STEM-Kursmaterialliste: Schwerpunkt Metall
Hintergrund
Praktische Experimente sind in der MINT-Bildung unerlässlich, insbesondere in der Physik, wo abstrakte Ideen wie Kraft, Leitfähigkeit und thermische Eigenschaften konkret sind. Um effektiv etwas über Mechanik, Elektromagnetismus und Optik zu lernen, ist es von unschätzbarem Wert, echte Materialien zu haben, die diese Themen repräsentieren. Eine Gruppe von Materialien mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sind Metallproben wie Kupfer-, Aluminium- und Titanlegierungen. Sie können verwendet werden, um Unterschiede in der Dichte, Festigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu demonstrieren und die Theorie mit der Praxis zu verknüpfen.
Überblick über das Thema
Da in diesem Fall die Physik den MINT-Unterricht dominiert, sollten die Schüler über gute Informationen über Materialeigenschaften verfügen. Anhand von Metallproben können die Schüler:
-Vergleicheder Dichtenanstellen, um vorherzusagen, wie sich die Materialien unter Gewichts- und Volumenbedingungen verhalten werden.
-Tests zur mechanischen Festigkeitdurchführenund Spannung und Dehnung in Metallen untersuchen.
-Experimentezur elektrischen Leitfähigkeit durchführen und herausfinden, warum Kupferdrähte in der Elektronik verwendet werden.
-Testen Siedie Wärmeleitfähigkeit und erfahren Sie, warum Aluminium in Kühlkörpern verwendet wird.
Durch die Verknüpfung dieser Eigenschaften mit alltäglichen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Bauwesen können die Schüler die Relevanz grundlegender physikalischer Prinzipien erkennen.
Erforderliche Materialien
Werkstoff |
Typische Form |
Zweck |
Kupfer (Cu) |
Kleiner fester Block |
Demonstriert hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit |
Kleiner massiver Block |
Leichtgewicht, mäßige Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit |
|
Titan-Legierung (Ti-6Al-4V) |
Kleiner massiver Block |
Veranschaulicht hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, mäßige Leitfähigkeit |
Digitale Skala |
- |
Messen der Masse für Dichteberechnungen |
Lineal / Messschieber |
- |
Messen von Volumen oder Abmessungen |
Multimeter |
- |
Messung der elektrischen Leitfähigkeit |
Thermosonde / Infrarot-Thermometer |
- |
Messung von Wärmeübertragung und Wärmeleitfähigkeit |
Gewichte / Federeinstellung |
- |
Prüfung der mechanischen Festigkeit und Elastizität |
Optional: Klemmen, Isoliermatten und Schutzhandschuhe für die Handhabung von Metallproben während der Experimente. Für fortschrittlichere Materialien besuchen Sie bitte Stanford Advanced Materials (SAM).
Schritt-für-Schritt-Anleitung
1.die Dichtemessung
Um die Dichte von Metallproben zu bestimmen und mit theoretischen Werten zu vergleichen, benötigen Sie eine Digitalwaage, einen Messschieber oder ein Lineal, einen Messzylinder (zur Quantifizierung der Wasserverdrängung) und Ihre Metallproben (Aluminium, Kupfer und Ti-6Al-4V). Die Dichte ist das Verhältnis von Masse zu Volumen.
Schritt 1: Messung der Masse
Schalten Sie die Digitalwaage ein und stellen Sie sie auf Null.
Lege jede Metallprobe auf die Waage und bestimme ihre Masse ((m)) in Gramm (g).
Führen Sie die Messung zweimal durch, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Schritt 2: Volumenmessung
Für Proben mit regelmäßiger Form (Würfel, Zylinder):
-ErfassenSie die Maße (Länge, Breite, Höhe oder Durchmesser) mit einem Messschieber oder einem Lineal.
-Wenden Siedie entsprechende geometrische Formelan, um das Volumen (V) zu bestimmen.
Für Proben mit unregelmäßiger Form
-FüllenSie eine bekannte Menge Wasser in einen Messzylinder.
