beispielsweise so vorgehen, dass Ihre Schülerinnen den Versuch in Kleingruppen erst selbst durchführen und die Erklärung des Experiments anschließend im Plenum mit Unterstützung durch die Messsensoren erarbeitet wird. Für den einfachen Versuch ohne Messsensoren benötigen Sie eine pneumatische Wanne, einen Standzylinder mit 400 ml Volumen, ein Teelicht, ein Feuerzeug, Wasser und eventuell Lebensmittelfarbe und

ein Glasstab zum Verrühren der Farbe. Die Lebensmittelfarbe macht die Beobachtung besser sichtbar. Die pneumatische Wanne wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Anschließend wird etwas Lebensmittelfarbe hinzugegeben und mit dem Glasstab umgerührt.

Nun wird das Teelicht entzündet und vorsichtig auf die Wasseroberfläche gesetzt. Anschließend wird der Standzylinder über das Teelicht gestülpt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Standzylinder ins Wasser eintaucht, aber nicht auf dem Boden der pneumatischen Wanne abgestellt wird. Es muss die Möglichkeit gegeben sein, dass Gase unten aus dem Standzylinder entweichen können. Alternativ könnte man

auch Geldstücke oder kleine Metallblöcke in die pneumatische Wanne legen, auf denen der Standzylinder von den Schülerinnen abgestellt werden kann. Es kann nun beobachtet werden, wie unten aus dem Standzylinder Gasblasen entweichen. Das Teelicht erlischt nach kurzer Zeit und anschließend steigt Wasser in dem Standzylinder nach oben, wodurch

die Kerze ein Stück nach oben transportiert wird. Daher kommt der Name des Experiments der Kerzenfahrstuhl. Dieses Experiment wird oft fälschlicherweise damit erklärt, dass durch den Verbrennungsvorgang des Teelichts der Sauerstoff, der sich in der Luft in dem Standzylinder befindet, verbraucht wird. Dadurch, dass der Sauerstoff

verbraucht wird, wird Platz im Standzylinder frei, welcher anschließend durch das einströmende Wasser gefüllt wird. Diese Erklärung ist jedoch nicht richtig. Da Gase aber für Schülerinnen ein schwer greifbares Phänomen sind, kann hier mit digitalen Messsensoren sinnvoll der Erkenntnisprozess unterstützt werden.

Für das Demonstrationsexperiment mit digitalen Messsensoren benötigen Sie ebenfalls eine pneumatische Wanne mit Wasser- und Lebensmittelfarbe. Außerdem benötigen Sie drei Teelichter, doppelseitiges Klebeband, einen großen Standzylinder mit einem Volumen von 2500 ml, ein Tablet und digitale Messsensoren zur Messung des Sauerstoffgehaltes, des Kohlenstoffdioxidgehaltes, der Temperatur und des Drucks.

In diesem Video werden Sensoren von Venier verwendet. Sensoren anderer Hersteller sind ebenso geeignet. Wichtig ist jedoch, dass diese kabellos sind und über Bluetooth mit dem Tablet verbunden werden können. Der Standzylinder muss deutlich größer sein, als der im Schülerversuch

verwendete, damit die Messsensoren für Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und die Temperatur hineinpassen. Der Drucksensor ist von seinen Ausmaßen her so groß, dass dieser in einem gesonderten Experiment eingesetzt wird, welches wir am Ende dieses Videos zeigen. Durch das größere Volumen des Standzylinders werden auch nicht nur eines, sondern mehrere Teelichter benötigt.

Diese werden mit Hilfe von doppelseitigem Klebeband aneinandergeklebt. Außerdem werden die digitalen Messsensoren mit doppelseitigem Klebeband in den Standzylinder geklebt. Dabei ist darauf zu achten, dass die jeweilige Elektrode bzw. der Sensor zur Öffnung des Standzylinders zeigt.

Außerdem ist es am einfachsten, die Sensoren bereits anzuschalten, bevor sie festgeklebt werden. Nun werden die drei Messsensoren mit dem Tablet via Bluetooth verbunden. Dafür wird die App GraphiQL geöffnet, auf Sensor-Messwerterfassung geklickt. Die verfügbaren Sensoren erscheinen dort dank der Näherungskopplung automatisch.

Es wird auf Verbinden geklickt und schon erscheint die Oberfläche, auf der Sie die Messung starten können. Unten rechts werden Ihnen die drei Messsensoren mit den aktuell gemessenen Werten angezeigt. Hier ist nun bei CO2 noch PPM als Einheit angegeben. Zur besseren Vergleichbarkeit sollen beide Messsensoren jedoch die Messwerte in Prozent angeben.

Dazu tippen Sie unten rechts auf den CO2-Sensor und können dort die Einheit entsprechend anpassen. Um die Messwerte für Ihre SchülerInnen sichtbar zu machen, können Sie das Tablet mit einem Beamer, Apple TV oder ähnlichem verbinden. Dann können die Messdaten mitverfolgt werden. Es werden nun die drei T-Lichter entzündet und auf die Wasseroberfläche gesetzt.

Nun wird in der App GraphiQL oben in der Mitte auf Erfassen gedrückt und die Messung gestartet. Anschließend wird der Standzylinder über die brennende Kerze gestülpt. Auch hier lässt sich beobachten, wie unten aus dem Standzylinder Gasblasen entweichen und die drei T-Lichter nach kurzer Zeit erlöschen.

