Das geothermale Phänomen Geysir - Ein Unterrichtsversuch zur Wärmelehre in der Jahrgangsstufe 7

Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  3

2.  Lerngruppenbeschreibung  3

3.  Sachanalyse  

  3 1 Das geothermale Phänomen „Geysir“  4

  3 2 Wärmeleitung  8

  3 3 Hydrostatischer Druck (hydrostatisches Paradoxon)  9

  3 4 Druckabhängigkeit des Siedepunktes (von Wasser)  11

  3 5 Berechnungen zum Geysirmodell  13

4.  Didaktische Überlegungen  

  4 1 Das Phänomen im Physikunterricht  15

  4 2 Vom Phänomen zum Modell  17

  4 3 Modellbildungsprozesse  18

5.  Methodische Überlegungen  

  5 1 Aufbau und Durchführung der Experimente  23

  5 2 Berechnungen an den Experimenten  29

6.  Groblernziele des Unterrichtsversuchs  30

7.  Gliederung der Unterrichtsreihe  31

8.  Durchführung der Unterrichtsreihe  32

  Darstellung der Unterrichtsstunden  

9.  Gesamtreflexion  35

10.  Literaturverzeichnis  35

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1. Einleitung

Im Themengebiet der Physik in der Sekundarstufe I wird in der 7. Jahrgangsstufe die Wärmelehre behandelt. Die folgende Konzeption zeigt, wie mit Hilfe eines Phänomens als Anwendungsproblem die Entwicklung eines Experiments, dessen Auswertung sowie die Notwendigkeit einer physikalischen Erklärung motiviert werden können. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mit Hilfe ihrer Vorkenntnisse Gesetzmäßigkeiten zur Wärmelehre. Sie entdecken die Wärmeleitung und die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck (hydrostatischer Druck) und lernen, mit den neuen Begriffen umzugehen und diese anzuwenden.

Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei eine außerschulische Situation mit Hilfe von Physik (und auch Mathematik) zu beschreiben und zu bewältigen. Im Mittelpunkt des Unterrichts steht immer wieder das experimentelle Modell des Geysirs. Die Lernenden erkennen dabei die Bedeutung der Physik bei der Entdeckung, Erforschung und Erklärung von Naturereignissen.

2. Lerngruppenbeschreibung

Seit Beginn des Sommerhalbjahres 2001/2002 unterrichte ich die Klasse R7b zweistündig in eigener Verantwortung im Fach Physik. Insgesamt 29 Schülerinnen und Schüler befinden sich in der R7b, davon 18 Schülerinnen und 11 Schüler. Diese 29 Schülerinnen und Schüler brachten unterschiedliche Vorkenntnisse zum Themenbereich der Wärmelehre mit. Im Winterhalbjahr werden nach den Lehrplänen für das Gymnasium und für die Realschule die Themenbereiche Einführung in die Physik, Optik und Akustik unterrichtet. In der Förderstufe (5./6.-Jg.) werden in Hessen keine Naturwissenschaften unterrichtet. Vorkenntnisse basierten hier also höchstens auf dem Sachkundeunterricht in der Grundschule.

Alle Schülerinnen und Schüler sind gut in den Klassenverband integriert. Einzige Ausnahme ist der Schüler Christian. Co.. Durch sehr viele Fehlstunden hat er bisher kaum am Unterricht teilgenommen. Wesentliche, bereits erarbeitete Kenntnisse zur Temperatur und zum Teilchenmodell fehlen ihm. Wenn Christian anwesend ist, sitzt er allein in einer Tischreihe und beteiligt sich nicht aus eigenem Antrieb am Unterricht. Er ist still, fällt nicht negativ auf und scheint den privaten Kontakt zu seinen Mitschülerinnen und Mitschülern zu meiden, zumindest nicht zu suchen. So arbeitet er in Gruppen- oder Partnerarbeitsphasen zumeist allein, oder wenn er an einer Gruppe beteiligt ist, hält er sich stark zurück.

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Dieses Verhalten sowie die Vielzahl der Fehlstunden sind der Klassenlehrerin bekannt und entsprechende Schritte eingeleitet.

Das Sozialverhalten der Gruppe im Unterricht ist gut. Es herrscht ein Klima in der Klasse, das ein Miteinander fördert und kein Gegeneinander. Die Schülerinnen und Schüler reden in der Regel miteinander und hören sich zu. Auch in sechsten Stunden sind sie diszipliniert und beteiligen sich mit einigen Ausnahmen am Unterricht. Die Gesamtschule Obersberg verfügt über einen Fachraum für den Physikunterricht, der jedoch für die Wärmelehre nicht ausreichend ausgestattet ist. So fehlen beispielsweise Gasanschlüsse an den Schülertischen, Kolben, Stopfen, Glasrohre und Thermometer. Ein weiterer Aspekt, der Schülerversuche stark begrenzt, ist die Gruppenstärke von 29 Schülerinnen und Schülern. Für Temperaturmessungen verfügt die Schule über das digitale System „Cobra“ der Firma Phywe. Jedoch lässt sich dieses nicht einsetzen, da ein zur Messung und Auswertung benötigter PC fehlt. Bei den Messungen muss daher auf ein träges Flüssigkeitsthermometer zurückgegriffen werden.

