Schmelzen und Erstarren

Klasse 7 lernt Schmelzen und Erstarren am besten durch eigenes Handeln, weil der Phasenübergang unsichtbare Vorgänge sichtbar macht. Durch aktives Messen und Modellieren erkennen Schülerinnen und Schüler, dass Temperaturplateaus nicht Fehler sind, sondern physikalische Realität.

• Klasse 7
• Physik: Die Welt der Wechselwirkungen und Energie
• 4 Aktivitäten
• 20 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie mithilfe des Teilchenmodells, wie die Anordnung und Bewegung von Teilchen den Phasenübergang von fest zu flüssig beeinflusst.
2. Berechnen Sie die zur Schmelze oder Erstarrung einer gegebenen Masse eines Stoffes bei konstantem Druck benötigte oder freiwerdende Wärmeenergie unter Verwendung der spezifischen Schmelzwärme.
3. Vergleichen Sie die Schmelzpunkte verschiedener Stoffe und ordnen Sie diese nach ihrer spezifischen Schmelzwärme.
4. Analysieren Sie die Bedeutung der Schmelzwärme für technische Prozesse wie das Kühlen oder die Materialverarbeitung.

Lernen an Stationen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Lernen an Stationen: Phasenübergänge

Richten Sie vier Stationen ein: Schmelzen von Eis (Temperatur messen), Erstarren von Wachs (Abkühlkurve zeichnen), Salzeffekt auf Schmelzpunkt (Eis mit Salz mischen), Schmelzwärme berechnen (Eis in warmem Wasser). Gruppen rotieren alle 10 Minuten und protokollieren Daten.

Vorbereitung & Details

Wie erklärt das Teilchenmodell den Übergang von fest zu flüssig?

Moderationstipp: Stellen Sie beim Stationenlernen sicher, dass jede Station eine klare Aufgabe und Messprotokollvorlage hat.

Setup: Im Raum verteilte Tische/Stationen

Materials: Stationskarten mit Arbeitsanweisungen, Unterschiedliche Materialien je Station, Timer für die Rotation

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Forschungskreis

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Partnerarbeit: Temperaturkurven

Paare erwärmen Eiswasser mit Brenner, messen kontinuierlich die Temperatur und zeichnen die Kurve. Sie diskutieren Plateaus und vergleichen mit Vorhersagen. Abschließend teilen sie Ergebnisse im Plenum.

Vorbereitung & Details

Warum bleibt die Temperatur beim Schmelzen von Eis konstant, obwohl Energie zugeführt wird?

Moderationstipp: Partnerarbeit bei Temperaturkurven gelingt am besten, wenn beide Schüler nacheinander ablesen und ihre Werte vergleichen müssen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Forschungskreis

⏱ 50 Min.·Kleingruppen

Gruppenexperiment: Schmelzwärmebestimmung

Gruppen wiegen Eisstücke, erwärmen Wasser auf 20 °C, geben Eis hinzu und messen Temperatur-/Massenänderungen. Sie berechnen die Schmelzwärme mit Formel und vergleichen Werte.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die Bedeutung der Schmelzwärme für technische Prozesse.

Moderationstipp: Beim Schmelzwärmebestimmungsexperiment weise man Schüler darauf hin, dass Waagen und Thermometer gleichzeitig abgelesen werden müssen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Forschungskreis

⏱ 20 Min.·Ganze Klasse

Klassenexperiment: Teilchenmodell

Die ganze Klasse modelliert Teilchen mit Kugeln: Fest (fest packen), Schmelzen (lockern bei 'Energiezufluss'), Flüssig (bewegen). Beobachten Sie Übergänge und diskutieren Energie.

Vorbereitung & Details

Wie erklärt das Teilchenmodell den Übergang von fest zu flüssig?

