Kleine physikalische Experimente für Kinder sind eine tolle Möglichkeit, die Naturgesetze unserer Erde spielerisch zu vermitteln. Zu Beginn empfehlen wir den Kindern zunächst kurz das grundlegende Prinzip von Experimenten generell zu vermitteln. Forscher führen Experimente durch, um durch sie ihre Theorien zu beweisen und sich der Lösung zuvor gestellter Fragen versuchsweise zu nähern. Wir motivieren unsere Kinder in die Rolle eines echten Forschers zu schlüpfen und erläutern zunächst immer den Versuchsaufbau und die dahinterstehende Fragestellung. Ein guter Einstieg bei Experimenten für Kinder, ist es, die Kinder vor jedem Experiment überlegen zu lassen, wie das Experiment wohl ausgehen könnte. Im Anschluss erklären wir kindgerecht den physikalischen Zusammenhang des vorgeführten Effektes.

Experiment 1: Warum steigt warme Luft nach oben?

Versuchsmaterialien: Schüssel, Flasche, Luftballon, heißes Wasser

Versuchsdurchführung: Das erste Experiment für Kinder ist überall durchführbar. Fülle eine Schüssel mit heißem Wasser. Stülpe nun den Luftballon über die Öffnung der Flasche und stelle sie anschließend in die Schüssel. Der Luftballon richtet sich wie von Zauberhand auf und füllt sich mit etwas Luft.

Erklärung: Die Luft um uns herum besteht aus vielen kleinen unsichtbaren Teilchen, die ständig in Bewegung sind. Diese Bewegung wird auch „Wärmebewegung“ genannt. Der physikalische Fachbegriff lauter „Brownsche Molekularbewegung“. Je wärmer die Luft ist, desto schneller bewegen sich die Luftteilchen. Bei dieser Bewegung ist so, als würden sie sich ständig voneinander „wegschubsen“, sodass der Abstand zwischen den Teilchen immer größer wird. Durch den größeren Abstand zwischen den Teilchen nimmt die Dichte der Luft ab. Warme Luft ist weniger „dicht“ und damit leichter als kalte Luft und deshalb steigt warme Luft nach oben und füllt wie von Zauberhand den Luftballon.

Anwendungsbeispiel: Heißluftballon

Erweiterung: Ersetze das heiße Wasser durch möglichst kaltes Wasser. Die Luft in der Flasche wird abkühlen, die Luftteilchen sich dadurch weniger bewegen und die Dichte der Luft wird zunehmen. Dadurch wird sie schwerer, sinkt ab und der Luftballon wird in sich zusammensinken. Wenn das Wasser so richtig kalt ist, dann wird er sogar in die Flaschenöffnung hingezogen, da sich die Luft im Inneren so sehr verdichtet.

Experiment 2: Schwerkraft und Windschatten

Versuchsmaterialien: 1x volle Streichholzschachtel (oder anderer viereckiger Gegenstand mit etwas Eigengewicht), 1x Stück Papier, das etwas kleiner ist als die Streichholzschachtel.

Versuchsdurchführung

1. Im ersten Durchgang hält das Kind die Streichholzschachtel in der linken Hand und das Papierstückchen in der rechten Hand und steigt auf einen Stuhl. Beide Hände werden nach vorne gestreckt und auf das Kommando „3,2,1, Los“ lässt es beide Gegenstände gleichzeitig fallen. Die Streichholzschachtel fällt viel schneller und auf direktem Wege auf den Boden. Das Papierstückchen hingegen segelt sanft hinterher und landet erst später auf dem Boden
2. Im zweiten Durchgang wird das Papierstückchen oben auf die Streichholzschachtel gelegt und beides gleichzeitig fallen gelassen. Jetzt kommen beide Gegenstände gleichzeitig auf dem Boden an. Woran liegt das?

