3B Scientific Magdeburg Plates User Manual [en, de, es, fr, it]
3B SCIENTIFIC® PHYSICS
U45054 Magdeburger Platten
Bedienungsanleitung
7/03 ALF
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®
1 Schlauch mit T-Stück und Einwegventil
2 Schlauch mit Einwegventil
3 Acrylglasplatte mit Flansch zum Anschluss der
Schlauchverbindung
4 Acrylglasplatte
5 Gummidichtungsringe
6 T-Stück
7 Ersatzschlauchverbinder
8 Handpumpe
Kompletter Gerätesatz zur Durchführung des historischen Versuchs von Guericke zur Wirkung des atmosphärischen Luftdrucks im Demonstrations- und
Praktikumsversuch.
1. Sicherheitshinweise
• Nicht versuchen die evakuierten Platten mit Werkzeug auseinander zu hebeln.
• Nicht versuchen mit Hilfe von Seilen oder ähnlichem die Platten zu trennen, da sie, wenn sie sich
trennen, zu Geschossen werden können.
• Hinter den Personen, die versuchen die Magdeburger Platten zu trennen, sollte genug freier Raum
sein.
• Beim Herstellen der Schlauchverbindungen keine
große Kraft aufwenden. Schlauchverbinder nur mit
Fingerdruck zusammenstecken.
• Beim Belüften der Platten die Apparatur festhalten,
so dass eine Beschädigung durch Herunterfallen
der Platten vermieden wird.
• Darauf achten, dass die Innenflächen der Platten
nicht verkratzt werden.
• Zur Reinigung nur warmes Wasser mit etwas Spülmittel verwenden. Niemals Lösungsmittel.
2. Beschreibung, technische Daten
Der Gerätesatz Magdeburger Platten besteht aus zwei
Acrylglasplatten mit Handgriffen und eingelegtem
Gummiring, die grobvakuumdicht zusammengesetzt
werden können. Zwei verschieden große Dichtungsringe erlauben den Vergleich der Wirkung des atmosphärischen Luftdrucks bei verschieden großen Kontaktflächen. Eine Platte ist mit einem Flansch zum Anschluss eines Plastikschlauchs zum Evakuieren versehen. Die Evakuierung erfolgt durch eine einfache Handpumpe. Die Verbindung zur Handpumpe erfolgt über
Plastikschläuche mit eingebauten Einwegventilen.
Über ein zusätzliches T-Stück lässt sich ein Drucksensors
(z.B. U44220) zur Messwertaufnahme mit einem Interface (z.B. LabPro U44000) anschließen.
Der Vorteil der Magdeburger Platten gegenüber den
üblichen im Unterricht benutzten Halbkugeln liegt
darin, dass, bedingt durch das flache Design, alle Kräfte parallel auf die Platten wirken und sich so einfache
Berechnungen der Kräfte durchführen lassen.
Acrylglasplatten: 13 mm x 97 mm Ø
Dichtungsringe: 5 mm x 85 mm Ø
und 95 mm Ø
5 mm x 50 mm Ø
und 60 mm Ø
2.1 Lieferumfang
2 Acrylglasplatten mit Handgriffen
2 Gummidichtungsringe mit verschiedenem Durchmesser
1 Handpumpe in Aufbewahrungsbehälter
1 Schlauch mit Einwegventil
1 Schlauch mit T-Stück und Einwegventil
1 T-Stück
1 Ersatzschlauchverbinder
innen
außen
innen
außen
1
3. Funktionsprinzip
Die Erde ist umgeben von einem Luftmantel, der Atmosphäre. Die Luftmoleküle sind wie alle anderen Stoffe der Schwerkraft ausgesetzt und konzentrieren deshalb an der Erdoberfläche. Der atmosphärische Druck,
der von der Luftmasse ausgeübt wird, ist auf Meereshöhe am größten und nimmt mit steigender Entfernung von der Erdoberfläche ab. Analog zu Flüssigkeiten wirkt der Luftdruck gleichmäßig von allen Seiten
auf einen Körper. In einem offenen Körper besteht
immer ein Gleichgewicht zwischen dem Innen- und
Außendruck. Ist der Innendruck geringer als der Außendruck, so wird sich der Gleichgewichtszustand durch
Einfließen von Luft wieder herstellen. Auch im umgekehrten Fall, wenn der Innendruck größer als der
Außendruck ist, besteht die gleiche Tendenz durch
Austritt von Masse. In einem geschlossenen Körper ist
die resultierende Kraft aus der Druckdifferenz zwischen
Innen- und Außendruck im ersten Fall auf die Oberfläche des Körpers gerichtet und wird ihn zusammendrücken und im zweiten Fall nach außen mit der Tendenz ihn zur Explosion zu bringen.
