... explore

... erforsche: Schall verstärken

Woran liegt es, dass deine Soundmaschine laute Geräusche erzeugt?

Bei deiner Soundsmaschine werden die Kratzgeräusche des Nadelkopfes gut hörbar. 

Bei einem Grammophon kannst du Ähnliches beobachten. 

Diese bewegte Luft nehmen wir als Schall, als Geräusche oder Töne wahr. Mit einem Schalltrichter kann der Schall der Membrane verstärkt werden. 
Bei unserem akustischen Signalgeber kannst du Ähnliches beobachten. 

Dieses Bild zeigt ein Grammophon, wie man es vor etwa hundert Jahren benutzt hat. 

Für das Experiment brauchst du:

• den Hartschaumstab vom Stromwandler-Labor
• die Stecknadel vom Stromwandler-Labor
• einen 2 cm breiten Papierstreifen von 10 cm Länge. 
• einen weiteren Hartschaumstab
• Notizmaterial

Halte die Nadel senkrecht über die Tischfläche, so, dass der Nadelkopf etwa 2 cm über der Tischfläche ist. Mit dem liegenden Hartschaumstab kannst du die Höhe einschätzen.

• Lass die Nadel auf den Tisch fallen.
• Was hörst du?

Klebe die Nadel mit einem Stück normalem Klebeband an die kurze Seite des Papierstreifens.

Halte den Papierstreifen senkrecht über die Tischfläche, so, dass der Nadelkopf etwa 2 cm über der Tischfläche ist. Mit dem liegenden Hartschaumstab kannst du die Höhe einschätzen.

• Lass den Papierstreifen mit der Nadel auf den Tisch fallen
• Was hörst du?

Stecke die Nadel in die Stirnseite des Hartschaumstabes.

Halte den Hartschaumstab senkrecht über die Tischfläche, so, dass der Nadelkopf etwa 2 cm über der Tischfläche ist. Mit dem liegenden Hartschaumstab kannst du die Höhe einschätzen.

• Lass das Hartschaumstab mit der Nadel auf den Tisch fallen.
• Was hörst du?

Was hast du beobachtet?
Was hast du gehört?

Halte deine Erkenntnisse fest.

... erforsche: Leitfähigkeit von Materialien 

Mit deiner Energiewandel-Station kannst du untersuchen, welche Materialien Strom leiten. 
Interessant wäre es, wenn du Gegenstände finden würdest, die Strom leiten und die du später für den Bau einer elektrischen Fernleitung gebrauchen kannst. 

Baue einen elektrischen Durchgangsprüfer

• Entferne von der Energiewandel-Station folgende Teile:
  • den Rundstab mit dem Hartschaumstab
  • die Kartonscheibe mit dem grünen Zahnrad
• Stecke das andere grüne Zahnrad auf die Motorachse.
• Entferne das blaue und das schwarze Kabel vom Magneten. Die Nadelspitzen der Kabel sind deine Prüfspitzen.

• Am einfachsten ist es, wenn eine andere Person die Nadelspitzen fest auf das Material drückt. 
• Drehe dein Kurbel-Kraftwerk und prüfe, ob das grüne Zahnrad dreht oder nicht. 

• Wenn du alleine arbeitst, musst du dir etwas einfallen lassen:
  Nutze zum Beispiel Büroklammern oder Gummiringe, um die Prüfspitzen zuverlässig mit dem zu prüfenden Material zu verbinden. Vielleicht hast du noch andere Ideen.
• Drehe dein Kurbel-Kraftwerk und prüfe, ob das grüne Zahnrad dreht oder nicht.

Mögliche Erkenntnisse:
Materialien, durch welche Strom fliesst, sind Stromleiter. Materialien durch welche kein Strom fliesst, sind  Isolatoren. Metalle sind gute Stromleiter, Kunststoffe sind gute Isolatoren.

... erforsche: Elektrische Schaltungen

• Drehe bei den folgenden Experimenten das Antriebsrad deines Kurbel-Kraftwerks immer gegen den Uhrzeigersinn.
  So ist der +Pol (Pluspol) beim roten Kabel des Generators und der -Pol (Minuspol) beim blauen.
• Markiere die Drehrichtung mit einem Bleistift auf  dem Antriebsrad.

