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Zitronenbatterie

Lernen und Experimentieren mit den 4 Elementen

Unterrichtsideen zu den Themen Wasser, Erde, Luft und Feuer/Energie

Die 4 Elemente Wasser, Erde, Luft und Feuer bieten für den Sachunterricht der Grundschule viele Möglichkeiten, den Schülerinnen und Schülern durch Versuche und Beobachtungen die Natur und ihre Phänomene darin verständlich zu vermitteln.

In den kommenden vier Wochen finden Sie hier immer donnerstags neue Ideen für Experimente und Unterrichtsinhalte zu den 4 Elementen.

Experimentieren mit den 4 Elementen

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Lernen und Experimente mit den 4 Elementen

Unser Thema in dieser Woche ist – stellvertretend für das Element „Feuer“ – „Energie“.

Energie: Wir bauen eine Zitronenbatterie (Galvanische Zelle)

Zitronenbatterie

In einer Zitrone steckt außer Vitamin C auch genug Energie, um ein Lämpchen zum Leuchten oder einen Kopfhörer zum Knistern zu bringen!

Sie fungiert sozusagen als Batterie. In der Fachsprache nennt man eine Zitronenbatterie auch galvanische Zelle. Dort wird chemische in elektrische Energie umgewandelt.

Aber wie kommt die Energie aus der Zitrone in das Lämpchen?

Für das Bauen einer Zitronenbatterie eignet sich Paararbeit besonders gut.

Für jedes Zweierteam benötigen Sie:

  • eine Zitrone (es klappt auch mit anderem Obst und Gemüse, wie z. B. Kartoffeln)
  • ein kleines Lämpchen oder Kopfhörer
  • Eisen- oder Zinknagel, -blech oder -draht
  • Kupfernagel, -blech oder -draht
  • 2 Drähte mit Krokodilklemmen

Zitronenbatterie

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Der Versuch

  • Die Schüler rollen die Zitrone auf dem Tisch und üben dabei Druck auf sie aus, um die Leitfähigkeit zu erhöhen und das Ergebnis des Versuchs zu verbessern.
  • Danach stecken sie in die Zitrone ein edles und ein unedles Metall (z. B. Kupfer und Zink) in Form eines Nagels, Drahts oder Blechstücks. Sie dienen als Elektroden. Die Zitronensäure wirkt als Elektrolyt, also eine Substanz, die Strom leiten kann.
  • Jetzt wird je ein Draht mit der Krokodilklemme an je einem Metallelement befestigt.
  • Die anderen Enden der Drähte werden mit einem Lämpchen (eines am Kontaktpunkt, das andere an der Windung) oder dem metallenen Ende des Kopfhörerkabels verbunden. Der Stromkreis ist nun geschlossen und es läuft eine chemische Reaktion ab: Das unedle Metall kann Elektronen nicht so fest an sich binden, wie das edle Metall. Das Zink gibt deshalb Elektronen an das Kupfer ab. Dieser Fluss der Elektronen ist im Prinzip nichts anderes als Strom.
  • Wenn alles richtig angeschlossen ist und genug Strom erzeugt wird, leuchtet die Lampe oder der Kopfhörer beginnt zu knistern.

Während des Versuchs notieren die Schüler ihre Beobachtungen.

Nach den Zitronen können die Schüler auch andere Obst- und Gemüsesorten testen. Welche funktionieren am besten als Batterien?

In dieser Woche ist das Element Luft an der Reihe :)

Element Luft: Treibhauseffekt im Versuch sichtbar machen

Element Luft: Treibhauseffekt

Die Beteiligung vieler Schülern an den „Fridays for Future“-Demonstrationen für mehr Klimaschutz zeigen, dass sie den Klimawandel und seine Folgen als wichtiges Thema für ihre Zukunft ausgemacht haben.

Damit sie sich von dem einen oder anderen Politiker nicht vorwerfen lassen müssen, nicht zu wissen, wovon sie sprechen, stellen wir hier einen kleinen Versuch vor, der schon jüngeren Schülern den Treibhauseffekt – einer gewichtigen Ursache für die globale Erwärmung – verständlich macht.

