Gewichtskraft mit measureapp (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Gewichtskraft mit measureapp (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Mechanik Unterthema: Kräfte, einfache Maschinen Experiment: Gewichtskraft mit measureapp Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Leicht 0 Minuten 0 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Tablet mit "measure" App Schlagwörter: Gewicht, Erdanziehung, Gravitation Lehrerinformation Lehrerinformation Lernziel: Hier sollen die Schüler den Unterschied zwischen einer Masse und ihrem Gewicht begreifen lernen die Gewichtskraft, also das Gewicht, sind abhängig vom Schwerefeld, die Masse jedoch nicht. Dadurch, dass keine gewöhnliche Waage, sondern ein Kraftmesser benutzt wird, der Kräfte anzeigt, soll der Unterschied deutlich werden. Hinweis zu Aufbau und Durchführung: Auf die Tarierung des Kraftsensors sollte geachtet werden ohne sie ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Gewichtskraft und Masse bei konstanter Fallbeschleunigung, aber keine Proportionalität; null Masse sollte auch null Kraft erfahren. Streng genommen sollte statt von Schlitzgewichten von Massestücken gesprochen werden. Prinzipiell wird die Messung per Tastendruck verwendet. Hierbei ist auf der Grund der gleichmäßigen Erhöhung der Masse ein linearer Zusammenhang zu erkennen. Allerdings sollte darauf geachtet werden, dass zwischen dem linearen Graphen in der App mit Auftragung von Kraft gegen Nummer der Messung einer Auftragung von Kraft gegen tatsächliche Masse ein Unterschied herrscht. Dies wird vor allem dann deutlich, wenn man die Schrittgröße variert. Hier kann eine Binnendifferenzierung im Unterricht erfolgen, in dem man leistungsstärkeren Schülern die Aufgabe gibt, die angehängten Massen variable zu ändern. Aus der Wertetabelle im Protokoll wird ein Graph erzeugt, der den linearen Zusammenhang deutlich zeigt.

2 Gewichtskraft mit measureapp (Artikelnr.: P ) Einführung Warum schweben wir auf der Erde nicht wie ein Astronaut auf dem Mond? Ein Astronaut auf dem Mond oder auf der ISS hat es schwer, sich wie auf der Erde fortzubewegen. Er ist scheinbar schwerelos und droht andauernd davon zu schweben. Aber der Astronaut verliert nicht auf magische Weise seine Masse. Wieso also können wir auf der Erde nicht einfach ebenso meisterhafte Sprünge machen wie auf dem Mond? Schuld ist die Gewichtskraft der Erde, die schon Newton aufgefallen ist, da alles nach unten in Richtung Erdboden fällt. Diese Gewichtskraft wirkt auf alles, was Masse besitzt und sorgt dafür, dass wir nicht davon fliegen. In diesem Versuch wirst du nun diese Gewichtskraft messen. Material Aufgaben Position Material Bestellnr. Menge Cobra4 Wireless/USB-Link Cobra4 Sensor-Unit Force, Kraft 0 N Stativfuß, variabel Stativstange, l = 250 mm Doppelmuffe Gewichtsteller, 0 g Schlitzgewicht, 0 g Schlitzgewicht, 50 g Angelschnur, l = 20 m Zusätzlich benötigt: ipad mit "measure" App Miss mit dem Kraftsensor die Gewichtskraft, welche die Schlitzgewichte im Schwerefeld unseres Heimatplaneten erfahren. Bestimme den Zusammenhang zwischen der Masse der Schlitzgewichte und der Gewichtskraft, die auf sie wirkt.

