|
Die
Kerze
Material
Kerze mit möglichst dickem Docht, Streichhölzer,
Dochtmaterial, Wachsplätzchen, Löffel, Glasröhrchen (12cm,
d=8mm), Objektträger, Aluminium-Drahtnetz 4x12cm, Lupe, evt. Brenner. |
Didaktische Bemerkungen
Die "Kerze" ist ein klassisches
didaktisches Lehrstück [1], [2]
und ermöglicht ein hohes Maß an sokratisch-genetischem
Lernen im Sinne von Martin Wagenschein.
Das Lehrstück kann mit Grundschülern, aber auch mit Schülern
der Sekundarstufe durchgeführt werden. Dabei sind die 10
Kriterien zur Initiation eines Experiments besonders genau zu beachten.
Außerdem darf die Zahl der teilnehmenden Personen nicht zu hoch sein
(max. 15). Als Sitzordnung eignen sich Tische, die zu einem Kreis oder
einem Rechteck angeordnet sind, so dass jeder jedem gegenüber sitzt.
Der Raum ist leicht abgedunkelt. Die Fotos stellen keinen Ersatz für
die reale Beobachtung dar, sie zeigen jedoch Details und können die
Beobachtungsgabe schärfen. Betrachten Sie die Fotos in hoher Auflösung,
in dem Sie mit der Maus auf die Bilder klicken!
"Die Kerze" wird auch
gerne im Zusammenhang mit dem Thema Feuer oder Luft behandelt. Es eignen
sich dazu Feuergedichte
oder Luftgedichte
zum Vorlesen.
Initiation
"Wir wollen nun zusammen
eine Experimentierrunde erleben und dabei auch miteinander diskutieren.
Dabei äußert ihr Vermutungen und Erklärungsversuche. Es
gelten folgende Gesprächsregeln:
-
Höre anderen zu und
melde dich zu Wort, wenn du etwas sagen möchtest!
-
Gehe auf das Gesagte von
anderen ein!
-
Versuche, Vermutungen zu
begründen!
-
Schlage Experimente vor,
die diese Vermutungen beweisen!
Bei Experimentvorschlägen
wird das Experiment im Anschluss von allen durchgeführt und das Ergebnis
überprüft. Ihr erhaltet nun eine Reihe von Arbeitsaufträgen,
die unter bestimmten Fragestellungen bearbeitet werden sollen. Die gesamte
Experimentierreihe wird schriftlich dokumentiert."
Aufgabe 1
Zeichne eine Kerzenflamme!
Bevor die Schüler
eine Kerzenflamme zeichnen, werden sie auf mögliche Merkmale, auf
die sie besonders achten (z.B. Helligkeitszonen), hingewiesen. Dabei halten
sie die Kerze auch waagerecht und beobachten, ob die Flamme ihre Stellung
verändert. Nachdem die Schüler die Flamme gezeichnet haben, werden
Lösungsvorschläge an die Tafel gezeichnet und diskutiert.
Aufgabe 2
Was brennt an der Kerze? Der Docht oder das Wachs?
Durch das Experimentieren
mit Dochten (ohne Kerze) erkennen die Schüler, dass das Dochtmaterial
ohne Wachs relativ schnell verbrennt und nicht mehr verwertbar ist. Außerdem
entsteht dabei keine richtige Flamme.
Ein Wachsplätzchen
lässt sich nicht mit einem Streichholz anzünden. Auch wenn man
das Plätzchen mit der Kerzenflamme in einem Löffel schmilzt,
brennt es nicht. Vielleicht kommt dabei ein Schüler auf die Idee,
dass das flüssige Wachs im Löffel so lange erhitzt werden muss,
bis Wachsdämpfe entstehen, die mit einem Streichholz angezündet
werden können. Das Wachs im Löffel brennt dann auch ohne das
Heizen mit einer Kerzenflamme weiter, da die Flamme den Löffel so
stark aufheizt, dass die hohe Temperatur zum Verdampfen des Wachses erhalten
bleibt. Hinweis: Diese Flamme darf keinesfalls mit Wasser gelöscht
werden, da dabei eine Stichflamme entsteht! Die Schüler lassen das
Wachs ausbrennen.