-Tauchedie Probe vollständigeinund lese die Volumenänderung ab.
-DieDifferenz ist das Volumen der Probe in Kubikzentimetern (cm³).
Schritt 3: Bestimme die Dichte
Verwende die Formel:
ρ= m/V
wobei ρ die Dichte in g/cm³, m die Masse in Gramm und V das Volumen in cm³ ist.
Berechne für jede Metallprobe.
Schritt 4: Vergleich mit theoretischen Werten
Vergleiche deine gemessenen Dichten mit den typischen Werten:
-Kupfer: ~8,96 g/cm³
-Aluminium: ~2,70 g/cm³
-Titanlegierung (Ti-6Al-4V): ~4,43 g/cm³
Erläutern Sie etwaige Diskrepanzen und mögliche Fehlerquellen (Messgenauigkeit, Luftblasen usw.).
2. die Demonstration der mechanischen Festigkeit
Um mechanische Festigkeit und Elastizität zu untersuchen, verwenden Sie ein einfaches Hebel- oder Federsystem, Massen und ein Lineal oder eine Messuhr, um Verformungswerte zu messen. Dieses Experiment zeigt, wie Materialien auf zusätzliche Belastung reagieren.
Schritt 1: Aufbau der Ausrüstung
Konstruieren Sie ein einfaches Hebelsystem oder verwenden Sie einen Balken, der an beiden Enden abgestützt ist.
Platzieren Sie die Metallprobe in dem Bereich, in dem die Kraft aufgebracht werden soll, und befestigen Sie sie fest.
Schritt 2: Allmähliche Erhöhung der Kraft
Erhöhen Sie allmählich das Gewicht oder üben Sie Druck auf den mittleren Punkt des Balkens aus.
Beobachten und protokollieren Sie, wenn eine offensichtliche Biegung oder Verformung auftritt.
Schritt 3: Daten aufzeichnen
Messen Sie die Kraft (F) und die entsprechende Durchbiegung (ΔL) bei jedem Schritt.
Wiederholen Sie den Test an jeder Metallprobe.
Schritt 4: Beobachten Sie die Ergebnisse
Kommentieren Sie das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung und vergleichen Sie die Steifigkeit mit dem Elastizitätsmodul (E):
-Kupfer: ~110-130 GPa
-Aluminium: ~69 GPa
-Ti-6Al-4V: ~110 GPa
Erläutern Sie, warum sich manche Werkstoffe leichter verbiegen und andere einer Verformung widerstehen.
Weitere Lektüre: Die 10 stärksten der Menschheit bekannten Materialien
3. Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit
Um eine elektrische Leitfähigkeitsprüfung und einen Probenvergleich durchzuführen, benötigen Sie eine Gleichstromversorgung, Multimeter, Krokodilklemmen und Ihre Metallproben. Die Leitfähigkeit wird aus der gemessenen Spannung, dem Strom und der Probengeometrie abgeleitet.
Schritt 1: Schließen Sie den Stromkreis an
-Bauen Sie eine Reihenschaltungauf: Schließen Sie die Stromversorgung, die Metallprobe und das Multimeter in einer Schleife an.
-Um den Strom (I) zu messen, muss das Multimeter in Reihe geschaltet werden.
-Um Spannung (V) zu messen, legen Sie die Messfühler parallel zueinander über die Probe.
Wenn nur ein einziges Multimeter zur Verfügung steht, messen Sie Spannung und Strom in getrennten Messungen.
Schritt 2: Messen Sie Strom und Spannung
-Stellen Sie das Multimeter auf den richtigen Modus ein (Gleichspannung oder Strom).
-Messen Sie den Strom durch den Stromkreis und den Spannungsabfall an der Probe.
Schritt 3: Berechnen Sie die Leitfähigkeit
1. Berechnen Sie den Widerstand mit dem Ohmschen Gesetz:
R = V/I
2. Benutze die Formel für die Leitfähigkeit:
σ = L/(R*A)
wobei (L) = Probenlänge, (A) = Querschnittsfläche, (R) = Widerstand.