Moderationstipp: Im Klassenexperiment zum Teilchenmodell achten Sie darauf, dass alle Gruppen ihre Modelle präsentieren und diskutieren.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Dieses Thema unterrichten

Erfahrene Lehrkräfte beginnen mit einfachen Alltagsbeispielen wie Eiswürfeln und steigern dann zu technisch relevanten Stoffen wie Paraffin. Sie vermeiden abstrakte Erklärungen vor dem Experiment, weil Schülerinnen und Schüler sonst das Phänomen nicht mit dem Modell verknüpfen. Wichtig ist, dass sie selbst die Plateaus in den Diagrammen entdecken und erklären müssen.

Was Sie erwartet

Schülerinnen und Schüler zeichnen verlässlich Temperaturkurven, beschreiben Schmelzpunkte und erklären die Energieumwandlung im Teilchenmodell. Sie nutzen Fachsprache korrekt und begründen ihre Beobachtungen mit Messdaten.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

During Stationenlernen: Phasenübergänge, watch for Schüler, die die Temperaturkurve nach dem Schmelzpunkt nicht als Plateau einzeichnen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Schüler auf, die Kurve gemeinsam zu diskutieren und die Messwerte in der Schmelzphase zu vergleichen. Die konstanten Werte müssen im Protokoll markiert werden.

Häufige Fehlvorstellung

During Gruppenexperiment: Schmelzwärmebestimmung, watch for Schüler, die annehmen, die Teilchen würden beim Schmelzen größer.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Gruppe ihre Kugelmodelle präsentieren und fragen Sie gezielt: Wo sind die Lücken zwischen den Kugeln größer geworden? Das zeigt die veränderte Anordnung, nicht die Größe.

Häufige Fehlvorstellung

During Partnerarbeit: Temperaturkurven, watch for Schüler, die behaupten, beim Erstarren entstehe neue Energie.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Partner auf, ihre Abkühlungskurve zu beschreiben und die Energieabgabe mit dem Teilchenmodell zu erklären. Fragen Sie: Wo bleibt die Energie, wenn nicht im System?

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

After Stationenlernen: Phasenübergänge erhalten die Schüler ein Arbeitsblatt mit einer Temperaturkurve von Eis. Sie markieren den Schmelzpunkt und erklären in einem Satz, warum die Temperatur in der Schmelzphase konstant bleibt.

Kurze Überprüfung

During Partnerarbeit: Temperaturkurven sammeln Sie die kurzen Antworten auf die Frage: 'Warum bleibt die Temperatur eines schmelzenden Eiswürfels konstant?' und bewerten, ob das Teilchenmodell oder die Schmelzwärme korrekt genannt werden.

Diskussionsfrage

After Klassenexperiment: Teilchenmodell leiten Sie eine Diskussion mit der Frage: 'Welche zwei Faktoren beschleunigen das Gefrieren von Wasser, und warum?' Schüler begründen ihre Antworten mit Erstarrungswärme und Temperaturgefälle.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Gruppen auf, die Schmelzwärme von Eis und Wasser zu vergleichen und mögliche Fehlerquellen zu diskutieren.
• Für Schüler mit Schwierigkeiten bereiten Sie vorberechnete Temperaturkurven vor, bei denen sie nur Lücken füllen müssen.
• Vertiefen Sie mit einer Rechercheaufgabe: Wie nutzen Techniker Schmelzwärme in Wärmespeichern?

Schlüsselvokabular

Phasenübergang	Der Prozess, bei dem ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht, z. B. von fest zu flüssig (Schmelzen) oder von flüssig zu fest (Erstarren).
Teilchenmodell	Ein Modell, das Materie als aus kleinsten Teilchen bestehend beschreibt, deren Anordnung und Bewegung die Eigenschaften des Stoffes bestimmen.
Schmelzpunkt	Die Temperatur, bei der ein Stoff unter konstantem Druck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.
Spezifische Schmelzwärme	Die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 Kilogramm eines Stoffes bei konstantem Druck vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen, ohne dass sich die Temperatur ändert.
Erstarrungswärme	Die Energiemenge, die frei wird, wenn 1 Kilogramm eines Stoffes bei konstantem Druck vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Sie ist betragsmäßig gleich der spezifischen Schmelzwärme.