Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung mit dem Timer 2-1

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung mit dem Timer 2- Lehrerinformationen Einführung Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit Empfohlene Gruppengröße {complexity:3} mittel {time:} 0 Minuten {time:2} 20 Minuten 2 Zusätzlich wird benötigt: --- Versuchsvarianten: Schülerversuch klassisch: Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung (P003800) Schülerversuch Messwerterfassung: Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung mit Cobra4 (P003862) Schlüsselworte Momentangeschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit, Weg-Zeit-Diagramm, Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, Geschwindigkeitsmessung Anwendung Die gleichförmig geradlinige Bewegung begegnet uns im Alltag eher selten. Als Beispiel kann ein auf einer geraden Strecke fahrender Zug mit konstanter Geschwindigkeit genannt werden. ICE 3 im Oberheider Wald (Foto: Sebastian Terfloth) Versuchsaufbau Lernziel Die Schüler sollen in diesem Versuch die Bewegungsgesetze der gleichförmig geradlinigen Bewegung genauer kennenlernen. Insbesondere sollen die Schüler im Umgang mit den Darstellungen der Gesetze in Form von Diagrammen sicherer werden. Die Schüler sollen lernen, aus dem Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm die Beschleunigung abzulesen. Aufgaben. Im ersten Teil des Versuches lassen die Schüler den Messwagen mit Antrieb bei niedrigster Geschwindigkeit über die Fahrbahn fahren. Dabei messen die beiden Lichtschranken am Rand der Fahrbahn zunächst die Zeit, die der Wagen zum Zurücklegen der Strecke zwischen diesen benötigt. Der Abstand zwischen den Lichtschranken wird variiert. Dann wird der Messmodus umgeschaltet und die Schüler messen mit der hinteren Schranke die Momentangeschwindigkeit. Es wird wieder die Position variiert. 2. Analog zu. wird nun mit mittlerer Geschwindigkeitseinstellung am batteriebetriebenen Messwagen verfahren. 3. Die Schüler errechnen jeweils die Durchschnitts- bzw. Momentangeschwindigkeit (aus der Länge der Abschattblende) des Wagens in Abhängigkeit vom Ort. 4. Die Schüler erkennen anhand der sich aus den Messwerttabellen ergebenen Diagrammen, dass eine gleichförmige Bewegung vorliegt. Robert-Bosch-Breite Göttingen Tel: Fax: info@phywe.de

2 Lehrer-/Dozentenblatt Vorwissen Die Schüler sollten die Differenzierung in Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit kennen und diese aus gegebenem Weg und bekannter Zeit berechnen können. Außerdem sind erste experimentelle Erfahrungen im Umgang mit dem Timer 2- hilfreich. Prinzip Der Messwagen mit Antrieb fährt innerhalb einer Messreihe mit konstanter Geschwindigkeit über die Fahrbahn. Entsprechend werden immer die gleichen Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeiten aus den Messwerten berechnet. Hinweis Die Geschwindigkeit des batteriebetriebenen Messwagens ist recht stark vom Ladezustand der Batterien/Akkus des Messwagens abhängig. Um die von PHYWE getesteten Fahrzeiten reproduzieren zu können, ist es wichtig, auf eine gute Stromversorgung des Messwagens zu achten. Material Position Material Bestellnr. Menge Timer Fahrbahn, l = 900 mm Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, gelb Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, rot Messwagen mit Antrieb Abschattblende für Messwagen mit Antrieb Gabellichtschranke compact Adapterplatte für Gabellichtschranke compact Sicherheitshinweise Für diesen Versuch gelten die allgemeinen Hinweise zum sicheren Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht.

