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Einsatz im Unterricht der Sekundarstufe: Wenn Türme wachsen

  • Spitze eines Turms mit zwei Stahlbögen. (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Kann ein Stahlturm bei Wärmeeinstrahlung "wachsen"?
  • Alt: Grafik: Messung der Turmhöhe. (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Mit einem speziellen Messgerät wird die genaue Turmhöhe berechnet
  • Mann peilt mit Messgerät einen Turm an.  (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Die Vorbereitungen für die Messung der Turmhöhe laufen

Methodisch-didaktische Hinweise / Bezug zu den Bildungsplänen

Welchen Wert hat die Information, dass ein Turm im Laufe eines Tages „wächst“ und auch wieder „kleiner“ wird? Betrachtet man den Film „Wenn Türme wachsen“, so wird man auf anschauliche Weise Zuschauer eines naturwissenschaftlichen Versuchs, der untersucht, wie sich Stahl unter Zufuhr von Wärme verhält. Ein erster Alltagsbezug ist ermöglicht, da als Beobachtungsgegenstand ein Turm ausgemessen und ausgewertet wird.

Grundsätzlich hat das naturwissenschaftliche Arbeiten mittels Experimenten im NWA-Unterricht einen hohen Stellenwert, da es der Erkenntnisgewinnung dient. Stundenfrage, Hypothesenbildung, Überprüfen in Versuchen und Formulieren von Gesetzmäßigkeiten sind feste Bestandteile dieses Vorgehens.

Der Film „Wenn Türme wachsen“ setzt an dieser Methode an. Auch er stellt die Frage, wie verhält sich Stahl, wenn seine Temperatur geändert wird und überprüft dies in einem kleinen und großen Experiment. Damit orientiert sich das Filmmaterial am Bildungsplan: Temperaturänderung und ihre Folgen werden im Physikunterricht an Realschulen in der Regel in Klasse 8 thematisiert und der Bildungsplan sieht hierbei vor, dass die Schülerinnen und Schüler Phänomene, die beispielsweise mit der Übertragung von Wärme verbunden sind, beschreiben und sie modellhaft darstellen oder in definierten Größen quantifizieren.

Betrachtet man nun die Frage nach dem Wert der Information, so lässt sich feststellen, dass sich durch den Film viele weitere Fragen stellen lassen und man außerdem nun auch nach Antworten suchen kann, weshalb folglich bei diesem Turm die beiden Stahlbögen frei von einander stehen müssen und an ihrem höchsten Punkt nicht fest miteinander verbunden sind. An diese Überlegung lassen sich weitere Beobachtungen in der Umwelt / Umgebung anknüpfen, weshalb es beispielsweise Dehnungsfugen in Brücken gibt oder wie man sich in der Technik die Längenausdehnung durch Wärme mittels Bimetallstreifen beim Bügeleisen zu Nutze macht.

Unterrichtsideen

Der Film lässt sich vielseitig einsetzen. So könnte man ihn zu Beginn der Einheit ‚Wärmelehre‘ zeigen oder aber mit den Schülern daran den Unterpunkt „Ausdehnung durch Wärme – Temperaturänderungen und ihre Folgen“ bei flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen thematisieren, um darauf aufzubauen. Hierfür wird der Film zu Beginn des Unterpunktes gezeigt und zunächst als Versuch mit Skizze und Beobachtung festgehalten, um dann der Vermutung nachzugehen, was denn passieren würde, wenn die Stahlbögen des Turmes fest miteinander verbunden wären. In einem Lehrerdemonstrationsversuch wird mithilfe des „Bolzensprenger-Versuchs“ das Ausmaß einer festen Verbindung für den Turm deutlich gemacht.

  • Sonnenlicht reflektiert auf der Turmspitze. (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Durch die Sonnenwärme dehnt sich der Stahl aus
  • Turmbilder mit eingeblendeten Höhen- und Temperaturangaben. (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Die Sonne hat den Turm um fast neun Grad erwärmt

Im Anschluss werden nun weitere Versuche zum Thema „Ausdehnung durch Wärme“ gemacht. Dies wird als Überschrift ebenso an der Tafel festgehalten und auch in Folgestunden dort noch angeschrieben, damit die weiteren Beobachtungen entsprechend gedanklich zugeordnet werden. Für die Versuchsphasen bietet sich die Arbeit in Kleingruppen mit drei bis vier Schülern an. Da mit dem Bunsenbrenner gearbeitet wird, ist auf den sicheren Umgang damit besonders zu achten. Schüler, die noch nicht damit gearbeitet haben, müssen unbedingt davor eingewiesen werden.

- In einem ersten Schritt werden nun andere Metalle darauf untersucht, ob sie sich wie der Stahl im Film bei Wärmezufuhr ausdehnen. (Arbeitsblatt 2a) Auf eine Auswertung mit Zeigern wurde bewusst verzichtet und nur auf die Verlängerung des eingespannten Drahtes abgestellt, da es hier weniger um Messwerte als um die reine Beobachtung einer Verlängerung geht.

