Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers
Ein Barometer ist ein Gerät, das zur Messung des Luftdrucks eingesetzt wird und in der Physik eine bedeutende Rolle spielt. Erfahre bei uns, wie die gängigen Modelle - das Flüssigkeitsbarometer und das Dosenbarometer - funktionieren und was die angezeigten Zahlen darauf bedeuten. Entdecke zudem ihre praktischen Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Wettervorhersage oder der Flugnavigation. Hast du jetzt Lust auf mehr? Im folgenden Text wartet noch mehr spannendes Wissen auf dich.
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Lerntext zum Thema Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers
Was ist ein Barometer?
Das Barometer spielt in der Physik eine wichtige Rolle. In diesem Text wird das Barometer auf einfache Weise erklärt. Die Definition für ein Barometer lautet:
- Ein Barometer ist ein Messgerät zum Messen des Drucks, insbesondere des Luftdrucks.
Der irische Forscher Robert Boyle führte den Namen des Barometers ein. Der Name leitet sich von den griechischen Wörtern baros, das Schwere bedeutet, und metrein, das messen bedeutet, ab. Der Druck ist gegeben durch die Formel:
$\text{Druck} = \dfrac{\text{Kraft}}{\text{Fläche}}$
Mit den Formelzeichen $p$ für Druck, $F$ für Kraft und $A$ für Fläche gilt also:
$p = \dfrac{F}{A}$
Steigt der Luftdruck, so wirkt auf einen Körper oder eine Fläche eine größere Kraft. Die Wirkung dieser Kraft kann leicht gemessen werden. Wie ein Barometer genau misst, ist je nach Typ des Barometers verschieden.
Was bedeuten die Zahlen auf dem Barometer? Diese geben den Druck in der Spanne, in der das Barometer messen kann, an. Der aktuelle Druck wird entweder durch eine Flüssigkeitssäule oder einen Zeiger oder Ähnliches angezeigt. Der Luftdruck wird dabei meist in der Einheit Hektopascal, kurz $\pu{hPa}$, angegeben.
Welche Arten von Barometern gibt es?
Wie ein Barometer aufgebaut ist, ist je nach Art verschieden. Schauen wir uns den Aufbau und die Funktion zwei verschiedener Barometer genauer an.
Ein bekanntes Beispiel für ein Barometer ist das Flüssigkeitsbarometer. Es besteht vereinfacht aus einer Wanne und einem Rohrstück. Veranschaulicht ist das Messprinzip in der folgenden Grafik.
Das Rohr ist oben luftdicht verschlossen und unten offen. In der Wanne und im unteren Bereich des Rohrs befindet sich eine Flüssigkeit. Im oberen Bereich des Rohrs herrscht ein Unterdruck, der Druck ist also deutlich geringer als der Umgebungsdruck. Über der Flüssigkeit in der Wanne befinden sich Gasteilchen der Umgebungsluft. Diese bewegen sich und erzeugen so einen Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit.
Am oberen Ende des Rohrs wirkt hingegen kaum Druck auf die Flüssigkeit. Der Luftdruck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, schiebt somit die Flüssigkeit in das Rohr und der Flüssigkeitsspiegel im Rohr steigt an. Je größer der Druck ist, desto höher steigt die Flüssigkeit. Sinkt der Druck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, wieder, so zieht die Erdanziehung die Flüssigkeit im Rohr wieder nach unten.
Am Rohrstück ist eine Skala angebracht, die so kalibriert ist, dass sie den aktuellen Luftdruck anzeigt. Wichtig ist hierbei, dass es die Umgebungsluft ist, die die Flüssigkeit in das Rohr drückt, und nicht der Unterdruck, der die Flüssigkeit in das Rohr zieht.
Häufig wird als Flüssigkeit Quecksilber genutzt. Solche Barometer nennt man Quecksilberbarometer.
Auch das Dosenbarometer wird häufig verwendet. Aufgebaut ist es meist aus einer Art Dose und einem Zeiger. In der Dose herrscht ein starker Unterdruck. Der Luftdruck drückt nun von außen gegen die Dose und verformt sie dabei. Dadurch bewegt sich der Zeiger, er zeigt auf einer Skala den aktuellen Luftdruck an. Je größer der Luftdruck ist, desto stärker wird die Dose eingedrückt. Moderne Dosenbarometer können kleinste Änderungen im Luftdruck messen.
Wozu verwendet man ein Barometer?
Um die Frage zu klären, was der Nutzen eines Barometers ist, schauen wir uns die folgenden Beispiele an:
- Barometer werden unter anderem in Flugzeugen genutzt. Sie messen sowohl den Außendruck als auch den Innendruck. Der Innendruck muss über den gesamten Flug gleich bleiben. Über den Außendruck kann die aktuelle Flughöhe ermittelt werden.
- Auch an Wetterstationen werden Barometer genutzt. Das ist wichtig für die Vorhersage und Analyse des Wetters.
- Für das Tauchen mit einem U-Boot ist die Kenntnis über den genauen Druck ebenfalls wichtig, also finden Barometer auch dort eine Anwendung.
