Thermometer mit buntem Wasser

Was das Kind lernt

• Dass sich Flüssigkeiten beim Erwärmen ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen, und dass sich manche (Alkohol) viel stärker ausdehnen als andere (Wasser).
• Dass ein enges Röhrchen eine winzige Volumenänderung (0,14 ml pro Grad) „verstärkt“, bis sie zu sichtbaren Millimetern wird.
• Wie man ein Messgerät mit zwei Bezugspunkten und einem Dreisatz kalibriert (lineare Skala).
• Dass ein Thermometer Zeit braucht, um „die Temperatur anzunehmen“, und dass es in der Sonne seine eigene Erwärmung misst, nicht die der Luft.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Skala B in 100 % aus und prüfe mit einem Lineal, dass zwischen Marke 0 und Marke 150 genau 150 mm liegen.
• Entferne das Etikett der Flasche (mit lauwarmem Wasser), damit man die Flüssigkeit gut sieht.
• Lass Wasser und Alkohol 1 Stunde im selben Raum stehen, damit sie Zimmertemperatur haben.
• Sind die Kinder klein, durchstich den Deckel schon vor der Einheit.
• Such einen schattigen Platz fern von Heizkörpern, an dem das Thermometer stehen kann.

Materialien und Werkzeuge

• Kleine Plastikflasche mit Schraubdeckel — 1
  330 ml (Wasser oder Limo), glatt und durchsichtig, Standarddeckel 28–30 mm
• Durchsichtiger Strohhalm — 1 (+1 als Ersatz)
  gerade, Außen-Ø 6 mm (innen ≈ 5,5 mm), mindestens 210 mm lang
• Alkohol aus der Hausapotheke — 165 ml
  Ethanol 96 % oder Isopropanol 70 % (aus der Apotheke)
• Leitungswasser — 165 ml + 2 l für das Kalibrierbad
  mit Zimmertemperatur
• Lebensmittelfarbe — 4–5 Tropfen
  rot oder blau, flüssig
• Knete — 1 Kugel Ø 20 mm
  weich, nicht ausgetrocknet
• Papier und Karton für die Skala — 1 A4-Blatt + 1 Kartonstreifen 30 × 170 mm
  Druckerpapier; dünner Karton einer Müslischachtel
• Durchsichtiges Klebeband — 30 cm
  zum Befestigen der Skala am Strohhalm
• Vergleichsthermometer — 1
  irgendeins von zu Hause: Raum-, Küchen- oder digitales Fieberthermometer (Letzteres misst Wasser zwischen 32 und 42 °C)

Werkzeuge

• Vorstecher oder 3-mm-Nagel — das erste Loch in die Mitte des Deckels stechen Erwachsene
• Spitze Schere — das Loch durch Drehen auf 6 mm weiten und die Skala ausschneiden Erwachsene
• Trichter und Messbecher — 165 + 165 ml abmessen und die Flasche füllen
• Pipette oder Spritze ohne Nadel — den Flüssigkeitsstand im Strohhalm einstellen
• Topf oder Schüssel mit 3–5 l — Wasserbad zum Kalibrieren
• Lineal — Höhen am Strohhalm messen
• Klebestift — die Papierskala B auf den Kartonträger A kleben

Teile und Vorlagen

• A · Skalenträger ×1 — dünner Karton (Müslischachtel)
• B · Millimeterskala ×1 — Papier
• C · Zentrierhilfe für das Deckelloch ×1 — Papier
• D · Strohhalm ×1 — durchsichtiger Strohhalm Ø 6 mm

Schritt für Schritt

1. Markiere die Mitte des Deckels

   Schneide die Zentrierhilfe C aus, leg sie auf den Deckel und markiere die Mitte mit einem Filzstift. Prüfe auch, ob der Strohhalm mindestens 210 mm lang ist, und zieh einen Strich 60 mm von einem Ende entfernt.

2. Durchstich den Deckel Erwachsene

   Leg den Deckel auf ein Brett und durchstich ihn an der Markierung mit einem Vorstecher oder 3-mm-Nagel. Steck die Spitze einer Schere hinein und dreh sie, bis das Loch 6 mm misst: Der Strohhalm muss stramm hineinpassen, ohne Spiel.

   Prüfe: Halte den Deckel mit eingestecktem Strohhalm kopfüber: Der Strohhalm darf nicht herausfallen.
   Tipp: Probiere nach jeder halben Umdrehung mit dem Strohhalm: Lieber knapp als zu locker.

