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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.
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.
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