Schritt 4: Vergleich der Ergebnisse
Erwartete Leitfähigkeiten:
-Kupfer: ~5,96 × 10⁷ S/m (sehr hoch)
-Aluminium: ~3,5 × 10⁷ S/m
-Ti-6Al-4V: ~1,8 × 10⁶ S/m (viel niedriger)
Erläutern Sie, warum die Leitfähigkeit variiert - anhand der atomaren Struktur und der Elektronenbeweglichkeit.
4. Beobachtung der Wärmeleitfähigkeit
Dieses Experiment demonstriert die Geschwindigkeit, mit der Wärme in verschiedenen Metallen übertragen wird. Sie benötigen eine Wärmequelle (z. B. eine Heizplatte), ein Thermometer oder eine Wärmesonde und Metallstäbe der gleichen Größe.
Schritt 1: Bereite die Proben vor
Legen Sie Kupfer-, Aluminium- und Ti-6Al-4V-Proben von etwa gleicher Größe auf eine hitzebeständige Fläche.
Bringen Sie die Temperaturfühler entlang der Proben an.
Schritt 2: Wärmezufuhr
Erhitzen Sie ein Ende jeder Probe langsam, während Sie die anderen auf Raumtemperatur halten.
Sorgen Sie für eine gleichmäßige Heizdauer und -intensität.
Schritt 3: Messung der Temperaturverteilung
Messen Sie die Temperaturen entlang der Stäbe in gleichen Zeitabständen (z. B. 10 Sekunden).
Beachten Sie, wie schnell sich das hintere Ende jeder Probe erwärmt.
Schritt 4: Vergleiche und analysiere
Erkläre die Wärmeleitfähigkeit und die Effizienz der Energieübertragung:
-Kupfer: ~401 W/m-K
-Aluminium: ~237 W/m-K
-Ti-6Al-4V: ~6,7 W/m-K
Erläutern Sie, warum sich Kupfer am schnellsten und Titanlegierungen am langsamsten erwärmen, und zwar im Hinblick auf Gitterschwingungen und Bindungen.
Häufig gestellte Fragen
F: Was macht Metalle so wertvoll für Labor- und Industrieanwendungen?
A: Aufgrund ihrer Festigkeit, Leitfähigkeit und Dichte eignen sie sich für die Verkabelung, für chirurgische Geräte und chemische Reaktoren.
F: Welcher Zusammenhang besteht zwischen der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und der Atomstruktur?
A: Metalle mit freien Elektronen (wie Kupfer und Aluminium) sind Wärme- und Elektrizitätsleiter und weisen Prinzipien der Quanten- und Festkörperphysik auf.
F: Können sich diese Eigenschaften möglicherweise auf die Entwicklung von Arzneimitteln oder chemischen Geräten auswirken?
A: Ja, rostfreier Stahl oder Titan werden aufgrund ihrer thermischen Stabilität, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit routinemäßig in Reaktoren und Rohren verwendet.
Schlussfolgerung
Die Verwendung von Metallproben in physikalischen MINT-Kursen bietet eine berührende, datengesteuerte Lernerfahrung. Die Schüler können wichtige Materialeigenschaften messen, vergleichen und testen, die sich auf technische und industrielle Anwendungen auswirken. In diesen Experimenten sind Konzepte wie Dichte, Festigkeit und Leitfähigkeit nicht länger abstrakt - sie werden greifbar, messbar und konkret. Praktisches Lernen macht das Gelernte solider und anwendungsbereit für die Lösung von Problemen in den Bereichen Technik, Chemie und angewandte Physik.
Zusätzliche Ressourcen
-Stanford Advanced Materials (SAM) - Datenbank für Metalleigenschaften
-Callister, W.D., Werkstoffkunde und -technik: An Introduction, 10. Auflage
-Laborhandbücher für STEM High School und Undergraduate Physics Programme
-Online-Tutorials: Dichte-, Leitfähigkeits- und Wärmeleitfähigkeitsexperimente