- Um deutlich zu machen, dass diese Ausdehnung in alle Richtungen verläuft, werden auch eine Münze und anschließend eine Kugel erhitzt. (Arbeitsblatt 2a und 2b) Der Kugelversuch ist als Lehrerversuch vorgesehen, da davon auszugehen ist, dass das nötige Material nicht ausreichend für Schülerversuche vorrätig ist.
In einem weiteren Schritt werden die gemachten Beobachtungen in einem Lückentext gesichert. Da Füllwörter gegeben sind, sollten die Schüler den Text zunächst allein lösen, um ihn dann im Plenum miteinander zu besprechen. (Arbeitsblatt 2b)

  • Zwei Pendelspitzen in unterschiedlicher Höhe. (Quelle: SWR/WDR – Screenshot aus der Sendung) Zweiter Beweis: Vergleichsmessung mit einem Draht, der vom Turm herabhängt. Am Nachmittag ist die Drahtspitze höher - der Turm ist "gewachsen"

- Im weiteren Verlauf wird nun ein Alltagsbezug hergestellt. Dazu sammeln die Schüler zunächst selbst Alltagsbeispiele, bei denen die Volumenänderung von festen Stoffen beachtet werden muss. Mithilfe eines Schaubildes müssen sie sodann auch Rückschlüsse ziehen, weshalb gleiche Längenzunahmen zweier Stoffe von Vorteil sein könnten. Ein Beispiel hierbei könnte der Brückenbau sein, wo bei gleicher Längenausdehnung verschiedener Materialien weniger Belastung entsteht. (Arbeitsblatt 3a) In einem weiteren Schritt wird nun ein Bimetallstreifen erhitzt, um daran zu beobachten, was passiert, wenn sich zwei Stoffe nicht gleichlang ausdehnen. (Arbeitsblatt 3a)

Bewusst wird der Streifen in beide Richtungen eingespannt, um mögliche Schwerkrafterklärungsversuche auszuschließen. Denn durch das Einspannen in beide Richtungen wird deutlich, dass es immer von dem Material abhängt, das die kürzere Ausdehnung hat und in dessen Richtung sich der Bimetallstreifen daher krümmt.

- Während beim Versuch die erste Beobachtung wesentlich ist, wird nun in einem Schaubild festgehalten, was in einem Bimetallstreifen bei Erwärmung genau geschieht. Die Schüler stellen dar, dass sich die Streifen unterschiedlich lang ausdehnen und sich das Bimetall folglich in Richtung der kürzeren Ausdehnung krümmt. In einem Schülerversuch wird dann der Bimetallstreifen als Schalter in einem Stromkreis eingebaut. Anschließend werden Verwendungsbeispiele wie das Bügeleisen, der Thermostat, oder auch das Thermometer besprochen und notiert.

- Um der Teileinheit „Ausdehnung durch Temperaturerhöhung“ gerecht zu werden, werden im Anschluss zwei weitere Versuche durchgeführt, um das Verhalten flüssiger und gasförmiger Stoffe gleichfalls zu testen.

- Abschließend wird sodann von den Schülern eine Übersicht erstellt, die zeigt, dass sich sowohl feste als auch flüssige und gasförmige Stoffe in der Regel ausdehnen. Dazu notieren sie jeweils auch einen Versuch mit einem Stichpunkt, der dies passend darstellt. (Arbeitsblatt 4) Die Überschrift „Ausdehnung bei Erwärmung“ wird für diese Übersicht ein letztes Mal aufgegriffen, um diesen Unterpunkt der Wärmelehre abzuschließen.

Hinweise für die Lehrkraft

Das Arbeiten mit Versuchen zum Erfassen von Phänomenen hat sich bewährt. Die Schüler arbeiten damit gerne und sind motiviert. Die Transferfragen sollen den Alltagsbezug herstellen. „Wenn Türme wachsen“ mit diesen Materialien zu bearbeiten und zu besprechen, wird zwischen vier und sechs Stunden umfassen, je nach Ausgangssituation in der Lerngruppe.


Folgendes Material wird verwendet:

Arbeitsblatt 1:
- Lehrerversuch: Bolzensprenger-Versuch (sollte in der Physiksammlung der Schule sein) und Bunsenbrenner, feuerfeste Unterlage, Schutzbrille. Sicherheitsabstände für die Lerngruppe beachten!

Arbeitsblatt 2a:
- Je 50 cm Kupfer- und Eisendraht, Stativ, Stativklemmen, Bunsenbrenner, Schutzbrille, feuerfeste Unterlage.
- 1-Euro-Münze, Kerze, Tiegelzange, Schutzbrille, Brettchen mit zwei Nägeln (Die Nägel müssen so angeordnet sein, dass die Münze im kalten Zustand gerade noch hindurchrutscht.)

Arbeitsblatt 2b:
- Lehrerversuch: Kugel-Ringversuch, Bunsenbrenner, feuerfeste Unterlage, Schutzbrille.

Arbeitsblatt 3a:
- Bimetallstreifen, Stativ, Stativklemme, feuerfeste Unterlage, Schutzbrille, Bunsenbrenner, Tiegelzange.

Arbeitsblatt 3b:
- Kerze, Bimetallstreifen, Nagel als Kontakt zum Bimetall, Stativ, Leiter mit Krokodilklemmen, Glühlampe, Lampenfassung, Flachbatterie, feuerfeste Unterlage.

Arbeitsblatt 4:
- Gefärbtes Wasser, Stehkolben, durchbohrter Gummistopfen mit Kapillar, 2 Bechergläser, Wasser, Dreibein mit Drahtnetz, Bunsenbrenner, feuerfeste Unterlage, Schutzbrille, Folienstift zum Markieren.
- Luftballon, Erlenmeyerkolben, Wasser, Eiswürfel, 2 Bechergläser, Dreibein mit Drahtnetz, Bunsenbrenner, feuerfeste Unterlage, Schutzbrille.