Experiment: Stromkreislauf

• Verbinde den Motor mit dem Generator.
• Drehe das Antriebsrad gegen den Uhrzeigersinn. 
• Nun hast du einen geschlossenen Stromkreislauf. Die Wirkung des Stroms kannst du am Motor erkennen: Der Motor dreht sich (im Uhrzeigersinn). 
  

Hinweis: Damit die Schaltung übersichtlich ist, sind die Kabel verkürzt dargestellt.

Hier siehst du die elektrische Schaltung mit dem Generator und dem Motor von oben.
Alle Teile, die für die Schaltung nicht wichtig sind, wurden weggelassen.

Die Stecker, am blauen und am schwarzen Kabel und die beiden an den roten, sind miteinander verbunden.
Der Stromkreis ist geschlossen.

Hier siehst du den passenden Schaltplan mit dem Generator und dem Motor. Du erkennst die Symbole für die elektrischen Bauteile.

Schaltplan: Generator-Motor
1) Generator (Stromquelle)
2) Motor

In einem Schaltplan werden die Kabel als elektrische Leitungen dargestellt. Elektrische Leitungen werden als Linien mit rechten Winkeln gezeichnet.

Experiment: Stromkreis mit LED

Erkenntnis:
Eine LED leuchtet, wenn ihr langes Bein in Richtung des +Pols (Pluspol)  und das kürzere Bein in Richtung des -Pols (Minuspol) der Stromquelle zeigt.

Experiment: Parallelschaltung

• Zusätzlich zur LED schliesst du den Motor so an, dass  auch er direkt mit der Stromquelle verbunden ist.
• Drehe das Antriebsrad gegen den Uhrzeigersinn.
• Man sagt: «Der Motor und die LED sind parallel geschaltet». 

Experiment: Serieschaltung

• Füge einen Motor und eine LED in den Stromkreis ein.
• Drehe das Antriebsrad gegen den Uhrzeigersinn.
• Wenn die LED nicht leuchtet, musst du ihre Anschlüsse wechseln.
• Man sagt: «Der Motor und die LED sind in Serie geschaltet». 

Schaltplan: Generator - Motor - LED 

Zusatzaufgabe für besonders vife Forscher*Innen:

Wie ist es nun bei der Taschenlampe? Dort kannst du die beiden LEDs abwechselnd zum Leuchten bringen, wenn du die Drehrichtung des Antriebsrades wechselst.

Taschenlampe Schaltplan A

• Drehe das Antriebsrad gegen den Uhrzeigersinn.
• Es soll nur die rote LED leuchten. Sonst musst du die Anschlüsse wechseln.
• Bei der Taschenlampe ist dies das rote Notlicht. 

Taschenlampe Schaltplan B

• Drehe das Antriebsrad im Uhrzeigersinn.
• Es soll nur die weisse LED leuchten. 
• Bei der Taschenlampe ist dies das weisse Hauptlicht. 
• Achte dich auf die Polung des Generators. Nun ist der +Pol beim blauen Kabel und der -Pol beim roten.

In der Welt der Technik ist es wichtig, dass man Abmachungen trifft. Man nennt dies Normen.

So hat man vereinbart, dass ein Motor im Uhrzeigersinn dreht, wenn das rote Kabel mit + Pol und das blaue oder schwarze Kabel mit dem -Pol einer Stromquelle verbunden wird. 

Tüftelaufgabe: Wie ist dies bei unserem Kurbel-Kraftwerk? Hier wird ja ein Motor als Generator (Stromquelle) verwendet.

Du hast erfahren, dass du selbst eine Art Kraftwerk bist und dein Körper den Energieträger "Nahrung" in Bewegungsenergie umwandeln kann. Als Folge dieser Energieumwandlung kannst du zum Beispiel das Antriebsrad deines Kurbel-Kraftwerks drehen.                                              

Baue deine Energiewandel - Station

Mit der Energeiwandel - Station kannst du verschiedene Stromwandler an dein Kurbel-Kraftwerk anschliessen und elektrische Energie in andere Energieformen wie Bewegungs-, Schall- und Lichtenergie umwandeln.