3 Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung mit dem Timer 2- Einführung Anwendung und Aufgabe Welchen Gesetzen gehorcht eine geradlinig gleichförmige Bewegung? Einführung Wie kann man die Bewegung eines Fahrzeuges in einer übersichtlichen grafischen Form darstellen, so wie Du es vielleicht von Bildern aus dem Sportteil einer Zeitung kennst? Und was kann man aus solchen Grafiken alles ablesen? Anwendung Die gleichförmige geradlinige Bewegung ist zwar nicht der allgemeine Fall einer Bewegung, aber dennoch gibt es einige Beispiele aus dem Alltag. Wir beobachten sie unter anderem im Eisenbahnverkehr, bei Rolltreppen und Förderbändern. ICE 3 im Oberhaider Wald (Foto: Sebastian Terfloth) Aufgaben. Schalte die Fahrgeschwindigkeit des Messwagens mit Antrieb auf die niedrigste Stufe und lasse ihn über die Fahrbahn rollen. Miss dabei zunächst die Zeiten, die der Wagen zum Zurücklegen der Strecken zwischen den beiden Lichtschranken benötigt. Miss danach die Abschattzeiten der hinteren Lichtschranke. 2. Stelle den Geschwindigkeitsregler auf die mittlere Position und gehe genauso wie in der ersten Aufgabe vor! 3. Berechne aus den gefundenen Zeiten jeweils die Durchschnitts- bzw. Momentangeschwindigkeiten des Wagens! Versuchsaufbau Robert-Bosch-Breite Göttingen Tel: Fax: info@phywe.de

4 Material Position Material Bestellnr. Menge Timer Fahrbahn, l = 900 mm Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, gelb Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, rot Messwagen mit Antrieb Abschattblende für Messwagen mit Antrieb Gabellichtschranke compact Adapterplatte für Gabellichtschranke compact

5 Aufbau und Durchführung Aufbau Befestige die Abschattblende am Messwagen und stelle diesen an ein Ende auf der Fahrbahn (Abb. ). Abb. Verbinde die Gabellichtschranken so mit den Adapterplatten, dass sich die Lichtschranken gut entlang der Fahrbahn aufstellen lassen und die Abschattblende des Messwagens ohne anzustoßen hindurchfahren kann (Abb. 2). Abb. 2 Verbinde beide Lichtschranken mit dem Zeitmessgerät (Abb. 3) und stelle am Zeitmessgerät den Schiebeschalter über dem Feld mit der Bezeichnung "Start" in die rechte Position ( ) Abb. 3

6 Stelle die Starter-Lichtschranke (die Lichtschranke mit den drei farbigen Kabeln) auf die 20-cm-Marke der Fahrbahn und positioniere die Stopp-Lichtschranke auf der 30-cm-Marke, sodass 0 cm Wegstrecke zwischen beiden Lichtschranken liegt (Abb. 4). Abb. 4 Stelle den Drehschalter am Zeitmessgerät auf die Position " ", die dritte Position von links. Dann zeigt das Gerät die Zeit an, die zwischen dem Unterbrechen der ersten und der zweiten Lichtschranke verstrichen ist. In diesem Versuch ist das die Zeit, die der Wagen zum Durchfahren der Wegstrecke s zwischen den beiden Lichtschranken benötigt hat. Drücke vor jeder Messung die "Reset"-Taste am Zeitmessgerät. Durchführung. Versuchsteil: Niedrige Geschwindigkeit a) Fahrzeit zwischen den Lichtschranken Stelle am Wagen den Geschwindigkeitsschieberegler auf die niedrigste Geschwindigkeit (Abb. 5). Abb. 5 Starte nun den Wagen mit dem Fahrtrichtungsschalter in die gewünschte Richtung (Abb. 6). Notiere den Messwert im Protokoll in Tabelle!