Der Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt ist mit der Funktion eines Gewächshauses vergleichbar. Die Erdatmosphäre lässt wie das Glas eines Gewächshauses Sonnenstrahlen zu einem großen Teil ungehindert eindringen. Die Luft im Inneren des Gewächshauses erwärmt sich, das schützende Glas verhindert ein schnelles Abkühlen.

Die Rolle des Glashauses übernehmen beim Treibhauseffekt sogenannte Treibhausgase wie FCKW, Methan oder CO2.

Wenn die Sonnenstrahlung von der Erde reflektiert wird, wird ein Teil durch die Treibhausgase aufgenommen. Sie erwärmen sich und senden Strahlung zur Erdoberfläche zurück. Dieser Effekt ist wichtig, damit es auf der Erde nicht zu kalt ist. So liegt die Durchschnittstemperatur auf der Erde bei 15 ºC anstatt -18 ºC.

Zum natürlichen Treibhauseffekt kommt aber der Menschgemachte:

Durch die zunehmende Industrialisierung und den Autoverkehr werden immer mehr Treibhausgase freigesetzt. Je mehr Treibhausgase in der Erdatmosphäre enthalten sind, umso mehr Strahlung wird zurückgeschickt. Die Folge ist eine Erwärmung des Klimas auf der Erde mit all seinen negativen Folgen.

Hier erläutert Harald Lesch die physikalischen Zusammenhänge von Treibhauseffekt und Klimaerwärmung anschaulich:

Das benötigen Sie:

Element Luft: Treibhauseffekt

Der Versuch

Den Schülern sind die Grundlagen des Treibhauseffekts vor dem Versuch bekannt und sie können ihr Wissen für vorausgehende Vermutungen und Erklärung nutzen. Alternativ kann der Versuch auch als Einstieg in das Thema genutzt werden, um den Treibhauseffekt im Anschluss an die Beobachtungen zu erläutern.

Lesen Sie die Ausgangstemperatur auf den Thermometern ab. Legen Sie die Thermometer dann zu Beginn der Stunde an einen sonnigen Platz im Klassenzimmer (oder unter die Lampe des OHPs). Ein Thermometer bedecken Sie mit der Glasschüssel.

Element Luft: Treibhauseffekt

Während Sie warten, dürfen die Kinder Vermutungen aufstellen, welches Ergebnis der Versuch zeigen wird und was der Grund dafür sein könnte.

Nach einer halben Stunde Zeit lesen die Kinder die Temperaturen ab und vergleichen sie. Haben sich die Vermutungen bestätigt?

Die Kinder notieren ihre Beobachtungen und erklären in eigenen Worten, was ihre Beobachtungen mit dem Treibhauseffekt zu tun haben könnten. Fällt ihnen vielleicht ein Beispiel ein, wo dieser Effekt noch genutzt wird? Welche Folgen könnte es haben, wenn es auf der Erde immer wärmer wird?

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Experimentieren mit den 4 Elementen

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Lernen und Experimente mit den 4 Elementen

Element Erde: Regenwürmer beobachten

Für die Bodenfruchtbarkeit haben Regenwürmer eine wichtige Bedeutung: Während sie organisches Material aufnehmen und zersetzen, arbeiten sich Regenwürmer fortwährend durch den Boden, durchlüften und lockern ihn dabei. Diese Arbeit schützt uns auch vor den Folgen von Starkregen, der durch die Regenwurmgänge schneller abfließen kann.

Sie tragen Mineralstoffe und Humus in tiefere Bodenschichten und sorgen für eine Durchmischung des Bodens. Zu guter Letzt sind auch ihre Hinterlassenschaften sehr nährstoffhaltig und fungieren als Bodendünger.

Da sie aber eher unscheinbare Gesellen sind, die meist im Verborgenen unter der Erde leben, nehmen wir sie kaum wahr. Nur bei Regen oder beim Graben im Garten bekommt man sie zu Gesicht.

Wer Regenwürmer bei der Arbeit beobachten und mehr über ihre Lebensweise erfahren möchte, braucht eine Regenwurm-Beobachtungsstation.

Die Kinder erfahren dadurch, wie nützlich die Würmer sind. Durch den Kontakt werden häufig auch vorhandene Ekelgefühle gegenüber den Erdbewohnern abgebaut und die Kinder üben sich durch das Füttern und feucht halten der Erde darin, Verantwortung für andere Lebewesen zu übernehmen.