Material
 1) Rasterpapier
 2) Doppelklebeband
 3) 1 Elektromotor mit schwarzer und roter Litze
 4) 1 rotes Zahnrad
 5) 1 grünes Zahnrad
 6)  3 Magnete
 7) 1 Pinwandnadel 
 8) 1 Holz-Rundstab 3mm (Grillspiesschen)
 9) 1 quardatischer Hartschaumblock
10) 1 Stecknadel
11) 1 Kartonscheibe
12) 1 Hartschaumstab

Achtung: Magnete können innere Verletzungen hervorrufen, wenn sie verschluckt werden!

• Markiere auf dem Doppelklebeband ein Stück von 0.5 cm und schneide es ab. 
• Stelle einen zweiten Streifen von 0.5 cm her. 
• Halbiere beide Streifen; so erhältst du 4 gleichgrosse Klebebandstücke. 

• Markiere auf dem quadratischen Hartschaumblock zwei Stellen für die Magnete.
• Beide Marken haben 3 cm Abstand von einer Ecke.

• Nimm den Hartschaumstab und lege ihn diagonal auf den quadratischen Hartschaumblock, so dass seine Ecken die Kanten berühren. 
• Zeichne eine Markierung entlang der vorderen Kante des Stabes. 

• Schneide die angezeichnete Ecke mit dem Messer weg. 
• Achte auf einen senkrechten Schnitt.

• Klebe je ein Stück Doppelklebeband auf die zwei Markierungen und eines in die Mitte der weggeschittenen Ecke.
• Entferne die Schutzfolien. 

• Klebe je einen Magneten auf das Klebeband.
• Achte darauf, dass unterhalb und oberhalb der Magnete jeweils gleich viel Freiraum ist - und dass die Magnete senkrecht stehen.  

• Klebe in der Mitte des Hartschaumblocks ein Stück Doppelklebeband von 2.5 cm Breite auf. 
• Entferne die Schutzfolie. 
• Klebe den Motor in die Mitte des Hartschaumblockes und achte darauf, dass die Kabel zur Ecke gegenüber der weggeschnittenen zeigen.
• Presse den Motor stark an.

Soundmaschine: 
Verwandle elektrische Energie in Schallenergie

• Lege die Kartonscheibe auf den Hartschaumstab.
• Stich mit der Pinwandnadel ein Loch in die Mitte. 

• Klebe ein Stück Doppelklebeband von 2.5 cm Breite auf das grüne Zahnrad
• Entferne die Schutzfolie.

• Stecke die Pinwandnadel von der bedruckten Seite her in das Loch in der Kartonscheibe. Behalte die Pinwandnadel in der Hand.
• Stecke die Mitte des grünen Zahnrades auf die Pinwandnadel-Spitze. So findest du genau die Mitte. 
• Presse das grüne Zahnrad kräftig auf die Kartonscheibe. 

• Stecke das grüne Zahnrad mit der aufgeklebten Kartonscheibe auf die Motorachse.

• Kürze einen Rundstab auf die Länge von 10 cm (mit Spitze).

• Stelle den Rundstab mit  der Spitze nach oben auf den Tisch.
• Stecke das Zahnrad auf den Stab (das kleine Zahnrad nach oben!).
• Stosse es bis in die Mitte. 

• Stecke den Rundstab mit der Spitze voran in die Ecke, die gegenüber der abgeschnittenen Ecke des Hartschaumblockes ist.
• Achtung: Der Stab darf die Kartonscheibe nicht berühren - und er soll möglichst senkrecht stehen.
• Stecke den Stab so weit in den Hartschaum, bis die Spitze den Tisch erreicht.

Stelle eine Schneidehilfe her, mit der du den Hartschaumstab rechtwinklig abschneiden kannst: 

• Schneide von einem  2 cm breiten Papierstreifen (rot, gelb, blau oder grün) ein Stück von 9 cm Länge ab. 
• Lege es um den Hartschaumstab. Achte darauf, dass die Kanten genau aufeinander liegen.  
• Fixiere den Papierring mit einem kurzen Stück normalen Klebebandes. 