Der Physiker und Bürgermeister von Magdeburg Otto
von Guericke demonstrierte als erster die Wirkung des
atmosphärischen Luftdrucks. Seine Vakuumversuche begannen um 1650 und fanden ihren Höhepunkt mit einem spektakulären Experiment 1654 in Regensburg vor
dem Kaiser Ferdinand III: Die Magdeburger Halbkugeln.
Dazu evakuierte von Guericke zwei mit einem in Öl und
Wachs getränkten Lederriemen abgedichtete Kupferhalbkugeln mit einem Durchmesser von 42 cm. Die Luft
drückte die Halbkugeln so stark zusammen, dass selbst
16 Pferde nicht im Stande waren diese zu trennen.
4. Bedienung
4.1 Demonstration der Wirkung des
atmosphärischen Luftdrucks
• Vor dem Versuch Gummidichtungsring und Platten auf Beschädigungen überprüfen.
• Schlauchverbindung zwischen Handpumpe 8
und Magdeburger Platte 3 gemäß Abbildung 1
herstellen.
• Dazu Schlauchverbinder ineinander stecken und
durch Drehen mit leichtem Fingerdruck zusammenstecken.
• Gewünschten Gummidichtungsring auf die Platte legen und beide Platten zusammendrücken.
• Bei Wahl des Gummirings mit dem kleineren
Durchmesser ist es leichter die Platten durch Zug
zu trennen. Ein experimenteller Vergleich, bei
dem nacheinander beide Gummiringe benutzt
werden, demonstriert die Abhängigkeit der Kraft
von der Fläche.
• Eine zweite Person startet den Evakuierungsvorgang mit der Handpumpe.
• Nach wenigen Pumpvorgängen ist die meiste Luft
zwischen den Platten evakuiert.
• Wirkung des atmosphärischen Luftdrucks durch
Ziehen an den Halbkugeln demonstrieren.
• Durch Lösen der Schlauchverbindung an der
Magdeburger Platte die Apparatur belüften.
1
8
3
Abb.1
4.2 Quantitative Messung
4.2.1Grobe experimentelle Bestimmung des
atmosphärischen Luftdrucks
• Geräte wie im Versuch Pkt.4.1 zusammenbauen.
• Die Luft zwischen den Platten evakuieren.
• Die Person mit den Magdeburger Platten betritt
eine Badezimmerwaage und beobachtet die Skala während die zweite Person versucht die Platten zu trennen, indem sie senkrecht nach unten
zieht.
• Den abgelesenen Waagenwert beim Trennen der
Platten notieren.
• Zur Berechnung dient die Formel
Druck = Kraft/Fläche
• Zur Bestimmung der Kraft vom abgelesenen
Waagenwert das Körpergewicht und das Gewicht
der Magdeburger Platten subtrahieren. Zur Umwandlung in Newton den Wert in kg mit 9,8 multiplizieren.
• Die Kraft, mit der die Platten zusammengedrückt
werden entspricht der Kraft, die der Luftdruck auf
die vom Gummiring begrenzte Fläche ausübt. Deshalb zur Bestimmung der Fläche den mittleren
Durchmesser des Gummirings bestimmen und in
m² umwandeln.
• 1 N/m² entspricht 1 Pa. Da der berechnete Werte
sehr groß ist, ist es empfehlenswert das Ergebnis
in kPa umzuwandeln.
• Es empfiehlt sich ein Vergleich mit dem tatsächlichen Luftdruck, gemessen mit einem Barometer.
• Fehlerquellen mit den Schülern besprechen (z.B.
Ungenauigkeiten in der Badezimmerwaage und
beim Ablesen, nicht genau senkrechtes Herabziehen der Magdeburger Platte, Restmenge von Luft
zwischen den Platten).
