Praktikum Klasse 9. Einführung in das Praktikum:

Transkript

1 Einführung in das Praktikum: Anliegen Erwerb von Kompetenzen im Planen, Durchführen und Auswerten physikalischer Experimente,... Ablauf gesamt Einführung Versuch 1 / Geneigte Ebene Versuch 2/ Freier Fall Versuch 3 / Black-Box Zeit je Exp. ca. 45 min, Partnerarbeit, ein Protokoll pro Gruppe Protokolle werden bewertet Ablauf pro Experiment Aufbau des Protokolls Protokoll vorbereiten, Vorbetrachtungen lösen relevanten Stoff wiederholen (sicheres Beherrschen von phys. Größen) Abgabe des Protokolls jeweils nach dem Experiment bzw. zum angegebenen Termin Kopf Aufgabe Vorbetrachtung Durchführung Auswertung Fehlerbetrachtung Gruppe, Datum, Thema, Punktzahl Lt. Text einzelne Aufgaben nur lösen, Formulierung beachten, Messwerttabellen selbständig erstellen, Formulierung des Ergebnisses, Diagramme (auf mm-papier) siehe Hinweisblatt, Unterteilung in... Bewertung Angemessene Punktzahl pro Experiment Bewertung während des Experimentierprozesses prakt. Arbeiten (selbständiges Arbeiten, Umgang mit AM, Disziplin...) Bewertung der Protokolle (Exaktheit der Messungen, Auswertungen und Darstellungen, sprachliche und orthografische Richtigkeit, äußere Form) ergibt zusammen: eine Note mit KA-Wertigkeit Belehrungen Fachraumordnung Abnahme und Inbetriebnahme von Versuchsanordnungen Verhalten in Gefahrensituationen Umgang mit defekten Geräten und Materialien

2 Grundlagen der Fehlerbetrachtung a) Fehlerarten Eine Fehlerbetrachtung hat die Aufgabe, Ungenauigkeiten in der Messwerterfassung zu berücksichtigen und die Zuverlässigkeit der Messergebnisse zu beurteilen. Bei physikalischen Experimenten unterscheiden wir drei wesentliche Fehlerkategorien: Systematische Fehler Zufällige Fehler Grobe Fehler sind durch die Messbedingungen vorgegeben und treten bei gleichen Bedingungen stets mit gleichem Betrag auf, sind also wiederholbar ungenaues Messen durch abweichende Schülerlineale analoges Ampere- /Voltmeter mit einer Ungenauigkeit von etwa 5% vom Skalenendwert, digitale Ampere-/Voltmeter mit einer Ungenauigkeit von etwa 1% ungenaue Massestücke Wärmeverlust bei kalorischen Messungen Systematische Fehler sind oft nur abschätzbar, oft auch kleiner als zufällige Fehler. b) Absoluter und relativer Fehler Absoluter Fehler entstehen durch sich verändernde Bedingungen beim Experimentieren oder durch subjektive Unterschiede beim Beobachten ungenaue Zeitmessung durch subjektives Start/Stopp-Signal Ableseungenauigkeiten, z.b. schräges Ablesen Zufällige Fehler können durch mehrfache Wiederholung der Messung und Mittelwertbildung ausgeglichen werden grobe Fehler sind Gerätefehler oder persönliche Irrtümer defekte Geräte fehlerhafter Aufbau falsches Ablesen Experimentierbedingung nicht eingehalten Grobe Fehler werden abgestellt und gehören nicht in eine Fehlerbetrachtung. Relativer Fehler Der absolute Fehler entspricht der Differenz zum Der relative Fehler gibt die prozentuale theoretischen Wert oder den Schwankungen Abweichung des Messwertes an. innerhalb einer Messreihe. Er besitzt die Einheit der Es gilt: untersuchten physikalischen Größe. δ x= Δ x 100 % Es gilt: x Δ x= x x theoretisch gemessen oder oder Δ x=x theroretisch x gemessen δ x= Δ x 100 % x gemessen Wird eine Fallbeschleunigung mit g = 9,62 m Aus dem linken Beispiel ergibt sich : s² bestimmt, so rechnet man: Δ g=g theroretisch g gemessen =9,81 m s ² 9,62 m s ²=0,19 m s ² δ g= Δ g 0,19 m s² 100 % = g theoretisch 9,81 m 100%=1,9% s²

