ENERGIESATZ BEIM FADENPENDEL

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1 11 1) EINFÜHRUNG ENERGIESATZ BEIM FADENPENDEL In einem energetisch abgschlssenen System bleibt die Summe der mechanischen Energien knstant, slange die mechanischen Vrgänge reibungsfrei ablaufen. Energie geht hierbei weder verlren, nch entsteht sie neu; sie wandelt sich nur vn der einen in eine andere mechanische Energiefrm um. Bei allen Versuchen bleibt die mechanische Energie nur annähernd erhalten, die Endenergie bleibt stets etwas kleiner als die Anfangsenergie. Dies ist aber kein Widerspruch zum Erhaltungssatz der mechanischen Energie. Denn nrmalerweise tritt bei mechanischen Vrgängen eine weitere Energie auf, die durch die mechanische Energie nicht erfasst wird. Die Körper verrichten in jedem Fall auch nch Reibungsarbeit; dadurch wird ein Teil der mechanischen Energie in eine Energiefrm umgewandelt, aus der sie nicht in mechanische Energie zurückgewandelt werden kann, sndern als innere Energie an die Körper bzw. an die Umgebung abgegeben wird. 2) VERSUCHSAUFBAU 3) VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Wir bauen den Versuch nach Abbildung auf und befestigen zusätzlich am beren Blzen die halbkreisförmige Winkelscheibe! Die Pendellänge sll etwa cm betragen! Markiere die Lage des Schwerpunkts auf der Mantelfläche des Pendelkörpers! Richte die Lichtschranke s aus, dass für den ruhenden Pendel Schwerpunkt und Lichtstrahl auf einer Höhe liegen! Bestimme die Pendellänge l, den Durchmesser d und die Masse m des Pendelkörpers! Lenke nun den Pendelkörper um den Winkel aus der Ruhelage aus, gib ihn frei und lies am Zeitmesser die Durchlaufzeit t 1 beim Durchgang durch die Lichtschranke ab. Wiederhle die Messung nch viermal t 2, t 3, t 4, t 5. t ergibt sich als Durchschnitt der fünf Messwerte!

2 12 Aus dem Schema zum Versuch lässt sich die Höhe h in Funktin der Amplitude ausdrücken. Leite diese Beziehung her! Leite die Frmel für die berechnung der Geschwindigkeit v des Pendelkörpers beim erstmaligen Schwingen durch die Lichtschranke her! 4) ENERGIEERHALTUNG BEIM FADENPENDEL Da der Pendelkörper vm Start in A bis zum erstmaligen Schwingen durch die Lichtschranke in B nur eine sehr kleine Strecke durchläuft, kann der Einfluss der Reibung vernachlässigt werden. Schreibe den Satz der Erhaltung der mechanischen Energie unter seiner allgemeinen Frm an:... =... Welcher reduzierter Energiesatz ergibt sich für das System? Begründe die vrgenmmenen Vereinfachungen! reduzierter Energiesatz :... =... [1] 4.1 ERGEBNISTABELLE l =... mm d =... mm m =... g h (mm) t 1 (ms) t 2 (ms) t 3 (ms) t 4 (ms) t 5 (ms) t (ms) v (m/s) AUSWERTUNG Welches Schaubild ist zu zeichnen um den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit v und der Höhe h zu bestimmen? Begründe! Zeichne das gefrderte Schaubild auf Millimeterpapier! Welche Prprtinalität [2] ergibt sich zwischen den beiden Größen? Begründe! (Verwende die Schreibweise in der eine der beiden Größen im Quadrat erscheint) Schreibe die Prprtinalität [2] mit Hilfe der Knstanten k an :... =... [3] Welche Einheit ergibt aus Frmel [3] für die Knstante k? Demnach hat die Knstante k die Dimensin (Einheit) einer...! In welchem Schaubild würde die Beziehung [3] eine Nullpunktgerade ergeben?... Zeichne nun auch dieses Schaubild!