Zusätzlich zum Video und dem Text findest du hier auf der Seite noch Arbeitsblätter und Übungen zum Thema Barometer.
Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers Übung
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Nenne die Funktion eines Barometers.
TippsWas wird gemessen?
Wie ist die Bezeichnung für ein Apparat zum Feststellen von physikalischen Größen?
LösungEin Barometer ist ein Messgerät, das den Luftdruck in der Umgebung misst.
Das Barometer wurde ca. 1665 vom irischen Naturforscher Robert Boyle als dieses benannt. Dieser Begriff leitet sich aus den griechischen Wörter báros (Schwere, Gewicht) und metreín (messen) ab.
Die ersten Ideen zum Luftdruck und den Barometern stammten von den Naturwissenschaftlern Galilei, Torricelli und Pascal.
Heute findet man es häufig in Wetterstationen mit der zusätzlichen Skala für: Wolkig, beständig und heiter. Neben dem Barometer beinhalten diese auch häufig ein Thermometer zur Bestimmung der Temperatur und ein Hydrometer zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit.
Aus den drei Daten Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit kann dann bestimmt werden, wie das Wetter ist. Da vor einer Wetteränderung sich auch häufig der Luftdruck ändert, kann sogar gesagt werden, ob und wie sich das Wetter ändert.
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Gib die Bestandteile der beiden Barometer an.
TippsAus welchen Bestandteilen bestehen die Barometer?
LösungEin Flüssigkeitsbarometer besteht aus einem mit einer Flüssigkeit befüllten Rohr. Dieses steht in einer Wanne, die mit der gleichen Flüssigkeit befüllt ist. Am oberen Ende des geschlossenen Rohrs ist ein Vakuum.
Ein Dosenbarometer besteht aus einem dosenförmigen Gefäß, an dem ein Zeiger befestigt ist. In diesem Gefäß herrscht ein starker Unterdruck.
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Erkläre die Funktionsweise der zwei Barometer.
TippsWie funktionieren die Barometer?
Aus welchen Bestandteilen bestehen die Barometer?
LösungBeim Flüssigkeitsbarometer wird durch den Luftdruck die Höhe der Flüssigkeit im Rohr verändert. Erhöhnt sich der Luftdruck, so wird der Druck auf das Wasser in der Wanne höher und das Wasser wird in das Rohr gedrückt. Nimmt der Luftdruck ab, so wird die Höhe der Flüssigkeit im Rohr weniger.
Beim Dosenbarometer wird die Dose durch den Luftdruck verformt und der Zeiger zeigt diese Veränderung auf. Die Dose ist aus sehr dünnem Blech gefertigt, das sich sehr einfach verformen lässt. Wird der Luftdruck um die Dose größer, wird die Dose zusammengedrückt und der Zeiger gibt das wider.
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Erkläre die physikalische Größe Luftdruck.
TippsWas gibt der Luftdruck an?
LösungDer Luftdruck gibt die Kraft der Luft an, die senkrecht auf eine Fläche wirkt. Bei der Kraft handelt es sich um die Gewichtskraft der Luft. Also der Luftdruck auf der Erdoberfläche ist die Gewichtskraft der Luftsäule auf eine bestimmte Fläche. Auf Meereshöhe ist der Luftdruck $ 101 325 Pa$. Die Einheit $Pa$ heißt $Pascal$ und ist nach einem der Entdecker des Luftdrucks, Blaise Pascal, benannt. Rechnet man diese Kraft von Newton in Kilogramm um, wird diese Gewichtskraft von einer Masse von 10328 Kilogramm bewirkt. Luft wiegt also definitiv auch etwas.
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Benenne Einsatzmöglichkeiten eines Barometers.
TippsWas misst das Barometer?
Was gibt der Luftdruck an?
LösungDas Barometer hat mehrere Einsatzmöglichkeiten.
In einer Wetterstation hilft das Barometer mit der Anzeige des Luftdrucks das Wetter vorauszusagen.
Früher half es einem Flugzeug bei der Bestimmung der Flughöhe, da der Luftdruck von der Messhöhe abhängt.
Ein Barometer misst nicht die Masse eines Körpers oder die Geschwindigkeit.
Und in einem U-Boot ist das Barometer ein Sensor, der den Druckausgleich einleitet, damit das U-Boot in den Tiefen des Meeres nicht zusammengedrückt wird .
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Entscheide, welche Einsatzmöglichkeiten für das Barometer zusammengehören.
TippsWas misst das Barometer?
Was gibt der Luftdruck an?
LösungDas Barometer hat mehrere Einsatzmöglichkeiten.
In einer Wetterstation hilft das Barometer mit der Anzeige des Luftdrucks das Wetter vorauszusagen. Früher half es einem Flugzeug bei der Bestimmung der Flughöhe, da der Luftdruck von der Messhöhe abhängt.
Ein Barometer misst nicht die Masse eines Körpers oder die Geschwindigkeit.
Und in einem U-Boot sorgt es für den Druckausgleich, damit das U-Boot nicht zusammengedrückt wird in den Tiefen des Meeres.
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