Zusätzlich erforderlich:
1 Badezimmerwaage
2
2
4.2.2 Bestimmung der Kraft, die auf die Magdeburger
Platten wirkt mit einem Datenlogger
• Schlauchverbindungen gemäß Abb.2 herstellen.
• Den Drucksensor (z.B. U 44220) und ein Barome-
ter (z.B. U 44300) an einen Datenlogger (z.B. U
44000) anschließen.
• Die Luft zwischen den Platten evakuieren.
• Die Kraft, die auf die Magdeburger Platten wirkt
lässt sich durch die Gleichung Kraft = Druck x Fläche bestimmen. Dabei ist zu beachten, dass sich
zwischen den Platten eine Restmenge Luft befindet, die dem atmosphärischen Druck entgegen
wirkt. Sie ist bei der Bestimmung der Kraft zu berücksichtigen:
Kraft = (Luftdruck – Restdruck) x Fläche
• Mit dem Drucksensor Restdruck zwischen den
Platten bestimmen.
• Mit dem Barometer den Luftdruck messen.
• Zur Bestimmung der Fläche den mittleren Durch-
messer des Gummirings bestimmen und in m²
umwandeln.
• Berechnung durchführen.
• Versuch mit dem anderen Dichtungsring wieder-
holen und Ergebnisse vergleichen.
6
1
8
23
A
B
Abb.2
A: Drucksensor (z.B. U44220)
B: Verbindung zum Datenlogger (z.B. LabPro U44000)
Zusätzlich erforderlich:
1 Datenlogger LabPro U44000
1 Drucksensor U44220
1 Barometer U44300
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten
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3B SCIENTIFIC® PHYSICS
U45054 Magdeburg Plates
Instruction Sheet
7/03 ALF
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2
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1
®
1 Hose with T-piece and valve
2 Hose with valve
3 Transparent acrylic plate with flange for hose attachment
4 Transparent acrylic plate
5 Rubber sealing rings
6 T-piece
7 Spare hose connector
8 Hand pump
Complete set of equipment for conducting Guericke’s
historical experiment to show the effect of atmospheric
pressure. The experiment can be performed as a demonstration or as a student practical.
1. Safety Instructions
• Do not try to pry the two evacuated hemispheres
apart using tools.
• Do not try to separate the hemispheres using ropes
or similar, because when they do separate they can
turn into projectiles.
• Ample space should be left behind the persons trying to separate the Magdeburg plates
• Do not use excessive force when connecting the
hose. Do not use any more force than you can generate from your fingers to connect the hose.
• When ventilating the hemispheres hold on tight to
the apparatus so that you can avoid any damage
from the hemispheres falling.
• Be careful not to scratch the inner surfaces of the
plates.
• To clean, only use warm water with a small amount
of washing-up liquid. Never use solvents.
Description, technical data
The Magdeburg plates kit consists of two transparent
acrylic plates with handles and a rubber sealing ring
to be placed between them. They can be pushed to-
gether with a coarse vacuum between them. Sealing
rings of two different sizes allow comparison between
the effects of atmospheric for two differing contact
areas. One plate is equipped with a flange for attaching a plastic hose so that a vacuum can be generated.
Evacuation is performed using a simple hand pump.
This can be connected via a plastic-hose with a builtin valve. An additional T-piece allows a pressure sensor (e.g. U44220) to be connected for measuring pressure in conjunction with a suitable interface (e.g.
LabPro U44000).
The advantage of the Magdeburg plates over the hemispheres usually used in lessons is that, due to the flat
design, all forces act parallel to the plates allowing the
forces to be calculated easily.
Transparent acrylic plates: 13 mm x 97 mm Ø
Sealing rings: 5 mm x 85 mm Ø
and 95 mm Ø
5 mm x 50 mm Ø
and 60 mm Ø
2.1 Scope of delivery
2 Transparent acrylic plates with handles
2 Rubber sealing rings of different diameters
1 Hand pump in storage case
1 Hose with valve
1 Hose with T-piece and valve
1 T-piece
1 Spare hose connector
inside
outside
inside
outside
4
3. Operating principle
A protective mantle of air called the atmosphere surrounds the earth. The air molecules like all other materials are subject to the force of gravity and thus become concentrated at the earth’s surface. The atmospheric pressure, which is exerted by the air mass, is
highest at sea level and gradually decreases with increasing distance from the earth’s surface. Air pressure
like any liquid exerts equal and constant pressure on
all sides of an object. In an open object equilibrium
always prevails between internal and external pressure.