3. Steck den Strohhalm durch und dichte ihn ab

   Schieb den Strohhalm von außen durch das Loch bis zum Strich bei 60 mm (dieser Teil steckt dann in der Flasche). Leg einen Knetring von Ø 20 mm um den Strohhalm und drück ihn fest an Deckel und Strohhalm.

   Prüfe: Puste sanft in den Strohhalm und halte dabei das untere Ende mit dem Finger zu: An der Knete darf keine Luft entweichen.

4. Bereite die Flüssigkeit vor Erwachsene

   Mische in einem Messbecher 165 ml Wasser und 165 ml Alkohol aus der Hausapotheke. Gib 4–5 Tropfen Lebensmittelfarbe dazu und rühre um. Die Mischung muss kräftig gefärbt sein, damit man sie im Strohhalm gut sieht.

   Tipp: Mach das an einem gut gelüfteten Ort und weit weg von Feuer: Alkohol ist entzündlich.

5. Fülle die Flasche bis zum Rand

   Fülle die 330-ml-Flasche mit dem Trichter, bis die Flüssigkeit den Rand der Öffnung erreicht. Klopf sanft mit dem Finger an die Flasche, damit die Bläschen aufsteigen, und fülle wieder bis zum Rand auf.

   Prüfe: Von der Seite gesehen muss die Flüssigkeit an der Öffnung eine kleine „Kuppel“ bilden.

6. Schraube den Deckel langsam zu

   Setz den Deckel mit dem Strohhalm auf und schraube ihn über einem Teller ganz langsam zu. Die überschüssige Flüssigkeit steigt im Strohhalm hoch. Zieh den Deckel ganz fest; läuft die Flüssigkeit oben über, hör auf, nimm mit der Pipette etwas heraus und mach weiter.

   Prüfe: Unter dem Deckel darf keine Luftblase bleiben (schau von unten). Wenn doch: aufschrauben, nachfüllen und wiederholen.

7. Stell den Anfangsstand ein

   Stell bei Zimmertemperatur den Flüssigkeitsstand auf etwa 50–60 mm über dem Deckel ein. Steht er höher, sauge oben mit der Pipette Flüssigkeit aus dem Strohhalm; steht er niedriger, gib Tropfen in den Strohhalm.

   Tipp: Bei 50–60 mm hast du mit den 150 mm Strohhalm Spielraum, um von ≈ 10 °C bis ≈ 35 °C zu messen.

8. Bring die Skala an

   Klebe die Skala B mit dem Klebestift auf den Kartonträger A, mit der Unterkante von B (der 0) genau an der Falz von A. Knick die 10-mm-Lasche nach hinten, leg sie hinter dem Strohhalm auf den Deckel und befestige den Streifen mit zwei Stück Klebeband am Strohhalm (oben und auf halber Höhe).

   Prüfe: Die 0 der Skala (die Falz) muss genau auf Höhe der Oberkante des Deckels liegen, ohne Lücke.

9. Erster Kalibrierpunkt: das Zimmer

   Lass das Thermometer 45 Minuten im Schatten neben einem Thermometer von zu Hause stehen, ohne die Flasche zu berühren. Markiere die Höhe der Flüssigkeit mit einem Strich auf der Skala und schreib die Temperatur des Vergleichsthermometers daneben (zum Beispiel 19 °C).

   Tipp: Nimm die Flasche zum Ablesen nicht in die Hand: Die Wärme der Hand und das Drücken lassen die Flüssigkeit steigen. Fass sie am Deckel an.

10. Zweiter Punkt: das warme Bad

    Fülle einen Topf mit Wasser, das 8–10 °C wärmer ist als das Zimmer (etwa 28–30 °C, lauwarm). Stell die Flasche bis zur Schulter hinein, warte 20 Minuten, rühre ab und zu um und miss das Wasser mit dem Vergleichsthermometer. Markiere die neue Höhe und schreib diese Temperatur dazu.

    Prüfe: Die Flüssigkeit muss um etwa 5–7 mm pro Grad Unterschied gestiegen sein. Ist sie weniger als 2 mm pro Grad gestiegen, ist Luft darin oder die Mischung hat zu wenig Alkohol.

11. Verteile die Grad

    Miss mit dem Lineal den Abstand zwischen den beiden Marken und teile ihn durch den Temperaturunterschied: So erhältst du die Millimeter pro Grad (≈ 6). Zieh zwischen den Marken für jedes Grad einen Strich und mach mit demselben Abstand nach oben und unten weiter.

    Tipp: Beispiel: 19 °C bei 54 mm und 28 °C bei 108 mm → 54 mm / 9 °C = 6 mm pro Grad.

