Projekt
Zur Titelseite:
|
Vor unserem Haus schmilzt auf einigen Pflastersteinen der Schnee schneller als auf anderen. Die Behauptung eines Bekannten: "Die Pflastersteine sind wärmer als die anderen, weil sie radioaktiv sind", konnte ich durch Messungen mit einem Geigerzähler widerlegen.
Durch mehrere Experimente fand ich heraus, daß der Schnee auf diesen Steinen deshalb schneller schmilzt, weil sie die Erdwärme besser aus dem Boden nach außen leiten können als die anderen Pflastersteine. Das Wärmespeichervermögen der Steine spielt hierbei keine entscheidende Rolle.
Abb. 1: Kennzeichnung der Pflastersteine auf denen der Schnee schneller schmilzt.
Mir ist aufgefallen, daß vor unserem Haus auf manchen Pflastersteinen im Winter der Schnee schneller schmilzt als auf anderen Pflastersteinen (Abb. 1). Josef Mütter, ein guter Freund von meinen Vater sagte zu mir: "Die Pflastersteine sind wärmer, weil sie radioaktiv sind!" Mein Vater sagte zu ihm: "Das glaube ich nicht." Seit diesem Tag wollte ich genau wissen, wer von beiden Recht hatte. Radioaktive Pflastersteine schaden der Gesundheit. Dies ist für Erwachsene vielleicht nicht so interessant. Aber für Kinder, die beim Spielen auf dem Boden sitzen oder liegen, ist es schon sehr wichtig. Deshalb bat ich meinen Vater mir einen Geigerzähler zu kaufen, damit ich die Pflastersteine mal richtig untersuchen konnte.
Als ich meinen Geigerzähler (Abb. 2) bekommen hatte, mußte ich zuerst die Gebrauchsanweisung lesen, um zu erfahren wie man ihn bedient. Außerdem las ich mir in einen Physikbuch [1] das Kapitel Kernphysik durch. Hier erfuhr ich, daß eine Messung alleine kein sicheres Ergebnis ergibt. Man muß also mehrere Messungen machen und dann den Mittelwert errechnen.
Abb. 2: Der von mir verwendete Geigerzähler (γ-Monitor)
Da ich nicht die ganzen Pflastersteine vor unserem Haus messen wollte, suchte ich mir einen besonders interessanten Bereich aus, in dem drei vermutlich radioaktiven Steine dicht zusammen lagen (Abb. 3 und Abb. 4).
Abb. 3: Ein besonders interessanter Bereich. Auf den vermutlich
radioaktiven Steinen ist der Schnee geschmolzen.
Abb. 4: Das Untersuchungsgebiet im Frühling
Die Steine, auf denen der Schnee schneller schmolz, habe ich zuerst mit Filzstift gekennzeichnet (Abb. 1). Da die Filzstiftkreuzchen schnell verschwanden, habe ich später kleine Löcher in die Steine gebohrt.
Eine erste Probemessung habe ich auf unserem Rasen gemacht. Aus 10 Messungen erhielt ich den Mittelwert von 0,13 µSv/h. Danach habe ich jeden Stein der Reihe 1 10mal gemessen. Jede Messung dauerte 2 min 58 s. Die Meßwerte habe ich in eine Tabelle (Abb. 5) eingetragen und dann denn Mittelwert berechnet.
| A 1 | B 1 | C 1 | D 1 | E 1 | |
| 1 | 0,16 | 0,14 | 0,16 | 0,13 | 0,14 |
| 2 | 0,12 | 0,18 | 0,09 | 0,14 | 0,18 |
| 3 | 0,19 | 0,11 | 0,21 | 0,13 | 0,16 |
| 4 | 0,09 | 0,15 | 0,18 | 0,14 | 0,13 |
| 5 | 0,18 | 0,14 | 0,17 | 0,14 | 0,08 |
| 6 | 0,12 | 0,16 | 0,10 | 0,14 | 0,16 |
| 7 | 0,24 | 0,14 | 0,17 | 0,13 | 0,10 |
| 8 | 0,16 | 0,10 | 0,12 | 0,15 | 0,22 |
| 9 | 0,13 | 0,13 | 0,13 | 0,14 | 0,16 |
| 10 | 0,19 | 0,10 | 0,18 | 0,14 | 0,12 |
| Mittelwert | 0,158 | 0,135 | 0,151 | 0,138 | 0,145 |
| gerundet | 0,16 | 0,14 | 0,15 | 0,14 | 0,15 |
Abb. 5: Meßwerte von der ersten Pflastersteinreihe in µSv/h
Um einen besseren Überblick zu erhalten, habe ich die Mittelwerte der Reihe 1 in eine Skizze eingetragen (Abb. 6).