Anschließend kann das Ansteigen des Wasserpegels im Standzylinder beobachtet werden. Ist das Experiment beendet, wird der Standzylinder aus dem Wasser genommen. Wichtig ist, dass Sie den Standzylinder nun nicht mit dem Boden auf den Tisch stellen, sondern weiterhin die Öffnung des Standzylinders nach unten halten.

Andernfalls kann Wasser an den Standzylinder und zu den Messsensoren laufen. Es hat sich bewährt, den Standzylinder mit der Öffnung nach unten aus dem Wasser zu nehmen und die Wassertropfen am unteren Rand direkt mit einem Tuch abzutrocknen. Anschließend kann der Zylinder dann auch mit dem Boden auf den Tisch gestellt werden. Was zeigen uns die Messsensoren? Durch die Messsensoren wird gezeigt, dass der Sauerstoffgehalt von anfangs ca. 20% auf 16% abfällt.

Jedoch gleichzeitig ein neues Gas, nämlich CO2, gebildet wird. Bei diesem steigt der Gehalt von anfänglich weniger als 0,1% auf ca. 2,4% an. Die Erklärung, dass Sauerstoff vollständig verbraucht wird und der frei werdende Platz anschließend mit Wasser gefüllt wird, kann also nicht stimmen.

Ein häufig vorherrschendes Präkonzept ist, dass Kerzen erlöschen, wenn Sauerstoff vollständig verbraucht ist. In Wahrheit erlöschen Kerzen jedoch schon bei einem Sauerstoffgehalt in der Luft von 16-17%. Dieses Präkonzept kann an dieser Stelle zusätzlich aufgegriffen werden.

Zudem wird deutlich, dass das Wasser erst dann in den Standzylinder steigt, wenn die maximale Temperatur erreicht wurde und diese wieder zu sinken beginnt. Das Experiment ist also folgendermaßen zu erklären. Am Teelicht findet eine Verbrennungsreaktion statt, bei der das Wachs mit dem Luftsauerstoff zu CO2- und gasförmigen Wasser reagiert.

Die Reaktion ist exotherm. Das heißt, es wird wärmefrei, welche die Luft bzw. das Gasgemisch im Standzylinder erwärmt. Durch diese Erwärmung vergrößert sich das Volumen des Gasgemisches. Dadurch entweichen unten aus dem Standzylinder Gasblasen.

Erlöschen nun die Teelichter, kühlt das Gasgemisch im Standzylinder ab. Die Teilchenbewegung nimmt ab und das Volumen verringert sich wieder. Da aber während des Experiments Gas aus dem Standzylinder in Form von Gasblasen entwichen ist, befindet sich nun nach dem Experiment weniger von dem Gasgemisch in dem Standzylinder.

Dadurch entsteht im Standzylinder ein geringerer Druck, als er außen herrscht. Hinzu kommt, dass das entstehende CO2 sehr gut im Wasser löslich ist und diesen Effekt noch verstärkt. Zum Druckausgleich wird Wasser in den Standzylinder hineingedrückt. Um dies für Schülerinnen sichtbar zu machen, wird der Versuch noch einmal wiederholt.

Statt der Sensoren für Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und die Temperatur wird ein Drucksensor verwendet. Um eine neue Messung zu starten, klicken Sie oben links auf das Icon, das aussieht wie eine Seite und wähle Neuer Versuch. Nun wählen Sie wieder Sensor Messwetterfassung aus. In diesem Fall ist das Tablet noch mit einem Temperatursensor verbunden.

Sie tippen nun unten rechts in der Ecke auf das Sensorsymbol. Es öffnet sich das Fenster zum Verbinden und Trennen von Sensoren. Wählen Sie dann Verbindung beenden für den Sensor, den Sie nicht mehr benötigen und verbinden Sie anschließend den Drucksensor mit dem Tablet. Unten rechts stellen Sie als Einheit Millibar ein.

Oben rechts können Sie auf das viereckige Symbol gehen und dort auswählen, ob Ihnen nur der Graph oder auch eine entsprechende Messwerttabelle angezeigt werden soll. Wir wählen in diesem Fall den Graphen und auch die Datentabelle aus und starten die Messung, sobald die brennenden Teelichter auf der Wasseroberfläche platziert sind und der Standzylinder hinübergestülpt werden kann.

Die gemessene Kurve erscheint nun im Diagramm sehr klein. Durch Klicken auf die Lupe unten links kann die Ansicht vergrößert werden. In dem herangesunken Diagramm kann nun gut abgelesen werden, wie der Druck in dem Standzylinder zeitweise absinkt und sich mit der Zeit wieder der Ausgangssituation annähert.

Durch Antippen der Kurve können Sie sich die exakten Messwerte zu einem bestimmten Zeitpunkt auch im Diagramm anzeigen lassen. Durch den Einsatz des Drucksensors kann für die Schülerinnen also sichtbar gemacht werden, dass der Druck im Inneren des Standzylinders tatsächlich kurzzeitig absackt und anschließend mit Einströmen des Wassers wieder ansteigt.

Wir wünschen Ihnen nun viel Freude dabei, mit Hilfe der Messsensoren für Ihre Schülerinnen Unsichtbares sichtbar zu machen und dieses tolle Experiment nachzumachen.