Volumenbestimmung – Schülerexperiment

Versuchsaufbau – Volumenbestimmung

Das Volumen – einfach erklärt

Das Wort Volumen stammt vom lateinischen Wort Volumen ab und bedeutet  „Krümmung“, aus volvere  abgeleitet „wälzen, rollen“. Spricht man vom Plural des Wortes, wird  Volumen oder Volumina verwendet. Unter dem Raum- oder Kubikinhalt, verstehen wir den räumlichen Inhalt eines Körpers. In der Physik wird der Platzbedarf eines Körpers als Volumen bezeichnet. Das Formelzeichen für das Volumen ist ein V.  Im Anschluß werden wir das Volumen von regelmäßigen und unregelmäßigen Festkörpern, von Flüssigkeiten und von Gas bestimmen.

Das Volumen von Festkörpern – Schülerexperiment

Volumenbestimmung von regelmäßigen Festkörpern

Bei regelmäßigen Festkörpern (Würfel, Quader, Zylinder, Kugel) bestimmt Ihr  das Volumen über Messungen sowie über die Verwendung von Formeln für das Volumen.

Der Rauminhalt oder eben das Volumen eines Quaders könnt Ihr berechnen, indem Ihr die Länge, die Breite und die Höhe multipliziert. Der Würfel ist ein besonderer Quader,  alle Seiten sind gleich lang.

Ein einfaches Beispiel: Berechne das Volumen eines Quaders mit a = 2 cm, b = 3 cm und c = 4 cm. Die Formel lautet V = a *b*c daraus folgt:

V= 2 cm * 3 cm * 4 cm = 24 c

Unser Quader hat ein Volumen von 24 Kubikzentimeter. Die Maßeinheit Kubikzentimeter könnte Ihr auch aus der Formel ableiten, denn: cm * cm * cm = cm³.

Beim Berechnen des Volumens einer Kugel wird folgende Formel verwendet: V = 3/4 * r³ * Pi (π). Der Radius wird mit r bezeichnet. Ihr wisst sicher, verdoppelt man den Radius erhält man den Durchmesser.  Die Zahl Pi (π) ist eine mathematische Konstante. Sie gibt das Verhältnis vom Umfang zum Durchmesser eines Kreises an. Dieses Verhältnis bleibt konstant, es verändert sich auch nicht, wenn der Kreis größer oder kleiner wird. Die Konstante  hat ungefähr einen Wert von Pi (π)  = 3,14159.

Volumenbestimmung von unregelmäßigen Festkörpern

Hinweis: Ihr werdet es beim Ablesen des Wassers merken. Es scheint so, als wenn zwei Wasseroberfläche existieren, wenn Ihr seitlich ablest. Das Wasser am Glasrand steigt etwas hoch, dass nennt man Anhänglichkeit (lat.: Adhäsion).  Ihr müsst den untersten Punkt der Oberfläche ablesen, das ist der richtige Messwert.

Habt Ihr einen Körper, welcher zu groß für das Eintauchen in den Messzylinder ist, könnte Ihr ein sogenanntes Überlaufgefäß nutzen. Wie sich ein einfaches Überlaufgefäß herstellen lässt, lest hier nach.

Ihr legt den großen Körper in das bis zum Rand gefüllte Überlaufgefäß. Das in dem bereitgestellten Messzylinder abfließende Wasser entspricht dem Volumen des unregelmäßigen Körpers – er verdrängt diese Menge an Wasser. Je geringer der Querschnitt des Messzylinders ist, um so genauere Ergebnisse könnt Ihr Ablesen.

Denkt kurz einmal darüber nach: Warum?

Volumenbestimmung von Flüssigkeiten – Schülerexperiment

Ein einfach zu gebrauchendes Volumenmessgerät ist ein Messzylinder. Häufig muss beim Schülerexperiment das Volumen einer Flüssigkeit sehr exakt bestimmt werden.

Die Genauigkeit der Messung ist vom korrekten Ablesen an der Skala des Messzylinders abhängig. Beachtet die folgenden Regeln:

  • Der Messzylinder darf nicht schief oder wacklig stehen, ein fester, ebener Untergrund (z.B. Tisch) ist wichtig.
  • Beim Ablesen kann es Euch so vor kommen, als ob die Flüssigkeit sich wölbt. Sollte sich die Flüssigkeit im Messzylinder nach oben (konvex) oder nach unten (konkav) wölben, wählt immer den niedrigsten Punkt, um den Wert auf der Skala abzulesen.

