Lernzirkel: Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)

Ziel des Lernzirkels

Dieser Lernzirkel soll Ihnen die Gelegenheit geben die wichtigsten Eigenschaften der Gravitation, der elektrischen und magnetischen Wechselwirkung aus der Mittelstufe noch einmal zu wiederholen.

Führen Sie die verschiedenen Experimente durch und machen Sie sich mit Hilfe dieser Übersicht und den bei den Versuchen liegenden Hinweisen klar wie man die Beobachtungen mit Hilfe von verschiedenen Modellen erklären kann.

1) Ladungen - verschiedene Eigenschaften von Gegenständen

Material: Laptop mit LAN, Physikbuch, zwei Stabmagnete, eine Schnur

Schwere Ladung

• Welche der Aussagen beschreibt die Gravitation am besten? (Video: Was ist Gravitation? Eine Umfrage von "veritaserum".)

1) "Gravitation ist die Kraft, die uns und andere Gegenstände nach unten zur Erde zieht."

2) "Gravitation bewirkt die Anziehung von kleinen Objekten zu großen Objekten." (Ein Ball wird von der Erde angezogen, die Erde wird von der Sonne angezogen.)

3) "Gravitation ist Massenanziehung. Zwei Gegenstände, die Masse haben, werden zueinander hingezogen."

• Wie funktioniert eine Gravitationsdrehwaage? Schaut in das Physikbuch.

Magnetische Ladung

• Nähere das eine Ende eines Magneten verschiedenen Stellen des anderen Magneten.

Welche Wirkungen treten auf? In welchen Fällen ist die Wirkung besonders stark?

• Hänge einen Magneten drehbar an einer Schnur auf.

An welcher Stelle befindet sich die Nordpolladung und wo die Südpolladung?

Elektrische Ladung

• Warum gibt es keine Gegenstände, die dauerhaft elektrisch geladen sind?

2) Summe und Differenz von Ladungen

Material: zwei Stabmagnete, eine Schachtel mit Eisennägeln, Wimshurstmaschine, Elektroskop mit Faraday-Becher, Ladungslöffel

Magnete wirken zusammen

• Haltet zunächst nur einen Nordpol in die Nägel.

Wieviele Nägel kann man mit einem Nordpol anheben?

• Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so zusammenhaltet, dass die beiden Nordpole und die beiden Südpole aufeinanderliegen.

Wieviele Nägel können zwei Nordpole anheben?

• Macht aus zwei Magneten einen, indem ihr sie so aufeinanderlegt, dass jeweils die Nord- und Südpole zusammenliegen.

Wieviele Nägel kann ein gemischter Nord- / Südpol anheben?

• Was folgt aus euren Beobachtungen?

Elektrische Ladungen löffeln

• Mit der Wimshurst-Maschine kann man elektrische Ladungen trennen. Dreht man die Kurbel im Uhrzeigersinn, so fließen Elektronen von einer Seite auf die andere. Die entstehenden Pole sind mit + und - markiert. Auf einem Elektroskop befindet sich ein "Faraday-Becher". Die kleine Metallkugel mit dem Kunststoffgriff nennt man "Ladungslöffel".

Nehmt den Ladungslöffel und berührt damit den -Pol und danach die Innenseite des Faraday-Bechers. Wiederholt dies noch zweimal.

Berührt dann den +Pol und die Innenseite des Bechers. Wiederholt dies ebenso.

Gravitation auf anderen Planeten

• Die Gravitation ist nicht überall gleich. Der Ortsfaktor gibt an, wie stark die Anziehungskraft an dieser Stelle ist.

Warum ist die Gravitation an den verschiedenen Orten denn so unterschiedlich?

Himmelskörper	Ortsfaktor in N/kg
Merkur	3,70
Venus	8,87
Erde	9,798
Mond	1,62
Mars	3,71
Jupiter	24,79
Saturn	10,44
Uranus	8,87
Neptun	11,15

3) Großer oder kleiner Abstand

Material: Ein schwebender Magnet, ein elektrischer "Zauberstab" mit Folie

Schwebender Magnet

• Ein Magnet schwebt über einem anderen Magneten. Wenn man oben draufdrückt, dann nähern sich die Magnete weiter an. Läßt man los, so bewegt sich der obere Magnet wieder weg und kommt in einer größeren Entfernung wieder zur Ruhe.