3 Versuch 1: Untersuchung an der geneigten Ebene Überprüfe, ob eine Kugel, die eine geneigte Ebene hinab rollt, sich gleichmäßig beschleunigt bewegt. Bestimme experimentell die Beschleunigung der Kugel. a) In einer Messreihe wurden von der Bewegung eines Körpers zurückgelegte Wege und dafür benötigte Zeiten erfasst. Erläutere, wie du mittels grafischer und rechnerischer Zusammenhänge untersuchen kannst, ob es sich um eine gleichmäßig beschleunigte oder um eine eine gleichförmige Bewegung handelt. b) Gib eine Gleichung an, mit der du die Beschleunigung einer Kugel aus dem Weg und der gemessenen Zeit berechnen kannst. c) Eine Kugel rollt aus der Ruhe eine geneigte Ebene vom Punkt A nach B 2,25 Meter hinab. Dafür benötigt sie eine Zeit von 1,5 Sekunden. Anschließend setzt die Kugel auf waagerechter Strecke die Bewegung reibungsfrei fort. Berechne die Beschleunigung der Kugel. Berechne die Geschwindigkeit der Kugel im Punkt B. Gib das Ergebnis auch in km/h an. Gib die Geschwindigkeit 20 cm nach dem Punkt B an. a) Baue die Experimentieranordnung mit günstiger Neigung auf! Kennzeichne auf der Ablaufschiene 4 verschieden lange Strecken. Erfasse Wege und Zeiten in einer Tabelle. Miss für jede Strecke 5mal die Ablaufzeit. Berechne und notiere den Mittelwert der Zeit t. b) Wiederhole den Versuch für eine zweite Neigung. Erfasse die Messwerte wieder tabellarisch. a) Werte deine Messreihen aus. Zeichne für die Bewegung der Kugel das s(t)-diagramm. Stelle eine Vermutung über den vorliegenden Zusammenhang von s und t auf und überprüfe diese mit einer geeigneten Methode. Bestimme die Beschleunigung der Kugel. Notiere Deinen Lösungsweg nachvollziehbar. Ermittle die Geschwindigkeit der Kugel am Ende der Beschleunigungsstrecke. Zeichne das v(t)- Diagramm. b) Wiederhole die Auswertungsaufgaben für die zweite Neigung. Trage die neuen Graphen in die bestehenden Diagramme ein. c) Vergleiche die Ergebnisse für Beschleunigung und Geschwindigkeit der beiden Neigungen. d) Nenne zufällige und systematische Fehler, die beim Messen der Strecken und der Zeiten eingetreten sein können. Wie beeinflussen diese die experimentellen Ergebnisse?

4 Versuch 2: Untersuchung fallender Körper Untersuche für 2 geeignete Körper die Fallbewegung mittels Sensor CBR 2. Entwickle eine sinnvolle Näherung für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Zeit. a) Gib für den Freien Fall und eine geradlinig gleichförmige Bewegung die Weg(Zeit)- Gesetze und die Geschwindigkeit(Zeit)-Gesetze an. Zeichne die zugehörigen Diagramme. b) Definiere den Begriff Freier Fall. c) Ein fallender Regentropfen besitzt bei ausreichend langer Fallstrecke eine Endgeschwindigkeit von etwa 8 m s. Begründe dies unter Berücksichtigung der wirkenden Kräfte. a) Untersuche das Fallen einer Stahlkugel. Montiere dazu den Sensor ausreichend hoch. Teste, ob der Sensor ohne Fallkörper den Abstand zum Boden erfasst. Richte die Erfassung ein: Messzeit: 2 Sekunden; Intervall:0,05 Sekunden Halte für die Ausgangsposition des fallenden Körpers einen Abstand zum Sensor von mindestens 0,15m ein. Starte die Erfassung, führe diese mehrfach durch, wähle den besten Durchgang für die Dokumentation der Messwerte aus. b) Untersuche das Fallen eines Papierkegels Bereite aus einem A4-Papier einen Papierkegel vor, indem du die Mantellinie maximal gestaltest und aus dem Kreis einen Winkel von etwa 70 ausschneidest. Gehe wie unter a) vor. a) Werte den Fall der Kugel aus. Reduziere durch Umbenennen der Variablen am GTR und Löschen aller nicht relevanten Zeilen und Spalten die Messwerte auf die Fallbewegung. Bestimme durch ein geeignetes Verfahren die Fallbeschleunigung für die Kugel. Zeichne das s(t)- Diagramm für die Fallbewegung, schlussfolgere näherungsweise auf die Funktion v(t). Vergleiche mit der theoretischen Fallbeschleunigung, betrachte den relativen Fehler. b) Werte den Fall des Kegels aus. Reduziere das s(t)-diagramm auf die Fallbewegung. Bestimme einen Näherungswert für die Fallgeschwindigkeit des Kegels. Gib eine Funktion v(t) an. c) Welche Fehlerquelle besitzt eine besonderen Einfluss auf die Genauigkeit des Experiments? Handelt es sich um einen zufälligen oder einen systematischen Fehler?

5 Versuch 3: Elektrische Bauelemente in einer Black Box Ermittle für vier elektrische Black-Box-Elemente deren Inhalt durch Analyse der I(U)-Kennlinien. Eine Black-Box beinhaltet ein elektrisches Bauelement, welches durch Messen elektrischer Größen identifiziert werden kann. a) Skizziere die I(U)-Kennlinien der aus dem Unterricht bekannten Bauelemente. b) Entwickle eine Schaltzeichnung zur Aufnahme einer I(U)-Kennlinie mit Gleichspannung U = 6V an einer regelbaren Spannungsquelle. c) Formuliere das allgemeine Modell der Elektronenleitung. a) Bereite für alle Bauelemente geeignete Wertetabellen vor. b) Nimm die Messwerterfassung vor. a) Stelle die Messwerte im Diagramm dar. b) Ordne den Boxen die vermuteten Bauelemente zu. c) Stelle für die Bauelemente das Verhalten des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Spannung grafisch dar. Begründe die entstandenen Graphen. d) Bestimme für den Fall eines linearen I(U)-Zusammenhangs den Quotienten anhand eines geeigneten Wertepaares. Berechne eine untere und eine obere Grenze für diesen Quotienten unter der Annahme, dass die Messwerte U und I um einen systematischen Fehler von 5% (analoges Messgerät) oder 1% (digitales Messgerät) vom tatsächlichen Wert abweichen. e) Benenne den nach deiner Auffassung bedeutsamsten Fehler und ordne diesen der Fehlerkategorie zu.