Nano- & Microfluidics:

Lab in the Box:
"Den Geheimnissen der Flüssigkeiten auf der Spur"

Detailiertere Informationen
Die Experimentierkiste trägt den Namen: "Den Geheimnissen der Flüssigkeiten auf der Spur". Gegenwärtig besteht die Experimentierkiste aus 11 einzelnen spannenden Experimenten mit Flüssigkeiten. Zu jedem Versuch werden alle benötigten Materialien für die Durchführung mitgeliefert. Weiterhin gehört zu jedem Versuch eine ausführliche Anleitung, die den Versuchsaufbau und die Durchführung beschreibt, das beobachtete Phänomen erklärt und mit vielen Beispielen aus der Natur und dem Alltag in Verbindung bringt, und zwischendurch immer wieder mit anregenden Fragen und Impulsen zum Weiterdenken animiert. Die Versuchsanleitungen sind in einem für Schülerinnen und Schüler ansprechenden Layout eingebettet, und mit zahlreichen Abbildungen versehen. Nachfolgend finden Sie die Auflistung der in der Kiste enthaltenen Versuche. Die Versuche sind in die drei Themenbereiche Oberflächenspannung, Viskosität und Instabilitäten von bzw. in Flüssigkeiten gegliedert:

1. Versuche zur Viskosität von Flüssigkeiten
   • "Die fallende Kugel": Versuch zur Viskositätsmessung mit der Kugelfallmethode
   • "Die Gummiflüssigkeit": Versuch mit einer viskoelastischen Flüssigkeit (Silly-Putty)
   • "Treibsand in Miniatur": Versuch zu nicht-newtonschen Flüssigkeiten - hier: eine Stärke-Suspension in Wasser (Oobleck) als scherverdickende Flüssigkeit
2. Versuche zu Oberflächenspannung & Benetzungseigenschaften
   • "Wasserspiele": Mehrere kleinere qualitative Versuche zur Oberflächenspannung
   • "Kapillarität": Versuch zur Bestimmung der Oberflächenspannung über die kapillare Steighöhe
   • "Lamellen-Methode": Versuch zur Bestimmung der Oberflächenspannung mit der Du Noüy Ring-Methode
   • "Lotuspflanze": Versuch zur Bestimmung des Kontaktwinkels von Wassertropfen auf hydrophoben Oberflächen
   • "Minimalflächen": Versuch zu Minimalflächen aus Seifenhäuten
   • "Welt der Blasen": Versuch zu zwei- und dreidimensionalem Seifenschaum
3. Versuche zu Instabilitäten in Flüssigkeiten
   • "Wolken in der Pfanne": Versuch zur Bénard-Konvektion in einer dünnen Kakaoschicht
   • "Flüssige Finger": Versuch zum Phänomen des "viscous fingering" (viskoses Verästeln) in einer radialen Helle-Shaw-Zelle

Die Zielgruppe der Versuche sind Schülerinnen und Schüler in der Mittelstufe weiterführender Schulen, ab der Klassenstufe 8. Dies entspricht einem Alter von ungefähr 14-16 Jahren. In der Kiste sind Experimente mit unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden und mit unterschiedlichem Zeitaufwand enthalten, so dass möglichst alle Schülerinnen und Schüler Versuche finden, die ihrem Kenntnisstand und ihrer Motivation entsprechen. Die meisten Experimente sind dabei so konzipiert, dass kaum oder nur wenige physikalische Vorkenntnisse für das Verständnis nötig sind. Einige Versuche sind jedoch auch anspruchsvoller und sind vor allem für motiviertere Schülerinnen und Schüler geeignet; dies betrifft zum Beispiel die Versuche zu Instabilitäten und die quantitativen Versuche zur Messung der Oberflächenspannung bzw. der Viskosität. Gegebenenfalls sind für diese Versuche ein bis zwei Jahre Physikunterricht empfehlenswert. Die Experimentierkiste reicht aus, um 9 Teams von jeweils 2-3 Schülerinnen und Schüler einige Stunden lang zu beschäftigen. Dies ergibt eine Gesamtgruppengröße von 18-27 Schülerinnen und Schüler. Die Versuchsanleitungen sind dabei so konzipiert, dass die Schülerinnen und Schüler die Experimente völlig selbstständig durchführen können. Für die Aufsicht der Schülerinnen und Schüler genügen also ein bis zwei Betreuerinnen oder Betreuer. Die für die Durchführung eines Experimentes benötigte Zeit erstreckt sich von knapp 15 Minuten bis zu über einer Stunde. Dabei sollten die Schülerinnen und Schüler in Teams von zwei bis drei Leuten arbeiten. Ein Versuchsnachmittag könnte wie folgt aussehen:

• Zum Beginn wählt jedes der Schülerteams anhand der Anleitungen einen Versuch aus und sucht sich die entsprechenden Materialen aus der Kiste zusammen.
• Dabei bleiben als Reserve zwei Versuche in der Kiste zurück
• Jedes Team fängt parallel an, sein Versuch mit Hilfe der Anleitung selbstständig durchzuführen.
• Wenn das erste Team sein Versuch komplett durchgeführt hat, und beendet hat, räumt es alle Materialien zurück in die Kiste.
• Anschließend sucht es sich im Ordner mit den übrig gebliebenen Versuchsanleitungen das nächste Experiment aus, das es gerne durchführen möchte.

Auf diese dem Rotationsprinzip folgende Art und Weise ist gewährleistet, dass kein Schülerteam unnötige Wartezeiten zu überbrücken hat, und stets beschäftigt ist. Somit können die Schülerinnen und Schüler selbst über ihr Arbeitstempo bestimmen und entscheiden wie viele Versuche sie insgesamt durchführen möchten.