Beim "Kerzentrick" springt
die Flamme über die Wachssäule zum Docht und entzündet die
Kerze erneut.
Ein weiteres Experiment
zum Beweis, dass die Wachsdämpfe bei der Kerze brennen, ist als "Kerzentrick"
schon jedem Kind bekannt: Eine Kerze wird ausgeblasen und beobachtet. Dabei
steigt eine dünne, weiße Säule von heißem Wachsdampf
aus dem Docht nach oben. Entflammt man die Wachssäule weiter oben
mit einem Streichholz "springt" die Flamme nach unten und entzündet
wieder die Kerze.
In diesem Zusammenhang
kann auch der Begriff der Aggregatzustände erarbeitet werden. Alle
Übergänge können experimentell nachvollzogen werden:
Aufgabe 3
Wo befindet sich der Wachsdampf in der Kerze?
Mit Hilfe des Objektträgers,
des Glasröhrchen und des Drahtnetzes versuchen die Schüler herauszufinden,
in welcher Zone der Kerzenflamme sich der Wachsdampf befindet. Hält
man die Geräte nahe des Dochtes in die Flamme, erhält man einen
weißen, weiter oben schwarzen Rauch:
Alle drei Hilfsmittel
beweisen, dass sich der Wachsdampf in der inneren, dunkleren Zone der Flamme
befindet und der Ruß in der helleren Zone. Ein weiterer Hinweis,
dass es sich bei dem weißen Rauch um Wachsdampf handelt, konnte vorher
schon mit Hilfe des "Kerzentricks" bewiesen werden.
Bild
vergrößern
Hält man das Drahtnetz
in die untere Zone der Flamme, entsteht ein weißer Rauch,
weiter oben erhält
man dagegen schwarzen Rauch.
Aufgabe 4
Warum leuchtet die Kerze? Wer ist dafür verantwortlich?
Der Objektträger
verrußte beim Hineinhalten in den oberen, leuchtenden Teil der Flamme.
Dies führt zur Vermutung, dass der Ruß für das Leuchten
verantwortlich ist. Die Schüler überlegen sich nun ein Experiment,
das diese Vermutung beweist. Dabei sind verschiedene Möglichkeiten
denkbar: Hält man ein verkohltes Streichholz in eine Kerzenflamme,
beginnt es zu leuchten. Zerreibt man die Asche von zwei Streichhölzern
zwischen zwei Objektträgern und streut diese in die nicht leuchtende
Flamme eines Brenners, ist ebenfalls ein kurzes Leuchten sichtbar.
Bild
vergrößern
Ein verkohltes Streichholz
beginnt in der Kerzenflamme zu leuchten.
Aufgabe 5
Hat die Kerzenflamme überall die selbe Temperatur?
Auch hier exisitieren
mehrere Möglichkeiten, auf die die Schüler kommen können:
a) Beim Entzünden
von Streichholzköpfen in den verschiedenen Zonen der Flamme ergibt
sich eine unterschiedliche Entzündungsdauer.
b) Hält man ein
abgebranntes Streichholz kurz in die Flamme, lassen sich über die
Geschwindigkeit und die Art der Verkohlungen an der Streichholzkante Aussagen
über die Temperatur machen.
Wir halten als Ergebnis
fest: Direkt über dem Docht, in der inneren dunkleren Zone herrschen
niedrigere Temperaturen als im oberen oder äußeren Bereich der
Flamme.
Aufgabe 6
Welche Aufgabe besitzt der Docht?