Regenwurm-Beobachtungsstation

Das benötige Sie:

  • Sie brauchen einen transparenten Behälter, wie z.B. ein großes Einmachglas oder Messbecher mit etwa 1000 ml Fassungsvermögen. Noch besser geeignet sind spezielle Regenwurm-Beobachtungskästen.

Regenwürmer beobachten

Im Betzold Online-Shop können Sie Regenwurm-Beobachtungskästen bestellen, bei denen die nötige Erde bereits enthalten ist:

Regenwurm-Beobachtungskasten

  • Um den Behälter zu befüllen, brauchen Sie Erde. Damit die Schüler erkennen, dass die Regenwürmer für eine Durchmischung des Bodens sorgen, ist Erde in verschiedenen Brauntönen hilfreich (z. B. dunkle Pflanzerde, Sand, lehmige Erde …).
  • Nahrung für die Regenwürmer: geeignet sind z. B. Gras, Salat, Obst- und Gemüseabfälle und Laub.
  • Ein Tuch zum Abdecken der Station.
  • Etwa 10 Regenwürmer :)

Eine Regenwurm-Beobachtungsstation einrichten

  • Die Erde schichtweise in den Behälter geben. Falls die Erde trocken ist, können Sie mit einer Sprühflasche für etwas Feuchtigkeit sorgen.
    Damit die Regenwürmer nicht abhandenkommen, einen ausreichenden Abstand zum Rand des Behälters lassen.
  • Auf die Erde wird Nahrung für die Würmer gelegt. Die Nahrung für die Würmer muss immer wieder nachgefüllt werden.
  • Jetzt fehlen noch die Bewohner. Am einfachsten sind Regenwürmer nach einem Regenguss zu finden, da sie dann an die Oberfläche kommen.
  • Wenn die Regenwürmer eingezogen sind, sollte der Behälter mit einem Tuch abgedeckt werden, da sie lichtempfindlich sind. Für die Beobachtungszeit kann das Tuch natürlich kurz entfernt werden.
  • Der Standort sollte eher kühl und vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt sein. Damit die Erde nicht austrocknet, muss sie regelmäßig mit Wasser besprüht werden.

Regenwürmer beobachten

Jetzt kann die Beobachtungsphase beginnen! Täglich sehen die Schüler, wie die kleinen Erdbewohner ihren Lebensraum verändern.

In einem Regenwurm-Tagebuch können die Schüler festhalten, welche Veränderungen und Verhaltensweisen der Würmer sie beobachten.

Was fressen Regenwürmer am liebsten? Wie bewegen sie sich? Wie verändert sich ihr Lebensraum? Warum sind sie so nützlich für ihre Umgebung? Was mögen sie und was nicht?

Wichtig: Nachdem die Beobachtungen abgeschlossen sind, sollten die Regenwürmer wieder an einer geeigneten, sicheren Stelle in die Freiheit entlassen werden!

Element Wasser: Versuche zu „Schwimmen und Sinken“

Das Phänomen Auftrieb gehört zum Erfahrungsbereich von Kindern. Im Schwimmbad werden intuitiv Gegenstände auf Schwimm- und Sinkverhalten getestet. Diese Erfahrungen müssen im Unterricht aufgegriffen, geordnet und erklärt werden. Eigenschaften von Wasser sollen erfahren und altersgerecht vermittelt werden.

Die Möglichkeiten für kleine Experimente zum Thema „Schwimmen und Sinken“ sind vielfältig. Drei möchten wir Ihnen hier vorstellen.

Die Experimente können in Gruppenarbeit durchgeführt werden. An jeder Versuchsstation können bis zu vier Kinder gemeinsam arbeiten.

Die begleitenden Arbeitsblätter enthalten die Arbeitsanweisungen.

Sie finden sie direkt hier als Download:

Arbeitsblatt „Schwimmen – Sinken“ ausdrucken

Das benötigen Sie:

Das Schwimmen-Sinken-Set und der Experimentierkoffer „Schwimmen-Schweben-Sinken“ enthalten weiteres Material für Versuche zu diesem Thema:

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Bald wieder lieferbar:

Experimentierkoffer „Schwimmen-Schweben-Sinken“ im Betzold Online-Shop bestellen

  1. Ei in Wasser

    Ihre Schüler beobachten in diesem Versuch, dass ein Gegenstand (in diesem Fall ein Ei) einmal schwimmt und einmal sinkt. Sie erfahren, dass es bei der Frage, ob ein Gegenstand sinkt oder schwimmt, nicht nur auf den Gegenstand, sondern auch auf die Flüssigkeit ankommen kann.