12. Prüfe dein Thermometer

    Stell am nächsten Tag dein Thermometer und das Vergleichsthermometer 45 Minuten zusammen an einen anderen Ort in der Wohnung und vergleiche die beiden Werte. Weichen sie um mehr als 2 °C ab, wiederhole die Kalibrierung.

Funktioniert es? Der Test

Stell das kalibrierte Thermometer neben ein Vergleichsthermometer in ein Zimmer, in den Schatten, und lies es einen Vormittag lang alle 30 Minuten ab. Bring es dann an einen kühleren Ort (Flur, Balkon im Schatten) und warte 45 Minuten.

Was passieren soll: Die Werte stimmen mit dem Vergleichsthermometer auf ±1–2 °C überein. Eine Änderung von 3 °C im Zimmer bewegt die Flüssigkeit um etwa 18 mm. Hält man die Flasche 1 Minute in der Hand, steigt die Flüssigkeit um mehrere Millimeter (und sinkt wieder, wenn man loslässt).

Wenn etwas nicht klappt

• Beim Zuschrauben steigt die Flüssigkeit nicht in den Strohhalm — Die Flasche war nicht randvoll oder die Luft entweicht an der Knete. Lösung: Fülle auf, bis sich an der Öffnung eine Kuppel bildet, und drück die Knete wieder fest an Deckel und Strohhalm.
• Der Stand steigt und fällt extrem, wenn man die Flasche berührt — Es ist eine Luftblase darin (Luft dehnt sich 15-mal stärker aus als die Flüssigkeit) oder du drückst die Flasche. Lösung: Aufschrauben, ohne Blasen bis zum Rand nachfüllen und die Flasche ablesen, ohne sie zu berühren.
• Bewegt sich bei Wärme kaum — Nur Wasser (dehnt sich fast genauso aus wie die Flasche) oder sehr dicker Strohhalm. Lösung: Nimm die 1:1-Mischung mit Alkohol und einen Strohhalm mit Ø 6 mm oder dünner.
• Der Stand sinkt über Tage langsam ab — Der Alkohol verdunstet durch die offene Spitze des Strohhalms. Lösung: Verschließe die Strohhalmspitze mit einem Stückchen Frischhaltefolie, in das du mit einer Stecknadel ein Loch stichst (lässt Luft durch, bremst aber die Verdunstung).
• Die Flüssigkeit läuft oben über — Anfangsstand zu hoch oder das Thermometer stand in der Sonne. Lösung: Nimm mit der Pipette 1–2 ml heraus und kalibriere neu. Stell es nicht in die direkte Sonne.
• Die Flüssigkeit verschwindet im Deckel — Es ist kälter als die niedrigste Temperatur der Skala. Lösung: Gib Tropfen in den Strohhalm, um den Stand anzuheben, und kalibriere neu, oder nutze das Thermometer nur drinnen.

Sicherheit

• Alkohol ist entzündlich: Ein Erwachsener mischt ihn, weit weg von Feuer, Kerzen und eingeschalteten Herden. Stell das Thermometer nicht in die Nähe von Heizkörpern und Öfen.
• Alkohol ist giftig, wenn man ihn trinkt: Beschrifte die Flasche mit „NICHT TRINKEN“ und lass sie nicht in Reichweite kleiner Kinder.
• Vorstecher oder Nagel benutzt ein Erwachsener, mit dem Deckel auf einem Brett, nie in der Hand.
• Gieß die Mischung am Ende mit viel Wasser in den Abfluss; verwende sie nicht wieder zum Trinken oder Kochen.
• Benutzt du das Thermometer im Winter draußen: Die Mischung mit Alkohol gefriert erst bei ≈ −20 °C, reines Wasser aber schon – bei 0 °C kann die Flasche platzen.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn etwas warm wird, bewegen sich seine winzigen Teilchen schneller und schubsen sich gegenseitig, darum brauchen sie etwas mehr Platz. Die Flüssigkeit in der Flasche wird beim Erwärmen ein kleines bisschen mehr, aber weil die Flasche voll ist, ist der einzige freie Platz der Strohhalm: Die Flüssigkeit steigt darin hoch. Beim Abkühlen beruhigen sich die Teilchen, brauchen weniger Platz und die Flüssigkeit sinkt. Alkohol ist „zappeliger“ als Wasser, deshalb bewegt sich das Thermometer mit Alkohol stärker.