Abb. 6: Auf den rot gekennzeichneten Pflastersteinen schmilzt der Schnee schneller.
Die auf die Pflastersteine der Reihe 1 geschriebenen Meßwerte haben die Maßeinheit µSv/h.
Der Vergleichswert vom Rasen beträgt 0,13 µSv/h.
Vergleicht man die Meßwerte der Reihe 1 miteinander, so sieht man, daß alle Steine ungefähr den gleichen Wert haben. Damit hab ich also bewiesen, das die Pflastersteine auf denen der Schnee schneller schmilzt, nicht radioaktiver sind als die anderen Pflastersteine. Außerdem unterscheiden sich die Pflastersteinwerte kaum von dem Wert (0,13 µSv/h) den ich auf dem Rasen gemessen habe.
Über mein Versuchsergebnis habe ich mich sehr gefreut, denn nun konnte ich wieder ohne Angst auf den Pflastersteinen spielen. Doch eine Frage ging mir nicht mehr aus dem Kopf: Wenn die Pflastersteine nicht unterschiedlich radioaktiv sind, warum schmilzt dann trotzdem der Schnee auf manchen schneller?
Nach tagelangem Überlegen, hatte ich immer noch keine Idee, warum der Schnee auf manchen Pflastersteinen schneller schmolz. Da kam mir der Zufall zur Hilfe. Ich wollte ein bißchen Lesen. Als ich mein Buch aus dem Regal holte, fiel mir der Atlas heraus. Als ich ihn aufhob, war gerade die Seite der Erde aufgeschlagen. Da sah ich, daß die Erde einen dicken Kern hat, einen sehr dicken Mantel und nur eine ganz dünne Kruste (ca. 6-70 km dick). Da dachte ich, vielleicht leiten die Pflastersteine auf denen der Schnee schneller schmilzt die Wärme aus dem Erdinnern besser nach außen als die anderen.
Außerdem entdeckte ich, daß draußen auf allen Pflastersteinen der Schnee schon geschmolzen war, auf dem Holz in unserem Garten aber noch liegen blieb (Abb. 7).
Abb. 7: Auf dem Holz im Hintergrund liegt noch der Schnee, auf den Pflastersteinen ist er aber schon geschmolzen.
Als ich mir ein Stück Holz aus der Nähe ansah, sah ich viele kleine Luftporen. Da dachte ich, daß das Holz wegen der vielen kleinen Luftporen die Wärme nicht so gut leiten kann.
Um zu untersuchen, ob die Steine, auf denen der Schnee schneller schmilzt die Wärme besser leiten als die anderen Steine, mußte ich zwei Pflastersteine aus meinen Versuchsraum ausgraben. Ich entschied mich für die Steine B1 und C1 (siehe Abb. 3, Abb. 4 und Abb. 6). Das Ausgraben war eine sehr anstrengende Arbeit. Nachdem ich mich ausgeruht hatte, überlegte ich mir, wie ich den Versuch durchführen wollte.
Zuerst wollte ich die Steine auf die heiße Herdplatte stellen und messen, wie schnell die Temperatur auf ihrer Oberfläche zunimmt. Da wir aber ein Ceran-Kochfeld haben, war meine Mutter sehr dagegen. Also nahm ich unsere Warmhalteplatte.
Leider hatten die Steine keinen glatten Boden, so daß sie schief auf der Warmhalteplatte standen und diese auch nur an einigen Stellen berührten. Dies ist für einen Versuch zur Messung der Wärmeleitung nicht gut.