3. Sachanalyse

3.1 Das geothermale Phänomen „Geysir“

Geysire, Spring- und heiße Quellen zählen zu den geothermalen Phänomenen, die wir hauptsächlich von Berichten und Dokumentationen über Island kennen. Auch in Deutschland gibt es geothermale Phänomene wie beispielsweise heißes, salzhaltiges Grundwasser, das in Form von Sole an die Oberfläche gepumpt wird und zu Heilzwecken in Kurbädern eingesetzt (z.B. im nordhessischen Bad Sooden-Allendorf). Um die Entstehung solcher Phänomene zu verstehen, muss man einiges über den Aufbau der Erde wissen.

Das Schalenmodell der Erde

Zu etwa einem Drittel besteht unser Planet aus Eisen. Vor ungefähr 4,6 Miliarden Jahren, an Ende der Entstehungsphase der Erde, sank das flüssige Eisen in das Zentrum der Erdkugel. Das leichtere Material wurde dabei an die Erdoberfläche verdrängt und es ent-standen durch die ungleiche Verteilung der Elemente letztlich Schalen: ein Kern aus Eisen und schwereren Elementen und eine Kruste aus leichteren Elementen, die durch einen Mantel aus den übriggebliebenen Elementen getrennt werden.

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Eine Reise zum Erdmittelpunkt

„Unsere fiktive Reise beginnt am Dom in Köln, wo wir mit einer Forschungskapsel in die Erde eindringen. Nur 15 Meter dick sind die Spuren der Zivilisation. Darunter liegen Sand und Kies, Ablagerungen des Rheins aus der Eiszeit. Bereits 2 km unter der Erdoberfläche liegt die Temperatur bei 100°C - vor fast 400 Millionen Jahren, war hier ein Meer. Bei Kilometer 8 erreichen wir schon 200 °C. Die Gesteine verändern ihre Struktur und verformen sich. Direkt unter Köln ist die Erdkruste in mehrere Blöcke zerbrochen. Diese Blöcke sind in Bewegung und verursachen immer wieder Erdbeben. Unter der Erdkruste beginnt der Mantel. Das Gestein ist noch fest. Doch dazwischen gibt es Magmakammern, die Quellen für Vulkanismus. Bei Kilometer 2000 erreichen wir den unteren Mantel mit einer Temperatur von 3000°C. Das Material ist geschmolzen. Riesige Strömungen im Erdmantel verursachen die Bewegung der Kontinente. Die Hitze dafür kommt aus dem äußeren Kern - eine flüssige metallische Schmelze in 5000 km Tiefe. Schließlich erreichen wir das Innerste der Erde: eine riesige feste Metallkugel. Sie besteht fast vollständig aus Eisen und Nickel. Der innere Kern pulsiert und rotiert und gemeinsam mit dem äußeren Kern bewirkt er das Magnetfeld der Erde. 6378 km sind es bis zum Mittelpunkt der Erde.“

[Quelle: Archiv des Westdeutschen Rundfunks, Köln]

Wie entsteht geothermale Aktivität?

Durch Risse, Spalten und Löcher kann Wasser durch die Erdkruste in die Tiefe dringen. Kommt es dort mit heißen Gesteinsschichten in Berührung, dann heizt es sich auf und sprudelt als warme oder heiße Quelle an die Oberfläche.

Geothermale Gebiete in Island

In Island endet der Mittelatlantische Rücken und es ist die einzigste Stelle, wo sich dieser über die Wasseroberfläche erhebt. Über 700 Geothermalfelder zeigen deutliche geothermische Aktivität in Form von warmen und heißen Quellen oder Springquellen (Geysire). Grund- und Regenwasser dringt durch Risse und Spalten im Gestein in den Boden ein und gelangt bis in Tiefen, in denen die durch Magmaintrusionen hervorgerufene Wärme groß genug ist, das Wasser so zu erhitzen, dass durch Ausdehnung und Druck des Wasserdampfes allein ein Aufsteigen bis zur Erdoberfläche möglich ist.

Wie funktioniert ein Geysir?

Das Funktionsprinzip eines Geysirs wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: den hydrologischen und thermalen Eigenschaften von Wasser. Es transportiert und speichert die Wärme, die einen Geysir antreibt. Darüber hinaus besitzt es wichtige Eigenschaften, von denen die Geysiraktivität kritisch abhängt. Die spezifische Schwere verhält sich umgekehrt proportional zur Temperatur, je wärmer desto leichter. Die Wärmequellen eins Geysirsystems sind i.a. nicht gleichmäßig verteilt, so dass sich aufgrund des Temperaturgradienten ein korrespondierender Dichtegradient im System entwickelt. Dieser ist die treibende Kraft, der eine Zirkulation der Wassermassen im Geysirbassin aufrechterhält. Der Siedepunkt von Wasser ist eine Funktion des Druckes. Strokkur Schlot auf Is-land ist 13,5m tief und trichterförmig, 8,3m an der Oberfläche und nur 26cm Durchmesser in 8,3m Tiefe. Das Verdampfen des Wassers wird durch den Druck der darüber liegenden Wasserschichten unterdrückt und überschüssige Wärme wird gespeichert. In 7m Tiefe liegt der Siedepunkt des Wassers schon bei über 116°C! Die annähernd 1500-fache Volumenvergrößerung beim Verdampfen von Wasser verrichtet eine sehr große mechanische Arbeit, die sich letztendlich in dem Herausschleudern von Dampf und Wasser, der Eruption, aus dem Geysir zeigen. Obwohl in seiner Form trichterförmig, kann man zur Erklärung des Eruptionsmechanismus von Strokkur das Modell eines gleichförmigen Säulengeysirs heranziehen. Das simpelste Modell geht von einer gleichmäßigen Quelle überhitzten Wassers aus, dass sich nach einer Eruption im

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