Für Erwachsene

Steigt die Temperatur, vergrößert die Wärmebewegung den mittleren Abstand zwischen den Molekülen, und die Flüssigkeit dehnt sich nach ΔV = β·V·ΔT aus. Bei 20 °C ist β(Wasser) ≈ 2,1 × 10⁻⁴ °C⁻¹ und β(Ethanol) ≈ 1,1 × 10⁻³ °C⁻¹; eine 1:1-Mischung liegt bei etwa 6–7 × 10⁻⁴ °C⁻¹. Auch das Gefäß dehnt sich aus: PET hat einen Raumausdehnungskoeffizienten von ≈ 2 × 10⁻⁴ °C⁻¹, praktisch gleich wie Wasser – deshalb bewegt sich ein Wasserthermometer in einer Plastikflasche kaum. Mit der Mischung beträgt die scheinbare Ausdehnung ≈ 4 × 10⁻⁴ °C⁻¹; bei 330 ml sind das ≈ 0,14 ml pro Grad, was in einem Strohhalm mit 5,5 mm Innendurchmesser (23,8 mm²) ≈ 6 mm/°C ergibt. Das ist dasselbe Prinzip wie beim Alkoholthermometer: großer Vorratsbehälter + enge Kapillare. Die Skala ist linear, weil sich β zwischen 10 und 35 °C kaum ändert; kalibriert wird an zwei Fixpunkten (bei echten Thermometern 0 °C und 100 °C). Die Zeitkonstante ist wegen der Wärmekapazität von 330 g Flüssigkeit lang (≈ 15 min in Wasser, > 30 min in Luft). Bleibt Luft eingeschlossen, wird das Gerät zu einem Gas-Thermoskop (β der Luft ≈ 3,4 × 10⁻³ °C⁻¹), viel empfindlicher, aber auch abhängig vom Luftdruck, wie das Thermoskop von Galilei (1593).

• Ausdehnung: Größerwerden eines Materials beim Erwärmen.
• Zusammenziehen: Kleinerwerden beim Abkühlen.
• kalibrieren: ein Messgerät mit einem zuverlässigen vergleichen, um die richtigen Zahlen auf seine Skala zu schreiben.
• Kapillare: sehr enges Röhrchen; darin sieht eine kleine Volumenänderung wie ein großer Anstieg aus.
• thermisches Gleichgewicht: wenn zwei Dinge, die sich berühren, dieselbe Temperatur erreichen und sich nicht mehr ändern.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene durchsticht den Deckel, mischt den Alkohol und füllt die Flasche. Das Kind bringt die Knete an, schraubt langsam zu, sieht die Flüssigkeit steigen und zieht die Striche auf der Skala. Nur die Wörter „kälter/wärmer“ benutzen, ohne Grad.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte außer Vorstecher und Alkohol. Sie berechnen die Millimeter pro Grad mit dem Dreisatz und lesen das Thermometer jede Stunde ab.
• 11–12 Jahre: Sie vergleichen Wasser, Mischung und reinen Alkohol, messen jeweils die Empfindlichkeit in mm/°C und berechnen den scheinbaren Ausdehnungskoeffizienten (ΔV = Querschnitt × Anstieg). Challenge: den Fehler ihres Thermometers gegenüber dem Vergleichsthermometer abschätzen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt, ein Thermometer pro Team (gleiche 330-ml-Flaschen). Der Erwachsene bereitet vorher 2 l gefärbte Wasser-Alkohol-Mischung in einer großen beschrifteten Flasche vor und durchsticht alle Deckel. Einheit 1 (45 min): Aufbau und erster Kalibrierpunkt; die Thermometer stehen zusammen auf einem Tisch mit einem Vergleichsthermometer. Einheit 2 (30 min): gemeinsames warmes Bad in einer großen Schüssel mit Thermometer und Verteilen der Grad. Danach stellt jedes Team sein Thermometer an einen anderen Ort der Schule (Klassenzimmer, Flur, Fenster, Schulhof im Schatten), und die Werte werden verglichen.

Challenges

• Bau das empfindlichste Thermometer der Klasse: Was würdest du ändern (größere Flasche, dünnerer Strohhalm, mehr Alkohol)? Miss seine mm/°C.
• Bau eine „Wetterhütte“ aus weißem Karton mit Schlitzen, um die Außentemperatur zu messen, ohne dass die Sonne daraufscheint.
• Nimm ein Glasfläschchen und vergleiche seine Empfindlichkeit mit der Plastikflasche. Warum ist sie anders?
• Zeichne neben die Celsius-Skala eine Skala in Grad Fahrenheit (°F = °C × 1,8 + 32).

Weitere kostenlose Projekte

• Solarofen im Karton
• Wasseruhr aus zwei Flaschen
• Windmesser aus Bechern
• Äquatoriale Sonnenuhr

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