Nachdem ich einige Zeit überlegt hatte, klebte ich kleine Steroporfüße unter die Steine, so daß sie gerade standen (Abb. 8). Dann stellte ich einen Topf mit Wasser auf die Warmhalteplatte und wartete solange, bis die Temperatur des Wassers nicht mehr stieg. Die Wassertemperatur maß ich mit dem Einkochthermometer von meiner Oma. Nun konnte der Versuch beginnen.
Zuerst stellte ich den Stein B1 in den Topf. Er guckte genau 10 cm aus dem Wasser heraus. Auf seine Oberfläche legte ich den Außenfühler von meinem digitalen Thermometer (Abb. 8). Über den Außenfühler stellte ich einen mit Steropor gefüllten Kochtopf aus der Puppenküche von meiner Schwester, denn das Thermometer sollte ja nicht die Lufttemperatur, sondern die Temperatur vom Stein messen. Alle zwei Minuten schrieb ich nun die Temperatur von der Steinoberfläche auf. Auch notierte ich mir die Wassertemperatur und die Lufttemperatur in unserer Küche. Die Wassertemperatur schwankte zwischen 55 und 59 °C. Die Lufttemperatur betrug 20,8 °C. Für jeden Stein dauerte die Messung genau zwei Stunden.
Abb. 8: Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Pflastersteines
Meine Meßwerte habe ich in Abbildung 9 darstellt. Man sieht deutlich, daß die Temperatur auf der Oberfläche der Grauwacke (Stein B1) viel schneller ansteigt als die Temperatur auf der Oberfläche des Basaltsteins (Stein C1). In der ersten Stunde steigt die Temperatur auf der Grauwacke um 19,3 °C. Die Temperatur auf dem Basalt aber nur um 7,8 °C.
Abb. 9: Temperatur auf der Oberfläche der Pflastersteine
Damit war gezeigt, daß meine Vermutung (Kapitel 4.1) richtig war:
Der Schnee schmilzt deshalb schneller auf dem Pflasterstein B1, weil dieser die Wärme besser aus dem Boden nach außen leitet als der Pflasterstein C1.
Mein Vater meinte jedoch, daß mein Versuch nicht fair sei. Die beiden Pflastersteine hätten zwar ungefähr die gleiche Höhe, aber der Basaltstein C1 sei doch viel breiter als die Grauwacke B1 (siehe Abb. 4). Wir einigten uns darauf, den Versuch mit zwei gleich großen Steinen zu wiederholen. Mit meiner Mutter bin ich dann zum Steinmetz Herrn Strunk gefahren. Von Herrn Strunk weiß ich auch, daß mein Pflasterstein B1 aus Grauwacke gemacht worden ist. Herr Strunk gab mir einen Basaltquader und da er keine Grauwacke hatte, schnitt er mir von meinem Stein B1 ein gleich großes Stück ab. Nun hatte ich zwei gleich große Steine und ich konnte meinen Versuch unter fairen Bedingungen wiederholen.
Da die Steine glatt geschnitten waren, konnte ich sie nun direkt auf die Warmehalteplatte stellen. Außerdem waren die beiden Steine jetzt nicht mehr so hoch. Deshalb brauchte ich auch keine zwei Stunden lang zu messen. Meine Meßergebnisse habe ich in Abbildung 10 dargestellt. Auch in dieser Zeichnung sieht man, daß die Temperatur auf der Oberfläche der Grauwacke viel schneller ansteigt als auf dem Basaltstein. Also wurde auch durch diesen zweiten Versuch meine Vermutung bestätigt.
Abb. 10: Temperatur auf der Oberfläche der gleich großen Steinquader
Vergleicht man die Oberflächen der beiden Steinblöcke miteinander, so sieht man deutlich: Der Basaltstein hat viele Luftporen, die Grauwacke aber nicht. Es scheint also ähnlich wie beim Holz zu sein. Durch die vielen kleinen Luftporen kann der Basaltstein die Wärme nicht so gut leiten.
