel vor, um "Sonnenstrahlen zu sammeln". Wieder andere sind der Meinung, dass ein Metallbehälter geeig­neter sei, weil er sich besser erwärmt als Plastik. Am Ende richtet sich die Aufmerksamkeit auf folgende Parameter:

• Die Form: Ist ein kompakter Behälter besser geeignet als ein großflächi­ger?
• Die Menge: Erwärmt man besser eine geringe Wassermenge oder gleich eine große?
• Die Farbe: Meist wird Schwarz vorgeschlagen, aber manche Schüler mei­nen, dass Silber ("wie beim Spiegel"), manchmal auch Rot ("die Farbe des Feuers") besser wären. Auch an transparente Behälter wird gedacht ("weil sie Licht durchlassen").
• Das Material: Metall oder Plastik, was wird schneller warm?
• Offen oder geschlossen: Sollte der Behälter geschlossen sein? Falls ja, sollte der Deckel durchsichtig sein oder nicht?
• Die Dämmung: Wird das Wasser besser erwärmt, wenn man die Wände des Behälters mit einem Dämmstoff versieht, damit "die Wärme nicht über die Seiten entweichen kann"?

Untersuchung mit Experiment

Der Lehrer sollte darauf achten, dass jedem Schüler die Schwie­rig­keit klar ist, die die Vielfalt der Parameter mit sich bringt. Ändert man mehrere Parameter gleichzeitig (indem man zum Beispiel einen silberfarbenen Metall­behälter mit einem durchsichtigen Plas­tikbehälter vergleicht), kommt man zu keinem Schluss (ist die Farbe oder das Material der Grund für ein anderes Ergebnis?). Also muss jeder Parameter einzeln geprüft werden.

Jede Gruppe nimmt sich einen – und nur einen – Parameter zur Prüfung vor. Sie erarbeitet ein Versuchsprotokoll und füllt einen "Bestellzettel" aus für die Mate­rialien, die sie verwenden möchte. Wenn dann der Lehrer das Ganze gutgehei­ßen hat (der Protokollentwurf muss klar der Fragestellung entsprechen und der Bestellzettel muss sich auf die verfügbaren Mate­rialien beschränken), beginnen die Gruppen mit dem Versuch.

Das Wetter muss natürlich mitspielen, die Sonne muss scheinen! Die Dauer der "Bestrah­lung" hängt u. a. vom Ort, der Jahreszeit, dem Wetter und der Uhrzeit ab. Man sollte realisti­scherweise eine Stunde einplanen. Wichtig ist, dass alle Gruppen gleichzeitig mit dem Ver­such beginnen und ihn gleichzeitig beenden. In der Zwischenzeit kann sich die Klasse mit etwas anderem beschäftigen.

Abb. 2: Wie hängt die Erwärmung von folgenden Faktoren ab?
- der Farbe des Gefäßes,
- ob das Gefäß offen oder geschlossen ist (Styropor),
- ob das Gefäß offen oder geschlossen ist (Metall),
- der Dicke der Wasserschicht,
- dem Material des Gefäßes,
- der Form des Gefäßes.

Gemeinsame Erörterung und Zusammenfassung

Die Schüler erkunden, wie groß der Einfluss der einzelnen Parameter ist. Der Lehrer ordnet die Ergebnisse in Form einer Tabelle, etwa wie folgt:

Form des Behälters	Offen oder geschlossen	Wasser- menge	Material	Farbe	Dämmung
großflächig: 24°C	offen: 22°C	10 cl: 25°C	Plastik: 22°c	Schwarz: 25°C	Nein: 24°C
kompakt: 22°C	geschlossen (Deckel trans­pa­rent): 26°C	20 cl: 24°C	Metall: 24°C	Weiß: 21°C	Ja (Wolle): 25°C
	geschlossen (Deckel nicht transparent): 23°C	30 cl: 23°C	Glas: 24°C	Silber­farben: 25°C
				Transparent: 21°C

Tab. 1: Ergebnisse der 5. Klasse von Christine Blaisot, Le Mesnil-Esnard, Frankreich

Die Klasse zieht aus den Versuchen den Schluss, dass sich Wasser mit Sonnenstrahlen erwärmen lässt und erkennt auch, auf welche Parameter man achten sollte, damit die Son­nenenergie möglichst effizient genutzt wird.

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