• Verschiebe die Schneidehilfe, bis sie genau  10 cm Abstand von der kurzen Kante des Stabes hat.
• Schneide mit dem Messer entlang der Schneidehilfe. 
• Bewege das Messer mit wenig Druck hin- und her und schneide den Stab etwa einen Drittel ein. 
• Drehe den Stab um 90 Grad und schneide ihn erneut etwa einen Drittel ein.
• Wiederhole diesen Vorgang.
• Beim vierten Schnitt schneidest du den Stab ganz durch (Film).

• Markiere die Mitte des Stabes mit einem Kreuz.
• Stich mit der Spitze des 3 mm Rundstabes an der Markierung durch den Hartschaumstab. 

• Vergrössere das Loch mit einem Bleistift.
• Stecke dazu den Bleistift abwechselnd von beiden Seiten in den Stab, bis du den Bleistift ganz in den Stab stecken kannst.

• Lege den Hartschaumstab auf den Tisch. 
• Stecke im Abstand von etwa 1 cm von der Kante des Stabes eine Nadel mit farbigem Glaskopf in den Hartschaum.
• Stecke die Nadel soweit in den Hartschaum, bis die Spitze den Tisch berührt und achte darauf, dass sie senkrecht ist.

• Stecke den Hartschaumstab auf den Rundstab und lege ihn auf das rote Zahnrad. 
• Verschiebe das rote Zahnrad, bis die Nadel die Kartonscheibe berührt. 

• Schneide 2 Silikonschlauch-Stücke von 2 cm Länge zu.

• Biege die Litzenenden um.

• Stecke das schwarze Litzenende ganz in das 2 cm lange Silikonschlauch-Stück.
  Achte darauf, dass die Isolation circa 5 mm in den Schlauch gesteckt wird.
• Fixiere die Litze mit einer Nadel. Stecke die Nadel ganz in den Schlauch, so wie auf dem Bild.
• Mach das Gleiche mit dem roten Litzenende.

• Verbinde die Stecker von Motor und Kraftwerk mit den Magneten: Rot mit rot und blau mit schwarz. 
• Erzeuge Strom!
• Kurble so, dass die Kartonscheibe die Nadel vom Rundstab wegziehen will (grüner Pfeil).
• Starte langsam, bis die Nadel ihre Position auf der Scheibe gefunden hat, dann kannst du «Vollgas» geben. Es entstehen deutliche Geräusche.

• Falls beim Drehen die Nadel von der Kartonscheibe gleitet, schwenkst du den Hartschaumstab mit der Nadel auf die andere Seite der Scheibe und änderst die Drehrichtung (grüner Pfeil).
• Vielleicht musst du zusätzlich das rote Zahnrad etwas nach unten oder oben schieben, damit der Nadelkopf gut auf der Kartonscheibe aufliegt.

• Wenn du auf der Kartonscheibe eine kleine Erhöhung anbringst, ensteht bei jeder Umdrehung ein Schlag auf die Nadel, welcher deutlich hörbar ist. 
• Klebe einen schmalen Papierstreifen mit normalem Klebeband auf die Kartonscheibe. Der Streifen soll vom Rand zur Mitte zeigen.
• Nun hat es auf der Scheibe eine kleine Erhöhung und die Nadel kann nicht einhängen.

Beleuchtung:
Verwandle elektrische Energie in Lichtenergie

• Befestige das schwarze Kabel am mittleren Magneten. 
• Verbinde eine LED mit den zwei Magneten, an denen der blaue und schwarze Stecker haften.

• Gleichzeitig zum Drehen des Motors, kannst du nun auch eine LED zum Leuchten bringen.
• Wenn die LED nicht leuchtet, musst du Ihre Anschlüsse wechseln. 
• Ein Teil der elektrischen Energie, die du durch das Kurbeln erzeugst, wird in Lichtenergie umgewandelt, was du am Leuchten der LED erkennen kannst.

Wirbel
Vielleicht kennst du den Trick: 
Du machst eine Wette, dass du eine Flasche Wasser am schnellsten ausleeren kannst. Dreh das obere Ende der Flasche ein paar Mal kräftig und siehe da: Es entsteht ein Wirbel und die Flasche entleert sich viel schneller, als wenn du sie einfach umdrehst.