3 Aufbau und Durchführung Aufbau Baue das Stativ nach Abbildung auf, in dem du den Stativfuß zusammensetzt und eine kurze Stativstange darin befestigst. Auf der Stativstange schraubst du eine Doppelmuffe fest. Für diesen Versuch benötigst du die Cobra4 Sensor-Unit Kraft 0 N. Stecke den "Wireless/USB-Link" und den Sensor zusammen und schalte das Gerät ein. Verbinde dein Tablet mit dem "Wireless/USB-Link" und öffne die "measure" App. Wähle den angeschlossenen Sensor aus. Schraube die Sensor-Kombi so auf dein Stativ, wie es in Abbildung dargestellt ist. Knüpfe eine Schlaufe aus Angelschnur, um den Gewichtsteller an dem kleinen Haken des Kraftsensors zu befestigen. Abbildung : Versuchsaufbau

4 Durchführung Zu Beginn muss deine Sensor-Unit-Kombi tariert werden. Hänge dazu die vorbereitete Schlaufe, aber noch kein Gewicht an den Kraftsensor. Wähle dann "Auf Null setzen" in deiner "measure" App. Jetzt sollte die Kraft 0,000 N angezeigt werden. Stelle "Messung auf Tastendruck" ein. Nimm den ersten Messpunkt für 0 g auf. Hänge nun den Gewichtsteller (0 g) mit zwei 0-g-Schlitzgewichten also eine Masse von 0,030 kg an den Kraftsensor und nimm den nächsten Messwert auf. Erhöhe die angehängte Masse in 0,030-kg-Schritten bis 0,80 kg und vervollständige Tabelle. Speichere deine Messung. Abb. 2: Messbeispiel der Gewichtskraft

5 Protokoll: Gewichtskraft mit measureapp Ergebnis - Tabelle Trage Messwerte in die Tabelle ein und berechne daraus g sowie den Durchschnitt aller Werte für g. Der zugehörige Graph wird automatisch erstellt. Tabelle : Messwerte für die Gewichtskraft und Auswertung Messung Nr. Masse m/kg Gewichtskraft F G /N g = F G /m / N/kg Durchschnitt 4 Number Gewichtskraft F [N] Masse m [kg]

6 Ergebnis - Frage Welchen Zusammenhang vermutest Du zwischen Masse und Gewichtskraft nach dem Diagramm, welches Du erstellt hast? Siehe dazu den Graph von Tabelle. Ergebnis - Frage 3 Berechne den Durchschnitt der Messwerte für g, trage ihn in Tabelle ein. Vergleiche ihn mit dem Literaturwert für Mitteleuropa von g = 9,8 N/kg ( = 9,8 m/s 2 wegen N = kg m/s 2 ).

7 Auswertung - Zusatzfrage Bemerkung: g wird Erdbeschleunigung oder Fallbeschleunigung genannt. Der Newtonsche Trägheitssatz besagt, dass die Kraft F gleich sei dem Produkt aus Masse m und Beschleunigung a, F = m a. Die Formel () lässt sich umstellen zu F G = m g, was dem Trägheitsgesetz entspricht. Das Experiment legt also die Gleichheit von träger und schwerer Masse nahe. Die Gleichheit von träger und schwerer Masse kann aus keiner physikalischen Theorie hergeleitet werden, sondern wird als Grundannahme gefordert. So geht z. B. die allgemeine Relativitätstheorie von der Annahme aus, dass von einem Beobachter in einer geschlossenen Kiste prinzipiell nicht festgestellt werden kann, ob seine Kiste konstant beschleunigt wird oder sich in einem Schwerefeld befindet. Welche physikalische Größe misst eine gewöhnliche Waage? Auswertung - Zusatzfrage 2 Wenn die Anzeige einer Waage eine Masse angibt, wovon ist der Hersteller der Waage dann ausgegangen und würde die Waage auf dem Mond (Schwerebeschleunigung auf der Mondoberfläche g Mond =,62 N/kg) einen korrekten Wert anzeigen?

8 Auswertung - Zusatzfrage 3 Wie kann mit Hilfe einer Balkenwaage dieses Problem umgangen werden? Auswertung - Zusatzfrage 4 Welche Masse m hat eine Gewichtskraft von N? Auf der Erde: m = g, auf dem Mond m = g.