    Der Versuch:
    Im Versuch enthalten die Behälter  einmal Wasser mit und einmal ohne Salz (etwa 2 EL salz für 200ml Wasser).

    Schwimmen und Sinken

    Im Behälter ohne Salz sinkt das Ei, da es schwerer ist als das Wasser. Das Wasser wird verdrängt und das Ei sinkt auf den Boden.
    Schwimmen und Sinken

    Mit Salz angereichertes Wasser weist eine höhere Dichte auf und sorgt bei Gegenständen für einen stärkeren Auftrieb. Das Ei schwimmt. Um den Auftrieb noch besser nachvollziehen zu können, können die Schüler in das Gefäß mit Leitungswasser nun löffelweise Salz hinzufügen (und dazwischen immer vorsichtig umrühren), bis das Ei langsam aufsteigt.

    Als Ergebnissicherung ist ein Klassengespräch sinnvoll, um falsche Vermutungen auszuräumen.

  2. Tinte in Wasser

    In diesem Versuch können die Schüler beobachten, dass die Beschaffenheit einer Flüssigkeit entscheidend dafür ist, wie sich ein Gegenstand oder eine weitere Flüssigkeit darin verhält.

    Der Versuch:
    Schwimmen und Sinken

    Die Schüler geben ein paar Tropfen Tinte in ein Glas mit Leitungswasser.

    Im Wasserbecher vermischt sich die Tinte langsam mit dem Wasser – erst sind Schlieren zu sehen, die sinken, nach längerer Zeit vermischen sich Wasser und Tinte gleichmäßig. Das liegt daran, dass Tinte im Grunde nichts anderes ist als gefärbtes Wasser. Durch die hinzugefügte Farbe ist die Tinte schwerer als das Leitungswasser und sinkt zunächst in Schlieren.

    Die färbenden Stoffe, die der Tinte zugesetzt werden, müssen sich gut mit Wasser mischen, sie dürfen sich nicht absetzen oder klumpen. Deswegen mischt sich die Tinte nach einigen Minuten mit dem Wasser im Becher.

    Einem Glas mit Wasser wird etwas Öl zugefügt. Danach geben die Schüler ein paar Tropfen Tinte in dieses Gefäß und beobachten was passiert.

    Im Becher mit Öl bilden Wasser und Öl zwei Phasen und vermischen sich nicht. Da das Öl leichter ist und eine geringere Dichte hat, schwimmt es auf dem Wasser. Die Tinte bildet Tropfen auf dem Öl, die langsam durch die Ölschicht sinken. Im Wasser vermischt sich die Tinte wie oben beschrieben mit dem Wasser.

  3. Schiffchen versenken

    Schwimmen und Sinken
    Die Schüler können in diesem Versuch die Oberflächenspannung außer Kraft setzen. Sie erfahren, dass ein kleines Stück Alufolie schwimmt, weil es durch die Oberflächenspannung (sozusagen die Haut des Wassers) an der Oberfläche gehalten wird. Beim Beobachten stellen sie fest, dass die Alufolie auf dem Wasser liegt. Geben sie Spülmittel hinzu, sinkt die Alufolie. Spülmittel enthält Tenside, die die Oberflächenspannung zerstören.

    Wer möchte, darf aus der Alufolie ein kleines Schiffchen falten, der Effekt ist identisch :)

    Experimentieren mit den 4 Elementen

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Über Bettina Kroker

Seit 2014 arbeite ich bei Betzold in Ellwangen als Online-Redakteurin. Im Betzold-Blog möchte ich Lehrerinnen und Lehrern den ein oder anderen Tipp weitergeben, der den Schulalltag erleichtert und Zeit spart. Da ich stets auf der Suche nach neuen, interessanten Blog-Themen bin, freue ich mich immer über Ihre Vorschläge: blog@betzold.de.

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