Erklärung: Beide Gegenstände fallen auf den Boden aufgrund der „Erdanziehungskraft“, „Schwerkraft“ oder auch „Gravitation“ genannt. Unsere ganz persönliche „Schwerkraft“ können wir auf der Waage sehen. Unsere eigene „Schwerkraft“ ist unser Körpergewicht, mit dem wir auf die Waage drücken, da wir vom Erdkern angezogen werden. Diese Kraft wirkt auf beide Gegenstände im Experiment genau gleich und trotzdem sind sie im ersten Durchgang unterschiedlich schnell.

Der Grund: Das Papierstückchen ist leichter als die Streichholzschachtel und es ist in Relation zu seinem Eigengewicht auf seinem Weg zum Boden einem größeren Luftwiderstand (genauer: Luftreibung) ausgesetzt. Die Luftreibung wirkt wie eine Gegenkraft zur Schwerkraft. Liegt das Papierstückchen jedoch wie im zweiten Durchgang oben auf der Streichholzschachtel auf, dann wird es vor dem Luftwiderstand „geschützt“, es fällt also im „Windschatten“ der Streichholzschachtel.

In einem luftleeren Raum (z.B. einer Vakuumröhre) würden beide Gegenstände übrigens gleichzeitig auf dem Boden ankommen, da die Luftreibung fehlt. Das gilt auch für eine Feder und eine schwere Stahlkugel.

Anwendungsbeispiel Windschatten: Rennradfahrer nutzen ebenfalls den Windschatten desjenigen, der vor ihnen fährt. Da sie so weniger Luftwiderstand in der Vorwärtsbewegung ausgesetzt sind, verbrauchen sie weniger Energie, um die gleiche Geschwindigkeit zu halten.

Experiment 3: Der Flaschengeist (Unterdruck und Volumenänderung)

Versuchsmaterialien: 2-4 kleine Kerzen (z.B. bunte Geburtstagskerzen),1 Schüssel mit flachem Boden,1 feuerfeste Unterlage, auf der die Kerzen mit Wachs befestigt werden können, z.B. Schraubverschluss eines Konservenglases oder ein flaches Metallstück, 1 Glasflasche mit einer Öffnung, die groß genug ist für die Kerzen (Tipp: Konservenglas), Wasser für die Schüssel.

Versuchsdurchführung

1. Befestige die Kerzen auf der feuerfesten Unterlage, indem du etwas Wachs auf den Boden träufelst und die Kerzen dann hineinstellst. Die Kinder können dann etwas Wasser in die Schüssel geben, Füllhöhe etwa 2 cm. Jetzt wird die Unterlage mit den Kerzen wird in die Schüssel ins Wasser gestellt, sodass sie gerade und stabil stehen.
2. Nun werden die Kerzen angezündet und die leere Glasflasche 30-60 Sekunden über die Flammen gehalten. Hierdurch wird die Luft in der Glasflasche erwärmt und steigt auf.
3. Jetzt wird die Flasche über die Kerzen, bis knapp über dem Boden der Schüssel gestülpt.
4. Die Kerzenflammen erlöschen zügig aufgrund des Sauerstoffmangels und nach kurzer Zeit beginnt der Wasserspiegel im Inneren der Flasche von ganz allein zu steigen. Das Wasser wird aus der Schüssel in die Flasche „gesaugt“.

Erklärung

Grund für den Effekt dieses Experimentes sind 2 physikalische Gesetzmäßigkeiten. Sobald die Kerzen in der Flasche erloschen sind, beginnt sich die Luft innerhalb des geschlossenen Innenraumes der Kerze abzukühlen. Hierdurch nimmt die Dichte der Luft zu und „sie zieht sich zusammen“. Die einzelnen Luftteilchen, zwischen denen bei warmer Luft viel Platz ist, rücken jetzt enger zusammen. Durch das „Zusammenziehen“ ändert sich das Luftvolumen und der Luftdruck in der Flasche, während er außerhalb der Flasche gleich bleibt. Deshalb wird das Wasser in die Flasche hinein „gesaugt“. Je größer die Flaschenöffnung, desto geringer fällt der Anstieg des Wasserspiegels aus.

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Vielen Dank und viel Spaß auf euren Reisen,