6. – 7. Schuljahr

Susanne Weßnigk und Jeffrey Nordine

Auf der Suche nach der „verlorenen Energie

Prozesse mit Wärmebildkameras betrachten

Der Energieerhaltungssatz als ein grundlegendes Prinzip der Physik wird schon im Unterricht der Mittelstufe oft angesprochen. Die Schülerinnen und Schüler sollen mit ihm zum Beispiel Prozesse wie das Verhalten eines Pendels vorhersagen. Die Anwendung des Erhaltungssatzes wird allerdings erst dann interessant und realitätsnah, wenn die betrachteten Prozesse eine gewisse Komplexität haben [1] und zum Beispiel das Verhalten eines Wagens auf einer Achterbahn betrachtet wird. Gerade aber bei diesen Alltagsprozessen scheint das in der Schule gelernte wichtige Prinzip der Energieerhaltung zu versagen. Energie scheint in den Prozessen „verloren zu gehen. Während viele Lernende den Energieerhaltungssatz replizieren können, gelingt so der Transfer auf Alltagsprozesse nur schwer und ein wirkliches Verständnis der Bedeutung von Energieerhaltung liegt häufig nicht vor ([2], [3]).
Betrachtet man z.B. einen fallenden Körper, so gelingt es vielen Schülerinnen und Schülern zwar noch, intuitiv die Umwandlung von Lageenergie in kinetische Energie bis zum Auftreffen auf den Boden zu erfassen („Ein fallender Körper verliert an Höhe, gewinnt dabei aber an Geschwindigkeit.). Die anschließende Feststellung jedoch, dass der Körper nun weder Höhe noch Geschwindigkeit besitzt und damit die Energie offenbar verschwunden ist, scheint den gelernten Wissensinhalten zu widersprechen. Es ist ja schließlich nichts sichtbar. Dies trifft auf viele Prozesse zu: In den meisten Systemen wird Energie in irgendeiner Weise vermisst sie ist in die Umgebung transferiert worden [4].
Wärmebildkameras zeigen „verschwundene Energie
Bis vor wenigen Jahren haben es Lehrkräfte schwer gehabt, Schülerinnen und Schülern diese „vermisste Energie zu zeigen. Während die Umwandlung von Energie in thermische Energie, wie es z.B. bei Reibungsvorgängen der Fall ist, für die Lernenden einleuchtend ist, scheint insbesondere der Transfer der thermischen Energie in die Umgebung schwer greifbar. Dieser ist zudem mit traditionellen Thermometern schlecht bis gar nicht registrierbar. An dieser Stelle können Wärmebildkameras bei der Suche nach der „verlorenen Energie helfen.
Wärmebildkameras sind in der Lage, die kleinen und kurzfristigen Temperaturänderungen zufriedenstellend zu registrieren und damit den Wärmetransfer in die Umgebung sichtbar zu machen. Diese Art von Kameras ist seit geraumer Zeit bekannt, war bis vor wenigen Jahren für den normalen Schulbetrieb aber zu kostspielig. Die mittlerweile verfügbaren Wärmebildkameraaufsätze, die in Verbindung mit Tablets oder Smartphones bedient werden, ermöglichen ihren Einsatz in der Schule.
Energietransfer bei Mischungsprozessen
Im außerschulischen Lernort „Energielabor wurden Wärmebildkameras in einem Projekt mit Schülerinnen und Schülern der 6. und 7. Jahrgangsstufe eingesetzt. Ziel war es, für Alltagsphänomene zu klären, wie und wohin sich die thermische Energie bei einem betrachteten Prozess ausbreitet, und zu untersuchen, wo die scheinbar verlorene Energie ist [5]. Die Kinder beobachteten alltagsnahe Prozesse an verschiedenen Stationen: Beispielsweise wurde eine kleine Menge heißes Wasser in verschieden große Gefäße mit kaltem Wasser gegossen (Abb. 1 ; vgl. auch [7]).2)
Durch die Beobachtung mit der Wärmebildkamera wurde deutlich, dass thermische Energie nicht einfach verschwindet. Es wird nur immer schwieriger, sie zu detektieren, wenn das genutzte System größer wird. Die Kinder erkannten hier zusätzlich durch Messung der Mischtemperatur nach einiger Zeit, dass sich diese immer weniger von der Ausgangstemperatur des kalten Wassers unterschied, je größer die Menge an kaltem Wasser war, in die das heiße Wasser geschüttet wurde. Übertragen auf thermische Energie bedeutet dies Folgendes: Thermische Energie kann in ein System transferiert werden, hat aber bei einem immer...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen