Qualitative Zusammenhänge erkunden

Zielsetzung:

Die Auftriebskraft für Kinder spürbar machen, Zusammenhang Auftrieb und Wasserverdrängung anbahnen

Plastikwanne oder Eimer mit mindestens 5 l Fassungsvolumen (je nach Größe der gewählten Eintauchgegenstände), möglichst durchsichtig

Verschieden große Gegenstände wie: Luftballons, Bälle, Schüsseln, Töpfe, Schälchen o.ä.

Ggf. abwaschbarer Stift zum Kennzeichnen auf Plastikwanne oder Eimer

Es wird jeweils ein kleiner Ballon, Topf o.ä. und zum Vergleich ein großer Ballon, Topf o.ä. ins Wasser getaucht. Die Aufgabe ist zu spüren, wozu man mehr Kraft braucht.

Varianten:

Sie können eine Vielzahl an Gegenständen für diesen Versuch nutzen, achten Sie jedoch auf passende Eimer bzw. Becken.

Ein Knetestück, Stein oder andere schwere Materialien, die sinken, an eine „Angel“ hängen und das Gewicht erspüren lassen. Je weiter der Körper ins Wasser taucht, desto leichter fühlt er sich an, solange bis er völlig untergetaucht ist.

Ein Knetestück, Stein oder andere schwere Materialien, die sinken, an ein Gummiband hängen. Je tiefer der Gegenstand eintaucht, desto weniger wird das Gummiband gedehnt, solange bis der Gegenstand völlig untergetaucht ist.

Es fällt leichter die jeweils kleineren Gegenstände unter Wasser zu drücken.

Je tiefer ein Gegenstand unter Wasser gedrückt wird, desto mehr Kraft braucht man, um den Gegenstand herunterzudrücken (bzw. desto stärker wird der Gegenstand vom Wasser nach oben getrieben). Dieses kann man gut beim langsamen Unter-Wasser-Drücken spüren.

Für Luftballons und Bälle gilt: Ist der Gegenstand jedoch einmal gänzlich unter Wasser getaucht (und hat er damit die maximal mögliche Wassermenge verdrängt), so muss man sich nicht noch mehr anstrengen, ihn noch weiter unterzutauchen. Töpfe oder Schälchen dürfen nur bis zum Rand unter Wasser getaucht werden (Sind die Gefäße unter Wasser und mit Wasser gefüllt, wird eine viel geringere Wassermenge verdrängt und bei den meisten Gefäßen ist der Auftrieb nicht mehr spürbar).

Beim Vergleichen kann parallel der Wasserstand beobachtet bzw. dokumentiert werden, vgl. hierzu (Link) Auftrieb regelhafter Zusammenhang

Bei dem größeren Gegenstand steigt der Wasserspiegel beim Eintauchen stärker als bei dem kleineren Gegenstand, bis zum völligen Eintauchen, dann steigt er nicht mehr.

Ähnlich bei den schweren Körpern "an der Angel": Je tiefer der Körper ins Wasser taucht, desto leichter fühlt er sich an, bis zu dem Zeitpunkt an dem er gänzlich untergetaucht ist, s.o. Für den Wasserspiegel ist dabei ebenfalls die oben beschriebene Beobachtung möglich.

Welchen Gegenstand drückt das Wasser stärker hoch?

Drückt das Wasser gleich stark, wenn der Gegenstand nur etwas unter Wasser gedrückt wird oder soweit wie möglich (bzw. gänzlich bei Bällen oder Luftballonen)?

Was passiert mit dem Wasserstand?

Für alle Fragen gilt: Während dem Arbeiten ist parallel immer nach den Deutungsmustern der Kinder zu fragen, z.B. „Warum denkst du, …?“ bzw. diese im Arbeitsblatt festhalten lassen.

Was könnte man noch versuchen auszuprobieren, um herauszufinden, wann ein Gegenstand stark nach oben getrieben wird? Von welcher Eigenschaft des Gegenstandes hängt das ab? (Kinder könnten vermuten: Form, Oberfläche, Wasservorrat des Behälters etc.)

Vermutungen anstellen und Fragen formulieren – Aufwerfen erster allgemeiner Fragen, evtl. erster Vermutungen

Betrachten und gezielt beobachten – vergleichende zielgerichtete Beobachtung (kurzer Zeitraum) mit der Möglichkeit ein wesentliches Nebenereignis (Wasserspiegelanstieg) in die Beobachtung mit aufzunehmen, Möglichkeit über die Fokussierung zu reflektieren - Was sind Nebenereignisse?

Beobachtungen, Vermutungen, Erkenntnisse und Empfindungen als solche versprachlichen

Sachverhalte beschreiben und sachgerecht darstellen – Möglichkeit mit Arbeitsblatt Symbole, hilfreiche Sprachmuster o .ä. zum Kennenlernen für SuS vorzugeben oder SuS freie Darstellungswahl zu lassen

Falls Luftballons oder Bälle benutzt werden, sollten Begriffe wie Luft herunterdrücken vermieden werden. Hierdurch würde die Vorstellung, Körper schwimmen, wenn diese Luft enthalten, gestützt werden. Diese Vorstellung erfasst das Phänomen Auftrieb nur in Ansätzen. Auch bei einem Stein wirken Auftriebskräfte (man könnte diesen im Wasser zum Beispiel leichter tragen- bzw. der Auftrieb ist an der „Angel“ zu spüren), hierzu finden Sie unter dem Versuch „Auftrieb Regelhaftigkeit finden“ Möglichkeiten, diesen Auftrieb sichtbar zu machen.

Achten Sie beim Vorbereiten der wassergefüllten Gefäße darauf, dass nach oben noch genügend Platz für den Wasseranstieg ist.

Eimer oder Becken müssen groß genug für die jeweiligen Gegenstände sein, die eingetaucht werden sollen.

Wenn der Ballon (oder Ball) plötzlich losgelassen wird ist, schnellt er aus dem Wasser hoch. Das verursacht womöglich ordentliche Überschwemmungen, es ist zu empfehlen die ersten Erkundungen von den Kindern langsam durchführen zu lassen und den Ballon durchgehend festzuhalten. Beim Hochschnellen kann man jedoch bemerken, dass der Auftrieb nach oben wirkt.

Sollten Bälle oder Luftballons so groß sein, dass sie gerade in den Eimer oder das Becken passen, kann die Frage: „Was ist schwieriger unter Wasser zu drücken – der kleine oder große Ball?“ dazu führen, dass Kinder den kleinen Ball als schwieriger empfinden, da dieser gewissermaßen keine Führung hat. Die Frage sollte daher genauer gestellt werden, z.B.: „Bei welchem Gegenstand braucht man mehr Kraft, um ihn herunter zu drücken?“

(Durchsichtige Eimer können relativ einfach mit einer großen Portion Schaumwaffeln erworben werden.)

Lernvoraussetzung: keine, ggf. Erfahrungen zum Schweredruck des Wassers

Mit dem vorgeschlagenen Material wird der Versuch auf das unterschiedliche Volumen eines Gegenstandes fokussiert. Damit werden die Erfahrungen der Kinder gewissermaßen ergebnisorientiert geleitet. Sie werden so geleitet, die Abhängigkeit des Auftriebs vom verdrängten Wasservolumen, erkennen zu können. Ohne Vorwissen könnten Kinder auch vermuten, dass der Auftrieb von Eigenschaften der Oberfläche (z.B. glatt oder rau), von der Form oder Anderem abhängt. Die Form ist insofern entscheidend, als man Vollkörper und Hohlformen unterscheiden muss. Bei Schiffen wird gerade die Tatsache genutzt, dass die hohle Form mehr Wasser verdrängt und damit einen größeren Auftrieb hat. Weitere Erklärungsmuster der Kinder sollten berücksichtigt werden.

Wasserdruck spüren: Ist die Hand in einer Plastiktüte, so lässt sich (vorausgesetzt, es kommt kein Wasser in die Tüte!) genau spüren, wie der Schweredruck des Wassers die Tüte an die Hand presst.

Schlauch an mit Luftballonhaut verschlossenem Trichter, je tiefer unter Wasser, desto mehr wird Ballonhaut eingedrückt, oder wassergefüllter Luftballon mit Röhrchen und Wassersäule entsprechend Handbuch Schwimmen und Sinken (Möller) S. 23

Weiterführende Versuche – Differenzierungsmöglichkeiten:

Auftrieb quantitativer Zusammenhang

Auftrieb qualitativer Zusammenhang – Archimedisches Prinzip

Versuche zu Schülervorstellungen – Sinkender Gegenstand in kleinem oder großem Gefäß