3B Scientific Magdeburg Plates - Manual (Page 2)

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3. Funktionsprinzip
Die Erde ist umgeben von einem Luftmantel, der At-
mosphäre. Die Luftmoleküle sind wie alle anderen Stof-
fe der Schwerkraft ausgesetzt und konzentrieren des-
halb an der Erdoberfläche. Der atmosphärische Druck,
der von der Luftmasse ausgeübt wird, ist auf Meeres-
höhe am größten und nimmt mit steigender Entfer-
nung von der Erdoberfläche ab. Analog zu Flüssigkei-
ten wirkt der Luftdruck gleichmäßig von allen Seiten
auf einen Körper. In einem offenen Körper besteht
immer ein Gleichgewicht zwischen dem Innen- und
Außendruck. Ist der Innendruck geringer als der Außen-
druck, so wird sich der Gleichgewichtszustand durch
Einfließen von Luft wieder herstellen. Auch im umge-
kehrten Fall, wenn der Innendruck größer als der
Außendruck ist, besteht die gleiche Tendenz durch
Austritt von Masse. In einem geschlossenen Körper ist
die resultierende Kraft aus der Druckdifferenz zwischen
Innen- und Außendruck im ersten Fall auf die Ober-
fläche des Körpers gerichtet und wird ihn zusammen-
drücken und im zweiten Fall nach außen mit der Ten-
denz ihn zur Explosion zu bringen.
Der Physiker und Bürgermeister von Magdeburg Otto
von Guericke demonstrierte als erster die Wirkung des
atmosphärischen Luftdrucks. Seine Vakuumversuche be-
gannen um 1650 und fanden ihren Höhepunkt mit ei-
nem spektakulären Experiment 1654 in Regensburg vor
dem Kaiser Ferdinand III: Die Magdeburger Halbkugeln.
Dazu evakuierte von Guericke zwei mit einem in Öl und
Wachs getränkten Lederriemen abgedichtete Kupfer-
halbkugeln mit einem Durchmesser von 42 cm. Die Luft
drückte die Halbkugeln so stark zusammen, dass selbst
16 Pferde nicht im Stande waren diese zu trennen.
4. Bedienung
4.1 Demonstration der Wirkung des
atmosphärischen Luftdrucks
• Vor dem Versuch Gummidichtungsring und Plat-
ten auf Beschädigungen überprüfen.
•
Schlauchverbindung zwischen Handpumpe 8
und Magdeburger Platte 3 gemäß Abbildung 1
herstellen.
• Dazu Schlauchverbinder ineinander stecken und
durch Drehen mit leichtem Fingerdruck zusam-
menstecken.
•
Gewünschten Gummidichtungsring auf die Plat-
te legen und beide Platten zusammendrücken.
• Bei Wahl des Gummirings mit dem kleineren
Durchmesser ist es leichter die Platten durch Zug
zu trennen. Ein experimenteller Vergleich, bei
dem nacheinander beide Gummiringe benutzt
werden, demonstriert die Abhängigkeit der Kraft
von der Fläche.
•
Eine zweite Person startet den Evakuierungsvor-
gang mit der Handpumpe.
• Nach wenigen Pumpvorgängen ist die meiste Luft
zwischen den Platten evakuiert.
•
Wirkung des atmosphärischen Luftdrucks durch
Ziehen an den Halbkugeln demonstrieren.
• Durch Lösen der Schlauchverbindung an der
Magdeburger Platte die Apparatur belüften.
Abb.1
4.2 Quantitative Messung
4.2.1Grobe experimentelle Bestimmung des
atmosphärischen Luftdrucks
•
Geräte wie im Versuch Pkt.4.1 zusammenbauen.
•
Die Luft zwischen den Platten evakuieren.
• Die Person mit den Magdeburger Platten betritt
eine Badezimmerwaage und beobachtet die Ska-
la während die zweite Person versucht die Plat-
ten zu trennen, indem sie senkrecht nach unten
zieht.
• Den abgelesenen Waagenwert beim Trennen der
Platten notieren.
•
Zur Berechnung dient die Formel
Druck = Kraft/Fläche
• Zur Bestimmung der Kraft vom abgelesenen
Waagenwert das Körpergewicht und das Gewicht
der Magdeburger Platten subtrahieren. Zur Um-
wandlung in Newton den Wert in kg mit 9,8 mul-
tiplizieren.
•
Die Kraft, mit der die Platten zusammengedrückt
werden entspricht der Kraft, die der Luftdruck auf
die vom Gummiring begrenzte Fläche ausübt. Des-
halb zur Bestimmung der Fläche den mittleren
Durchmesser des Gummirings bestimmen und in
m² umwandeln.
• 1 N/m² entspricht 1 Pa. Da der berechnete Werte
sehr groß ist, ist es empfehlenswert das Ergebnis
in kPa umzuwandeln.
•
Es empfiehlt sich ein Vergleich mit dem tatsächli-
chen Luftdruck, gemessen mit einem Barometer.
• Fehlerquellen mit den Schülern besprechen (z.B.
Ungenauigkeiten in der Badezimmerwaage und
beim Ablesen, nicht genau senkrechtes Herabzie-
hen der Magdeburger Platte, Restmenge von Luft
zwischen den Platten).
Zusätzlich erforderlich:
1 Badezimmerwaage
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