• Schneide von einem 2 cm breiten Papierstreifen (rot, blau, gelb oder grün) ein 1 cm breites Stück ab.
• Klebe dieses Papierstück auf ein etwa 4 cm langes Stück Klebeband.
• Der obere Rand des Papierstückes soll frei bleiben.

• Klebe das Papierstück auf das Glas.
• Der obere Rand des Papierstücks liegt genau auf der Linie des Wasserstandes.

• Erzeuge einen grossen Wirbel.
• Wenn du nun genau hinschaust, siehst du, dass der Wasserstand am Rand leicht ansteigt (ca. 1 mm).
• In der Mitte vertieft sich das Wasse in einen Strudel. 

Mögliche Erkenntnisse:
Der Magnet im Glas dreht sich und überträgt seine Rotationsenergie an die benachbarten Wasserteilchen . Diese drehen sich auch im Kreise und werden nach aussen gegen die Glaswand gedrückt. An der Glaswand können sie nur nach oben entweichen. Der Wasserspiegel steigt am Glasrand. In der Mitte des Glases drückt die Luft in den frei gewordenen Raum.

Schwimmer im Wirbel 

Wie soll man sich verhalten, wenn man in einen Wasserwirbel kommt. 

Wenn du gut beobachtest, was mit der roten Bügelperle passiert, kannst du wichtige Hinweise erhalten.  

• Öffne das Konservenglas.
• Lege die rote Bügelperle ins Wasser.
  Du stellst fest, dass sie schwimmt. 
• Was passiert mit der roten Bügelperle, wenn sie in den Wirbel gelangt? 
  
  
• Ohne Deckel kannst du nun den Wirbel von oben beobachten? Was stellst du fest?

Mögliche Erkenntnisse:
Die Bügelperle wird im Wirbel ganz nach unten gezogen, dann zur Seite gedrückt, um wieder nach oben zu steigen. 
Wenn ein Menschen in einen Wasserwirbel gelangt, ist es das beste, sich nicht zu wehren. Wie die Bügelperle, soll man sich nach unten ziehen lassen, weil man dann am Fusse des Wirbels zur Seite entweichen kann, um wieder an die Wasseroberfläche zu gelangen.  Im "... und mehr" kannst du noch mehr dazu erfahren.
Weil nun das Glas offen ist, kannst du den Wirbel auch von oben betrachten und feststellen, dass es spannende Geräusche gibt, wenn der Wirbel dreht. 

• Schneide ein 1.5 cm langes Stück Silikonschlauch zu.
• Halbiere es der Länge nach. Es entstehen zwei gleiche Teile.

• Stecke ein Silikonstück in die rote Bügelperle.
  Vielleicht musst du dafür das Ende etwas zuschneiden.
  Nun hast du einen "Taucher" gebaut. 
  
  

• Lege deinen Taucher und das halbe Silikonstück ins Wasser.
• Was beobachtest du?

• Erzeuge einen Wirbel und beobachte die beiden Teile. Was kannst du erkennen?

Mögliche Erkenntnisse:
Das Silikonstück sinkt zu Boden.  Es ist schwerer als Wasser. Die Bügelperle allein schwimmt. Zusammen mit dem  Silikonschlauch sinkt sie zu Boden. 
Wenn das Wasser gewirbelt wird,  werden auch diese Teile zur Seite gedrückt und ein wenig nach oben gestossen.
Manchmal haften Luftblasen an den Teilen, die sie nach oben tragen. Dies ist ähnlich wie beim Taucher, bei dem die Luft in der Schwimmweste für Auftrieb sorgt. 

Schweben im Salzwasser

Im Salzwasser fällt das Schwimmen leichter...

Mit Salz kannst du das Wasser so verändern, dass dein Taucher gerade noch schwimmt.

Es ist wichtig für diesen Versuch, dass der Taucher keine Lufblasen mit sich trägt. 

• Klopfe mit dem Rundstab an deinen Taucher, damit, die Blasen entweichen.  