7 Abb. 6 Wiederhole die Messung für Positionen der Stopp-Lichtschranke von 40 cm, 50 cm, 60 cm und 70 cm (also relative Abstände zur Start-Lichtschranke von 20 cm, 30 cm, 40 cm und 50 cm). Die Start-Lichtschranke bleibt während des gesamten Versuches auf der 20-cm-Marke. b) Abschattzeit der Stopp-Lichtschranke Stelle den Drehschalter auf die Position " ", die zweite Position von links. Dan zeigt das Gerät die Abschattzeit an. Das ist die Zeitdauer, in der eine Lichtschranke z.b. durch eine Blende unterbrochen ist. Lasse den Wagen mit unveränderter Geschwindigkeitseinstellung fahren, drücke die "Reset"-Taste, bevor der Wagen die zweite Lichtschranke erreicht und notiere die Abschattzeit Δ t, welche die Blende mit der Breite Δ s= 0 cm zum Passieren der zweiten Lichtschranke braucht (Abb. 7). Abb. 7 Starte die Messung erneut durch Drücken der Bestätigungstaste und miss die Abschattzeiten für Positionen der Stopp- Lichtschranke wie in Teilversuch. a). Trage die Werte in Tabelle 2 ein! 2. Versuchsteil: Mittlere Geschwindigkeit Stelle den Geschwindigkeits-Schieberegler am batteriebetriebenen Messwagen auf die mittlere Einstellung. Gehe sonst genauso vor wie im. Versuchsteil, sodass Du wieder a) Fahrzeit zwischen den Lichtschranken(in Tabelle 3 notieren) und b) Abschattzeit der Stopp-Lichtschranke(in Tabelle 4 notieren) für die jeweiligen Lichtschranken-Positionen misst. Runde alle Zeitmesswerte auf zwei gültige Stellen, das heißt auf eine Nachkommastelle bei Zeiten größer als eine Sekunde und zwei Nachkommastellen bei Zeiten kleiner als eine Sekunde. Vergiss nicht, am Timer 2- die jeweils passende Einstellung zu wählen!

8 Protokoll: Bewegungsgesetze der geradlinig gleichförmigen Bewegung mit dem Timer 2-

9 Ergebnis - Tabelle Trage für die niedrige und die mittlere Geschwindigkeit die Messwerte für t (Zeit, die der Wagen benötigt für das zurücklegen der Strecke s) und die Abschattzeit Δt in die entsprechenden Spalten ein. Als Messstrecke ist hier die wirkliche Fahrstrecke aufgeführt und nicht etwa die absolute Position der Stopp-Lichtschranke an der Fahrbahn. Berechne aus den Wegstrecken s und den Zeiten t die Durchschnittsgeschwindigkeiten v d =s/t. Berechne anschließend mit der Breite der Abschattblende Δs=0 cm die sich ergebenden Momentangeschwindigkeiten v m =Δs/Δt. s in cm t in s (langsam) Δt in s (langsam) v d in cm/s (langsam) v m in cm/s (langsam) 0 ±.5 ±.5 20 ±0.4 ±.5 ±.5 30 ±0.6 ±.5 ±.5 40 ±0.8 ±.5 ±.5 50 ± ±.5 ±.5 Number.0 60 niedrige Geschwindigkeit v m in cm/s (o) s in cm t in s

10 Auswertung - Frage Welche Kurvenformen ergeben sich im Weg-Zeit-Diagramm und welche im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm? Beschreibe die Verläufe! Auswertung - Frage 2 Betrachte das Weg-Zeit-Diagramm und markiere die richtigen Aussagen! Die Steigung gibt die Geschwindigkeit des Messwagens wieder. Die Steigung gibt die Beschleunigung des Messwagens wieder. Je flacher die Gerade, desto schneller der Wagen. Die Linien enden bei der gleichen Zeit t. Die Linien enden bei der gleichen Strecke s.

11 Auswertung - Frage 3 Skizziere, wie Du nur anhand des Weg-Zeit-Diagramms aus einer vorgegebenen Fahrzeit t die Strecke s bestimmst, die der Wagen zu dieser Zeit zurückgelegt hat! Markiere dazu mit Pfeilen, wie Du vorgehst! Auswertung - Frage 4 Markiere die richtigen Aussagen! Da die Geschwindigkeitsverläufe im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm die Steigung Null haben, handelt es sich um eine gleichförmige Bewegung. Da die Geschwindigkeit zeitunabhängig ist, handelt es sich um eine gleichförmige Bewegung. Die Durchschnittsgeschwindigkeiten stimmen gut mit den Momentangeschwindigkeiten überein. Die Momentangeschwindigkeiten sind stark verschieden zu den Durchschnittsgeschwindigkeiten. Die leichten Knicke im Weg-Zeit-Diagramm und im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm sind auf Messfehler zurückzuführen. Je flacher der Verlauf im Weg-Zeit-Diagramm, desto höher der Verlauf der Geschwindigkeit im Geschwindigkeits-Zeit- Diagramm.