Die Exaktheit der Messung hängt von weiteren Parametern ab

Der Temperatur

Beim Schülerexperiment wird der Lehrer vorab eine Temperatur der Flüssigkeit definieren. Flüssigkeiten dehnen sich bei Wärme aus. Volumenmessgeräte sind in der Regel bei 20°C geeicht. Diese Temperatur ist auf dem Messzylinder angegeben. Um exakte und vergleichbare Werte beim Schülerexperiment zu erhalten, müsste theoretisch jede Messung bei 20°C ausgeführt werden. In der Schulpraxis werden die Messungen bei Zimmertemperatur (20-23°C) durchgeführt. Die Messabweichung  sind bei diesen Temperaturen marginal (gering). Der ermittelte Volumenwerte wird eine geringe Abweichung (<0,01%) haben.

Der Gerätewand

Achtet darauf, dass an der Gerätewand des Messzylinders nach dem Füllen keine Flüssigkeitstropfen mehr haften. Die Tropfen fließen mit der Zeit von der Wand nach unten ab. Der Flüssigkeitsspiegel steigt.

Dem Gerätequerschnitt

Je kleiner der Querschnitt des Messzylinders ist, desto kleiner kann die Einteilung an der Skala sein.  Und um so genauer ist die Volumenangabe. Erinnert Ihr Euch? Oben fragten wir, warum ein kleiner Querschnitt des Messzylinders die Exaktheit der Volumenbestimmung erhöht – das ist die Antwort.

Volumenbestimmung von Flüssigkeiten – andere Messinstrumente

Die üblichen Bechergläser besitzen eine geringe Messgenauigkeit, da der  Querschnitt relativ groß ist.

Eine exakte, höhere Genauigkeit des Messergebnisses liefert eine Messpipette. Der Querschnitt einer Pipette ist klein. Messpipetten werden oft im Labor benutzt. Sie dienen der Entnahme eines definierten Volumens. Denken wir an die „geliebten“ Spritzen beim Arzt. Das Prinzip ist ähnlich, durch die Skala an der Spritze wird das Volumen des Serums bestimmt, welches uns gespritzt wird. Ein zweites Verfahren zur exakten Abmessung des Volumens, sind mit dem Serum gefüllte Ampullen, welche mittels der Spritze „aufgezogen“ werden.

Volumenbestimmung von Gasen

Da Gas flüchtig ist, lässt sich das Volumen nicht ohne weiteres bestimmen. Es gibt einen einfachen Trick, das Gas mit einer  pneumatischen Wanne einzufangen.

Das „pneumatisches Auffangen“ klingt Euch zu wissenschaftlich? Tatsächlich ist das Prinzip der pneumatischen Wanne recht einfach.  „Pneuma“ wird im Griechischen mit „Atem“ oder mit „Wind“ übersetzt. Es geht also um das Auffangen von Gasen.

Ihr müsst keine großen Wissenschaftler sein, um das Volumen von Gas mit der pneumatischen Wanne zu bestimmen. Neben Wasser wird eine pneumatische Wanne sowie ein Schlauch benötigt. Bei dieser Wanne handelt es sich um einen mit Wasser gefüllten Behälter, in dem der Versuch durchgeführt wird. Als pneumatische Wanne könnt Ihr ein großes Becherglas nutzen.

So fangt Ihr Gase auf, um das Volumen zu messen

Zuerst stülpt Ihr ein mit Wasser gefüllten Messzylinder umgekehrt in einen ausreichend großen Becher. Anschließend schiebt Ihr von unten einen Schlauch ein. Nun atmet Ihr in den Schlauch. Im Messzylinder wird das Wasser von Eurem Atem heraus gedrückt. Lest Ihr nun ab, um wieviel das Wasser durch Euren Atem verdrängt wurde, habt Ihr das Volumen Eures Atemzugs beim Ausatmen bestimmt.

Wie Ihr seht, ist die Bestimmung des Gasvolumens mit einer pneumatischen Wanne keine hochwissenschaftliche Kunst.