3 13 Bestimme aus dem Schaubild den Betrag der Knstanten k! Aus dem Betrag und der Dimensin der Knstanten k lässt sich ihre physikalische Bedeutung herleiten. Es gilt : k =... [4] Setze Frmel [4] in Frmel [3] ein. Es flgt :... =... [5] Wir multiplizieren Frmel [5] beidseitig mit dem Faktr m/2 Endfrmel : und erhalten die 5) BERICHT... =... Schreibe diese Frmel mit Ausdrücken der Energie : Was stellt diese Frmel dar?... = Der Bericht muss flgende Teile beinhalten : Abgabetermin : separates Titelblatt mit Name, Vrname, Klasse, Datum des Praktikums, Titel des Praktikums Versuchsziel (2-3 Sätze maximal) Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Ergebnistabelle(n) Auswertung wie in der Angabe vrgeschrieben (Reihenflge nicht ändern) Schlussflgerung der Kmmentar spätestens am daraufflgenden Mntag um 9h55 beim Lehrer (bei Feiertag, Ferien gilt der nächste Schultag) bei Nichtabgabe des Berichts zum angegebenen Zeitpunkt wird der Bericht zwar verbessert, aber es erflgen flgende Punktabzüge : Abgabe nch am gleichen Tag : 25% Abgabe am daraufflgenden Tag : 50% nch später : 100% bei Abwesenheit durch Krankheit verschiebt sich der Abgabetermin um die Dauer der Abwesenheit Fehlt ein Schüler am Tag des Praktikums, s muss er sich die Resultate bei seinem üblichen Partner besrgen und den Bericht trtzdem schreiben. Ansnsten gelten die benstehenden Regeln!

4 14 ENERGIE BEIM FEDERPENDEL 1) Einführung Bewegt sich ein Körper im Schwerefeld um eine Strecke h vertikal nach unten, s verringert sich dabei seine Lageenergie um den Betrag E POT m g h Ist der Körper an einer Schraubenfeder befestigt, die er wenn er freigegeben wird unter Einwirkung seiner Lageenergie um die Strecke s = h auslenkt, nimmt die Feder Spannenergie E S auf. Bei Vernachlässigung der Reibungsverluste kann man Energieerhaltung vraussetzen, d.h. es gilt E S, B EPOT, A mit Punkt A : Psitin des unteren Hakens der Feder im ungedehnten Zustand Punkt B : Psitin des unteren Hakens der Feder bei Maximalauslenkung Nullpunkt der Lageenergie im Punkt B gewählt In diesem Fall können als schreiben : E S E, m g h da h s S B E S m g s mit E S Spannenergie der Feder m Masse des Körpers s Maximalauslenkung des unteren Hakens der Schraubenfeder 2) Versuchsdurchführung 2.1 Teilversuch A Man hängt die Schraubenfeder an den an der Stativstange befestigten Blzen mit Haken. Zu Beginn ist die Feder unbelastet. Der bere Schieber zeigt auf das untere Ende der Schraubenfeder. Man hängt den Gewichtsteller (m = 10 g) in den unteren Haken der Feder ein und hält ihn s, dass die Feder gerade nch nicht gedehnt wird. Dann gibt man den Gewichtsteller frei und markiert mit dem unteren Schieber die sich ergebende Maximalauslenkung s der Feder. Am Maßstab liest man dann die Strecke s ab, die das Federende zurückgelegt hat. Meistens sind mehrere Versuche nötig um die Maximalauslenkung genau zu bestimmen. Man erhöht nun die Masse des Gewichtstellers um jeweils 10 g bis zu einer Gesamtmasse vn 60 g. 2.2 Teilversuch B Teilversuch B dient zur Bestimmung der Federhärte D der verwendeten Schraubenfeder mittels des Gesetzes vn Hke. Verwende dazu die Anleitung im Ordner!

5 15 3) Auswertung 3.1 Teilversuch A Fertige eine Tabelle <A> an mit flgenden Größen: m, s, E S! Welches Diagramm ist zu zeichnen um den Zusammenhang zwischen Spannergie und Maximalauslenkung zu bestimmen? Zeichne dieses Diagramm! Welche Prprtinalität <A> ergibt sich aus dem Diagramm zwischen Spannenergie und Maximalauslenkung? Schreibe sie unter der Frm E S = k...! Welche Dimensin hat die Prprtinalitätsknstante k in diesem Beispiel? Zeichne auch das Diagramm in dem die Prprtinalität <A> eine Nullpunktgerade ergibt (eventuell Tabelle <A> erweitern) und bestimme aus dem Graphen den Betrag der Prprtinalitätsknstanten k! 3.2 Teilversuch B Fertige eine Tabelle <B> an mit flgenden Größen: m, F und l! Stelle die Messwerte graphisch im Diagramm F = f (l ) dar! Bestimme aus dem Diagramm die Härte der Feder! 3.3 Schlussflgerung Vergleiche die Werte der Prprtinalitätsknstanten k und der Federhärte D! Welche Frmel ergibt sich für die Spannenergie? Schlussflgere! Alle Lösungsschritte sind zu erklären und zu begründen! 4) Bericht Der Bericht umfasst : Versuchsziel Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung (für beide Teilversuche) alle zum Verständnis ntwendigen Frmeln und Erklärungen Auswertung wie ben beschrieben Kmmentar Lehne dich bei der Verfassung des Berichtes und bei der Auswertung an das Praktikum zum Energiesatz beim Fadenpendel an! Abgabetermin : siehe Praktikum zum Energiesatz beim Federpendel

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