Wie kann man das erklären? (Tipp: Welche Kräfte wirken, wie hängt das mit dem Abstand zusammen?)

elektrischer Zauberstab

• Lege die metallbedampfte Folie auf den "Zauberstab" und schalte ihn ein. Versuche die Folie in der Schwebe zu halten.

Vergleiche den Versuch mit den beiden Magneten.

Leichtigkeit auf dem Mount Everest

• Am Meer werde ich mit 800N angezogen, aber auf dem Mount Everest nur noch mit 796N, dort bin ich also "leichter"!

Warum ist das so?

4) "Aufladen" und "Entladen"

Material: ein Eisennagel, ein Kompass, ein Stabmagnet, ein durchgebrochener Magnet, Schallplatte, (Woll)Pullover, Glimmlampe, Glasstab, Papier

Ein magnetischer Eisennagel

• Nehmt einen Nagel und untersucht mit einem Kompass, ob der Nagel magnetische Pole hat. (Man erkennt das an der abstoßenden Wirkung, bei einem unmagnetisierten Nagel gibt es nur anziehende Wirkungen!)

Falls ja, werft den Nagel mehrmals auf den Boden und prüft nun nochmal auf Nord- und Südpole.

Falls nein, streicht mit einem der Pole einmal von einem bis zum anderen Ende über den Nagel. Untersucht dann erneut den Nagel mit dem Kompass.

• Prüft, ob ihr den magnetischen Zustand des Nagels erneut ändern könnt.

Durchgebrochener Magnet

• An den Stellen, an denen der Magnet durchgebrochen ist, befinden sich wieder Pole!

Welche Pole sind dort und wie kann man das mit der Magnetisierung des Magnets erklären?

Schallplatte und Glas reiben

• Reibe die Schallplatte mit dem Wollpulli. Halte dann die eine Seite der Glimmlampe fest und berühre mit der anderen Seite der Glimmlampe verschiedenen Stellen der Schallplatte. (Der Raum sollte dazu ziemlich dunkel sein!)
• Reibe den Glasstab mit Papier und halte wieder die Glimmlampe an den Glasstab. (Der Versuch klappt nicht immer!)

Gravitation An- und Ausschalten?

• Einen Nagel kann man magnetisieren, wobei magnetische Ladungen entstehen und wieder entmagnetisieren. Eine Schallplatte kann man elektrisch laden und entladen.

Warum kann man nicht einem Stein schwere Ladung geben und wieder nehmen? Dann könnte man die Schwerewirkung auf den Stein an- und ausschalten!

5) Influenz (Polarisierung und Magnetisierung)

Material: ein Kunststofflineal (oder Stange), ein Wollappen (oder ein Fell), Schallplatte, Fell, Metallkugel mit Fuß, Stabmagnet, Münzen

Gebogener Wasserstrahl

• Reibe ein Kunststofflineal an einem Wollappen und halte es in die Nähe eines schwach fließenden Wasserstrahls.

Warum lenkt das Lineal den Wasserstrahl ab? (Tipp: Wie verändern die Wassermoleküle durch die Nähe des geladenen Lineals ihre Lage? Siehe "Orientierungspolarisation".)

Schallplattengenerator

• Entlade zunächst die Metallkugel, indem du sie mit der Hand berührst. Lade dann die Schallplatte durch Reiben negativ auf. Halte die Glimmlampe an einer ihrer beiden Anschlüsse fest.

1. Halte die Schallplatte in die Nähe der Metallkugel (nicht berühren!) und berühre danach die gegenüberliegende Seite der Kugel kurz mit der Glimmlampe.
2. Entferne die Schallplatte und berühre die Kugel wieder kurz mit der Glimmlampe.

Jetzt kann man immer wieder 1. und 2. wiederholen...

• (Video des Versuchs)

Metallsortierung

• Nicht nur zwischen zwei Magneten gibt es eine Wechselwirkung. Auch zwischen manchen Metallen und Magneten.

Teste verschiedene Münzen mit dem Magneten!

"schwere" Influenz

• Sogar elektrisch neutrale Gegenstände werden in der Nähe von elektrischen Ladungen beeinflusst, ebenso einige Stoffe in der Nähe von magnetischen Ladungen.

Warum gibt es nicht auch eine Influenz bei der Gravitation?