If the internal pressure drops more than the external
pressure, the state of equilibrium is reestablished by
letting air in. Conversely, if the internal pressure becomes greater than the prevailing external pressure,
there is the same tendency to escape. In an enclosed
object the force resulting from the difference between
the internal and external pressures affects the object’s
surface either causing it to compress or in the latter
case causing the object to explode.
The physicist and mayor of Magdeburg Otto von
Guericke was the first to demonstrate the effect of atmospheric pressure. His vacuum experiments commenced around 1650 and reached their zenith in 1654
in a spectacular experiment attended by Kaiser
Ferdinand III in the town of Regensburg: the famous
Magdeburger hemispheres. To do this von Guericke
evacuated the air out of two copper hemispheres of
42 cm diameter and sealed with an oil and wax saturated leather lining. The air pressed the hemispheres
together with such force that even 16 horses were unable to pull them apart.
4. Operation
4.1 Demonstration of the effect of atmospheric
pressure
• Check the sealing ring and the plates for damage
before the experiment.
• Connect the hose between the hand pump 8 and
the Magdeburg plate 3 as shown in Figure 1.
• Slip the hose connectors inside one another and
push them together by turning lightly with the
fingers.
• Place the desired sealing ring on one plate and
press the plates together.
• When the smaller diameter ring is chosen, it is
easier to separate the plates by pulling them apart.
An experimental comparison can be made using
the two rings one after the other to show how
force depends on the surface area.
• A second person may start the process of evacuating the space between the plates.
• Most of the air will have been evacuated after a
few pumps to form a sufficient vacuum for the
experiment.
• Demonstrate the effect of atmospheric pressure
by attempting to tug the plates apart.
• Loosen the hose connection to the Magdeburg
plate to let air into the apparatus.
1
8
3
Fig.1
4.2 Quantitative measurement
4.2.1 Approximate determination of atmospheric
pressure by experiment
• Assemble the equipment as in section 4.1.
• Pump out the air between the plates.
• The person holding the Magdeburg plates should
step onto some bathroom scales and observed the
weight indicated as a second attempts to separate the plates by pulling the bottom handle vertically downwards.
• Note the weight indicated by the scales when the
plates separate.
• The following formula is used for the calculation
Pressure = Force/Area
• To determine the force, subtract the weight of the
Magdeburg plates and the person holding them
from the weight shown at separation. To convert
the force into Newtons, multiply the weight in kilograms by 9.8
• The force pressing the plates together corresponds
to the atmospheric pressure being exerted on the
area encompassed by the sealing ring. Calculate
the area in m² from the inner diameter of the ring.
• 1 N/m² is equivalent to 1 Pa. Since the value will
come out to be rather large, you can convert your
answer into kilopascals.
• It is recommended that the result be compared
to the actual atmospheric pressure as measured
using a barometer.
• Discuss with the students what might be causes
for any deviations (e.g. inaccuracies in the scales
and the reading of them, not pulling vertically
downwards when separating the plates or residual
air between them).
Also required:
1 Set of bathroom scales
4.2.2 Determining the force acting on the Magdeburg
plates with a data logger
• Connect the hoses as in Figure 2.
• Connect the pressure sensor (e.g. U 44220) and a
barometer (e.g. U 44300) to a data logger (e.g.
U 44000).
2
5
• Pump out the air between the plates.
• The force acting on the Magdeburg plates can be
determined by the equation Force = Pressure x
Area. It should be noted that some residual air
remains between the plates that acts against the
atmospheric pressure. This should be considered
when calculating the force:
Force = (Atmospheric pressure – Residual pressure)
x Area
• Use the pressure sensor to work out the pressure
due to the residual air between the plates.
• Measure the atmospheric pressure using a barometer.
• Calculate the area in m² from the inner diameter
of the ring.
• Perform your calculations.
• Repeat the experiment using the second sealing
ring and compare the results.
Also required:
1 Data logger LabPro U44000
1 Pressure sensor U44220
1 Barometer U44300
6
1
23
A
B
Fig.2
A: Pressure sensor (e.g. U44220)
B: Connection to data logger (e.g. LabPro U44000)
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3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • www.3bscientific.com • Technical amendments are possible
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