Materialien zum Unterricht

Die Dichte

In Lumis Messlabor flattert ein Brief mit Siegel herein. Absender: König Klunker. „Mein Goldschmied schwört, meine Krone sei aus purem Gold. Ich traue ihm nicht. Findet es heraus, aber macht meine Krone nicht kaputt!“ Wiegen allein hilft nicht, und das Volumen allein auch nicht. Lumi braucht eine neue Größe, die beides verbindet: die Dichte.

Wie man Masse und Volumen misst, steht auf der Seite Masse und Volumen bestimmen. Hier geht es weiter. Die Sprüche sind albern, die Zahlen nicht: Alle Werte sind echt gerechnet, die Dichten stammen aus der Tabelle unten. Zum Üben auf Papier gibt es ein Arbeitsblatt mit Lösung.

Station 1: Gleich groß, aber verschieden schwer

Lumi hat eine Kiste voller Würfel gefunden: aus Styropor, Holz, Wachs, Aluminium und Eisen, mit 1 cm bis 4 cm Kantenlänge. Leg sie auf die Waage und trag jede Messung ins Diagramm ein. Was fällt dir auf, wenn du Masse durch Volumen teilst?

StoffKanteVolumen VMasse mm : V

Einstellungen

Woraus ist der Würfel?
Wie groß ist der Würfel?

Auftrag: Miss von einem Stoff mehrere Würfel verschiedener Größe. Dann vergleiche gleich große Würfel aus verschiedenen Stoffen. Schau dir jeweils die letzte Spalte der Tabelle an.

Station 2: 1 Liter von allem, 1 Kilogramm von allem

Ein alter Scherz: „Was ist schwerer, ein Kilogramm Federn oder ein Kilogramm Eisen?“ Hier kannst du es ausprobieren. Schalte um zwischen gleichem Volumen und gleicher Masse.

Einstellungen

Vergleich
Welche Stoffe?

Alle Würfel sind maßstabsgetreu gezeichnet. Bei „je 1 Kilogramm“ wird das ganze Bild verkleinert, damit der größte Würfel noch hineinpasst.

Dichtetabelle (bei 20 °C)

Feste Stoffeρ in g/cm³Flüssig und gasförmigρ in g/cm³

Holz, Kork, Styropor und Glas schwanken je nach Sorte. Eis hat 0 °C. 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1 kg/L = 1 t/m³.

Warum haben Stoffe verschiedene Dichten?

Holz: 0,5 g/cm³leichte Teilchen, viel Platz Eisen: 7,9 g/cm³schwere Teilchen, dicht gepackt

Gleich große Würfel enthalten verschieden viele und verschieden schwere Teilchen. Darum stecken in 1 cm³ Eisen 7,9 g, in 1 cm³ Holz nur 0,5 g. (Die Teilchen sind stark vergrößert. In 1 cm³ stecken unvorstellbar viele.)

Station 3: Der Fall Krone – Dichte bestimmen

Jetzt wird ermittelt. Vorgehen wie ein Profi: ① wiegen (Masse m), ② eintauchen (Volumen V mit der Differenzmethode), ③ rechnen (ρ = m : V), ④ in der Dichtetabelle nachschlagen. König Klunker hat noch mehr Verdächtiges in seiner Schatzkammer.

Masse m?
vorher V1?
nachher V2?
Volumen V?

Ermittlung

Welcher Fall?
③ Dichte ausrechnen
g/cm³
④ Welcher Stoff ist es?

Station 4: Schwimmen, schweben, sinken Für Profis

Ob etwas schwimmt, hängt nicht davon ab, wie schwer es ist, sondern von seiner Dichte im Vergleich zur Dichte der Flüssigkeit. Wirf Gegenstände ins Becken, wechsle die Flüssigkeit und steuere Lumis selbst gebaute Tauchkiste. Du kannst die Gegenstände auch mit Maus oder Finger nach unten ziehen und loslassen.

GegenstandρKörperErgebnis

Einstellungen

Flüssigkeit im Becken
Gegenstände (antippen = hinein / heraus)
Lumis Tauchkiste

Lumi pumpt Wasser in die Tanks oder bläst es mit Luft hinaus. So ändert sich die Masse der Kiste, ihr Volumen bleibt gleich.

Die Regel fürs Schwimmen

Vergleich der DichtenDer Körper …
ρKörper < ρFlüssigkeitsteigt auf und schwimmt
ρKörper = ρFlüssigkeitschwebt (bleibt, wo er ist)
ρKörper > ρFlüssigkeitsinkt zu Boden

Ein schwimmender Körper taucht genau so weit ein, dass der Anteil unter der Oberfläche ρKörper : ρFlüssigkeit ist. Holz mit 0,5 g/cm³ steckt in Wasser also zur Hälfte unter Wasser. Eis mit 0,92 g/cm³ zu 92 %: Darum sieht man vom Eisberg nur die Spitze.

Warum schwimmt ein Schiff aus Stahl?

viel Luft im InnerenStahlwand: 7,9 g/cm³

Ein Stahlwürfel geht unter. Ein Schiff ist aber innen hohl. Für das Schwimmen zählt die mittlere Dichte des ganzen Schiffs: Gesamtmasse durch Gesamtvolumen, Luft mitgerechnet. Die ist kleiner als die von Wasser. Läuft das Schiff voll Wasser, steigt die mittlere Dichte, und es sinkt. Genau so steuert Lumi ihre Tauchkiste.

Merke – Die Dichte:
  • Die Dichte ρ (sprich „rho“) gibt an, welche Masse 1 cm³ eines Stoffes hat: ρ = m : V. Einheit: 1 g/cm³ (= 1 kg/dm³ = 1 kg/L).
  • Die Dichte ist eine Stoffeigenschaft. Für einen Stoff ist m : V immer gleich, egal wie groß der Körper ist: doppeltes Volumen, doppelte Masse. Im m-V-Diagramm liegen die Messwerte eines Stoffes auf einer Geraden durch den Ursprung. Je steiler, desto größer die Dichte.
  • Dichte bestimmen: Masse mit der Waage messen, Volumen mit Lineal (Quader) oder Messzylinder messen, dann teilen. Mit der Dichtetabelle kann man herausfinden, aus welchem Stoff ein Körper ist.
  • Umgestellt: m = ρ · V und V = m : ρ. Beispiel: 1 L Wasser hat die Masse 1 kg, weil Wasser die Dichte 1 g/cm³ hat.
  • Für Profis: Ein Körper schwimmt, wenn seine Dichte kleiner ist als die der Flüssigkeit, er schwebt bei gleicher Dichte und sinkt bei größerer Dichte.

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