• Nimm einen Kaffeelöffel voll Salz.
• Mit dem Rundstab streifts du über den den Rand des Löffels und schiebst das überstehende Salz weg.
  Nun hast du einen "gestrichenen" Löffel voll Salz.

• Schütte den gestrichene Löffel Salz ins Wasser.
• Beobachte, was mit dem Salz passiert.
• Verwirble das Wasser und beobachte weiter.

Wiederhole folgenden Arbeitsablauf, bis dein Taucher aufsteigt: 

• Schütte einen gestrichene Löffel Salz ins Wasser.
• Verwirble das Wasser, bis sich das Salz ganz aufgelöst hat. 
• Beobachte, ob der Taucher aufsteigt?

• Bewege den schwebenden Taucher mit wenigen Drehungen des Magneten. 
• Du kannst mit ihm spannende Kunststücke vollführen.

Mögliche Erkenntnisse:
Im Leitungswasser sinkt der Taucher zu Boden, weil es schwerer als Wasser ist und das Wasser verdrängen kann.
Wenn im Wasser viel Salz aufgelöst wird, erhöht sich die Dichte des Wassers, das heißt: Salziges Wasser ist schwerer. Nun ist der Taucher leichter als Wasser und wird nach oben getrieben.
Diesen Auftrieb kannst du auch beobachten, wenn du dich im Meerwasser treiben lässt. Im Salzwasser bleibst du viel leichter an der Wasseroberfläche als in Süßwasser.

Elektrische Leitfähigkeit von Wasser

• Stelle das Glas mit dem Salzwasser auf den Tisch.
• Nimm ein zweites Glas mit frischem Leitungswasser.
• Was denkst du: Leitet Salzwasser und Leitungswasser den elektrischen Strom?

• Stecke jeweils die zwei Prüfspitzen ins Glas und prüfe, ob Strom durchfliesst und sich der Motor dreht, wenn du das Antriebsrad deines Kurbel-Generators drehst.
• Achtung: Die Prüfspitzen dürfen sich im Wasser nicht berühren.

Mögliche Erkenntnisse:
Im Salzwasser ist die Leitfähigkeit sehr gut.
Mit den Prüfspitzen der Energiewandel-Station ist im sauberen Leitungswasser keine elektrische Leitfähigkeit festzustellen.
Achtung: Das gilt nur für den schwachen Strom, den das Kurbelkraftwerk liefert. Schaue dazu das nächste Bild an!

Elektrische Leitfähigkeit von Wasser

Das kennst du: 

Du darfst niemals mit elektrisch betriebenen Apparaten am und im Wasser spielen!
Das ist lebensgefährlich.

Trennen des Gemisches

Bevor du den Inhalt deines Glases wegleeren kannst, musst du es wieder in seine Bestandteile aufteilen.

Das kannst du ähnlich machen, wie wenn man Filterkaffee angiessen: Der Filter hält die Festoffe (hier den gemahlenen Kaffee) zurück und die Flüssigkeit rinnt durch das Filterpapier.

 Filtern

• Baue dir einen Filter, indem du ein Stück Haushaltspapier über eine Glas legst und es mit einem Gummiband fixierst.
• Die Feststoffe bleiben im Papier.
• Wiederhole den Vorgang mit neuem Papier, wenn das Wasser noch nicht genügend klar ist. 
• Nun darf man das Wasser der Kanalisation übergeben.

Kannst du auch das Salz aus dem Wasser holen?

In den bolivianischen Anden wird, wie an vielen Orten auf der Welt, aus Meerwasser Salz gewonnen.

• Du kannst selber ausprobieren, wie das gemacht wird. 

Verdunsten lassen

• Lege ein paar Tropfen Salzwasser in ein flaches Gefäss und lasse es über Nacht stehen.
• Was erwartest du?
• Was kannst du am anderen Tag erkennen?
  
  

Mögliche Erkenntnisse:
Obwohl wir das Salz im Wasser nicht mehr gesehen haben, war es am anderen Tag sichtbar als weisses Pulver.
Das Wasser hat sich verflüchtigt und zurück bleibt das Salz. Es hat kleine Kristalle gebildet.