Über mein Versuchsergebnis habe ich mich sehr gefreut. Jedenfalls bis ein Lehrerkollege von meinem Vater mir sagte, daß ich mit meinen Versuchen noch gar nichts bewiesen hätte. Denn es könnte doch auch sein, daß die Grauwacke die Wärme der Vortage besser speichern könnte als der Basaltstein und dann würde auf der Grauwacke der Schnee natürlich schneller schmelzen als auf dem Basalt. Wie sollte ich beweisen, daß meine Vermutung von Kapitel 4 richtig ist und nicht die Vermutung des Lehrers?
Ich beschloß, meine beiden gleich großen Steine auf die gleiche Temperatur zu erhitzen und sie dann in einen Topf mit kaltem Wasser zu legen. Wer das kalte Wasser am stärksten erwärmen konnte, der mußte das größte Wärmespeichervermögen besitzen.
Mein Vater gab mir den Tip, daß nicht das gleiche Volumen, sondern die gleiche Masse bei diesem Versuch von Bedeutung sei. Also legte ich die Steine auf die Waage. Die Grauwacke hatte eine Masse von 2120g. Der Basaltstein wog aber nur 1860g. Um den Unterschied von 260g auszugleichen, suchte ich mir auf unserem Pflastersteinhaufen einige Basaltsteinbruchstücke.
In jeden Topf schüttete ich 1,5 Liter Wasser. Es hatte in beiden Töpfen bei Versuchsbeginn eine Temperatur von 8 °C. Beide Steine und die Basaltbruchstücke kochte ich ca. 1 Stunde lang in einem großen Topf mit Wasser. Dann bat ich meine Eltern, mir die kochend heißen Steine in das kalte Wasser zu legen. Ich selber durfte es nicht tun, weil es meinen Eltern zu gefährlich war. Die Lufttemperatur in unserer Küche betrug 21,1 °C. Mit zwei Thermometern maß ich die Wassertemperatur in beiden Töpfen gleichzeitig.
Meine Meßwerte trug ich in Diagramm 11 ein. Man sieht, daß die Grauwacke das Wasser schneller erwärmt als der Basalt, weil sie ja die Wärme besser leiten kann. Doch nach 12 Minuten war die Wassertemperatur in beiden Töpfen gleich. Nach 20 Minuten brach ich dann den Versuch ab, denn die Wassertemperaturen blieben gleich. Damit hatte ich bewiesen, daß die Grauwacke das Wasser nicht stärker erwärmen kann als der Basaltstein. Also kann die Grauwacke auch nicht mehr Wärme speichern als der Basaltstein. Über dieses Versuchsergebnis habe ich mich sehr gefreut, denn nun wußte ich es besser als der Lehrer. Somit ist also bewiesen:
Der Schnee schmilzt auf den Pflastersteinen schneller, die die Wärme besser aus dem Erdboden leiten. Das Wärmespeichervermögen spielt nicht die entscheidende Rolle, denn es ist bei beiden Steinen gleich.
Abb. 11: Die Wassertemperaturen der beiden Töpfe im Vergleich
In meiner Arbeit habe ich gezeigt, daß ich keine Angst beim Spielen auf den Pflastersteinen vor unserem Haus haben muß. Sie sind nicht radioaktiver als unser Rasen. Das der Schnee auf manchen Steinen schneller schmilzt als auf anderen, liegt an ihrem besseren Wärmeleitvermögen. Das Wärmespeichervermögen ist nicht der Grund hierfür.
In dem Jahr, in dem ich diese Arbeit gemacht habe, habe ich nicht nur etwas Physik gelernt, sondern auch viel über das Computerprogramm "Winword 6.0". Ich habe gelernt, wie man schreibt, zeichnet, Tabellen anfertigt und Bilder einfügt. Auch Bilder einscannen ist für mich kein Problem mehr. "Jugend forscht" hat also nicht nur Spaß gemacht, sondern man lernt auch eine Menge nebenher.
Bedanken möchte ich mich bei meinen Eltern, denn sie haben mir meine Fragen immer geduldig beantwortet. Auch bei meiner Schwester möchte ich mich bedanken, denn sie hat mich bei meinen Messungen mit Chips und Limo versorgt und mir geholfen die Pflastersteine zu kennzeichnen.
[1] Stiegler, Leonhard (Hrsg.) Natur und Technik - Physik
Cornelsen-Velhagen & Klasing Verlagsgesellschaft
Bielefeld 1980