Beim Entzünden einer
Kerze lässt sich am noch kalten Docht (wenn er lange genug ist) mit
einer Lupe beobachten, wie sich das Wachs im Docht verflüssigt. Der
Docht transportiert also flüssiges Wachs von der Kerze in die Flamme.
Aufgabe 7
Die Schüler formulieren, was in der Kerzenflamme genau passiert
Eine "Musterlösung"
existiert nicht, viel entscheidender ist es, dass die Schüler den
Weg der Erkenntnisfindung in eigenen Worten formulieren und in ihrem Heft
ausführlich darstellen. Der erzieherische Moment liegt im Prozess
des Experimentierens, des Diskutierens und des Reflektierens selbst.
Zusammenfassung
Die Kerzenflamme ist
ein sich selbst erhaltendes System, das nicht ohne weiteres durchschaubar
ist: In der inneren, dunkleren und kühleren Zone der Flamme wird flüssiges
Wachs zu Wachsdampf verdampft. Am Übergang zur helleren Zone verbrennt
der Wachsdampf zu Ruß. Der Ruß beginnt in der leuchtenden Zone
zu leuchten, da er durch die Hitze dazu angeregt wird. Durch das Verbrennen
des Wachsdampfes wird neues flüssiges Wachs aus dem Docht nachgezogen.
Die Hitze der Flamme sorgt für das Verflüssigen des Wachses im
Docht. Martin Wagenschein hat es so formuliert [4]:
"Die Kerze selber:
"Wärme steigt auf" (aber warum?). Sie macht die Strömung, aber
sie braucht sie auch, damit immer neue Luft an sie heran kann, denn die
Luft "verbraucht sich" wie in jedem Feuer. - Was für eine zweckmäßig
kleine Maschine eine solche Kerze ist! Einmal entzündet, erhält
sich der Betrieb dieser kleinen Gasfabrik und regelt sich von selbst. Die
Gas-Zunge oben, indem sie verbrennt, gibt Wärme; dieselbe Wärme
schmilzt das Wachs. Im Docht steigt das flüssige Wachs "von selbst"
auf (wirklich, von selbst?), und oben erzeugt die Verbrennungs-Wärme
den Luftstrom, den die Flamme wieder zum Leben braucht. Zwei Aufgaben hat
sie und löst sie zugleich: den Brennstoff schmelzen, verdampfen, bereit
machen, und die Brennluft heranholen. Dazu die dritte, die uns die wichtigste
ist: Sie leuchtet ihr warmes Licht. Sie lockt uns hinein in die Optik."
Ausblick
Eine Frage wurde bis
jetzt nicht beantwortet: Was passiert mit dem Ruß, wenn er zu leuchten
beginnt? In weiteren Experimenten würde sich beweisen lassen, dass
oberhalb der Flamme Kohlenstoffdioxid
als Verbrennungsprodukt des Rußes entsteht. Saugt man die Gase durch
eine Gaswaschflasche mit Kalkwasser,
weist die Trübung dieses Gas nach. Die Demonstrationen zur Oxidation
und zur Massenerhaltung nehmen nochmals Bezug
auf die Kerzenexperimente. Manche Ansätze gehen noch weiter und erarbeiten
anhand der Kerze den natürlichen Kohlenstoff-Kreislauf [3].
Der Ansatz hier beschränkt sich jedoch auf einfaches Verstehen mit
möglichst geringem Geräteaufwand.
Literatur
[1]
Ueli Aeschlimann: Warum leuchtet die Kerzenflamme? Schriften der Schweizerischen
Wagenschein-Gesellschaft, 2001
[2]
M. Faraday: Naturgeschichte einer Kerze, Verlag B. Franzbecker 1979
[3]
Eberhard Theophel: Kerze nach Faraday, In: Berg/Schulze: Lehrkunst - Lehrbuch
der Didaktik, Luchterhand 1995, S. 283 ff
[4]
Martin Wagenschein: Naturphänomene sehen und verstehen,
Klett-Verlag 1980, S. 116
