VORANSICHT I/B. Mit Bauanleitung! Wir bauen einen Federkraftmesser! Das Hooke sche Gesetz und seine Anwendungen. Der Beitrag im Überblick

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1 26. Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen 1 von 14 Wir bauen einen kraftmesser! Das Hooke sche Gesetz und seine Anwendungen Jost Baum, Wuppertal Die Wucht eines Hammerschlags ( Hau den Lukas ) oder der Tritt gegen einen Ball, der in Richtung Tor befördert wird z. B. diese Kräfte lassen sich mit einem kraftmesser messen. Ein solches Messinstrument fertigen Ihre Schüler an und eichen es. Außerdem zeichnen sie Kraft-Dehnungs-Diagramme. Mit Bauanleitung! Die Einzelteile des kraftmessers J. Baum Der Beitrag im Überblick Klasse: 7/8 Dauer: 3 4 Doppelstunden Ihr Plus: ü eindeutige Erläuterungen ü einfache Versuche ü Wiederholungsblatt und LEK Inhalt: Unterschied Masse/Gewichtskraft Das Hooke sche Gesetz Herstellung eines kraftmessers Experimente

2 26. Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen 3 von 14 Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Erzählen Sie als Einstieg von Sir Isaac Newton ( ) und der Schwerkraft: Überliefert ist, Newton habe zur Mittagszeit unter einem Apfelbaum geruht. Da sei ihm ein Apfel mitten auf den Kopf gefallen. Newton grübelt: Der Apfel fällt zu Boden, weil die Erde ihn anzieht. Etc. Anhand eines Schülerversuchs wird der Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft deutlich. Ihre Schüler füllen dazu einen Lückentext aus. In einem weiteren Versuch (M 2) entdecken sie den Zusammenhang zwischen der Auslenkung der und der dafür benötigten Kraft (Hooke sches Gesetz). Diese proportionale Zuordnung stellen Ihre Schüler in einem Koordinatensystem dar. Im Lehrplan für das Fach Mathematik ist das Thema Proportionale Zuordnung für die Klasse 7/8 vorgesehen. Insofern ergänzen sich die Inhalte der Fächer Physik und Mathematik. Anschließend montieren die Lernenden den Kraftmesser mit den vorbereiteten Materialien (in Partnerarbeit) und eichen ihn (M 3). In Material M 4 führen Ihre Schüler Experimente mit dem kraftmesser durch. Material M 5 dient der Wiederholung und Festigung des Gelernten. Die Lernerfolgskontrolle M 6 bildet den Abschluss. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2, F 4 E 1, E 4, E 8, E 9 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen erkennen den Zusammenhang zwischen Masse, Beschleunigung und Kraft, beschreiben die Funktionsweise eines kraftmessers, wenden die Formeln an, messen Kräfte und stellen die gewonnenen Daten in einem Diagramm dar, Anforderungsbereich K 1, K 2, K 4, K 5, K 6 K 5, K 6... tauschen ihr Wissen beim Bau des Kraftmessers aus und können das Gerät beschreiben, dokumentieren/präsentieren ihre Messergebnisse. I I III I/II II/III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 37. Mediathek Ableseübungen für den Kraftmesser und Übungen zum Thema Masse und Gewichtskraft ( /dwu/depothp/hp-phys/hppme04.htm und /dwu/depothp/hp-phys/hppme05.htm). Hrsg.: Prof. Dr. Lothar Meyer, Dr. Gerd-Dietrich Schmidt, Duden, Basiswissen Ausbildung Physik, Bildungsverlag EINS, 2008, S. 50 f Ein übersichtliches Werk mit Merksätzen, prägnanten Erläuterungen, hilfreichen Bildern.

3 4 von Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 AB, SV Die Masse eines Körpers und seine Gewichtskraft D: 25 min r 1 r 1 kraftmesser r 1 Massenwaage mit Digitalanzeige r Verschiedene Wägestücke M 2 AB, SV Das Hooke sche Gesetz (pro Schülergruppe) V: 5 min D: 10 min r 1 r 1 r 1 r Verschiedene Wägestücke (100 g 400 g) M 3 AB Wir bauen einen kraftmesser! V: 60 min D: 90 min r Verschiedene Wägestücke à 100 g r 2 ineinanderpassende Tablettenröhrchen r 1 Gewindestange r Schrauben und Muttern r Unterlegscheiben r 1 Filzstift r 1 Schraubenfeder r Handbohrer M 4 AB, SV Experimente mit dem kraftmesser D: 45 min r 1 kraftmesser r 1 Schlüssel r 1 mäppchen r 1 Physikbuch r andere kleine Gegenstände M 5 WH Frische dein Wissen zum kraftmesser auf! D: 45 min M 6 LEK Rund um den kraftmesser teste dein Wissen! D: 45 min Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 11. Materialliste: Benötigt werden: 1, 1 Gewindestange (M 3), passende Muttern, Unterlegscheiben (Eisenwarenhandlungen) sowie mehrere Gewichtsstücke und je nach stärke (Physiksammlung) 2 ineinanderpassende Kunststoff-/Metallröhrchen (Tablettenröhrchen oder Ähnliches), erhältlich im Chemieversandhandel, dm-markt oder der Apotheke.

4 26. Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen 5 von 14 M 1 Die Masse eines Körpers und seine Gewichtskraft Jeder Körper mit einer Masse m hat auch eine Gewichtskraft F. Mit Körper meint man in der Physik z. B. ein eiserner Nagel, eine Goldmünze, die Sonne, das Quecksilber in einem Thermometer, die Luft in einem Reifen oder das Treibgas in einer Sprühdose ( Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 25 min Materialien r 1 kraftmesser r 1 r 1 Massenwaage mit Digitalanzeige r Verschiedene Wägestücke Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Hänge verschiedene Gewichte an den kraftmesser. Lege diese Gewichte auch auf die Massenwaage. Was zeigt der kraftmesser an, was die Massenwaage? Versuchsauswertung: Fülle die Lücken aus. Die Masse eines Körpers ist vom kraftmesser Gewicht Massenwaage und seiner Digitalanzeige abhängig. Entsprechend verändert sich die, die in Newton gemessen wird. Die Dichte ρ eines Körpers wird von seinem bestimmt. 1 kg Zucker hat mehr als 1 kg Blei. D. h., die Dichte von Blei ist als die Dichte von Zucker. Jeder Körper unterliegt der g von 9,81 m/s 2. Die F ergibt sich aus der Formel: F = m g. Ein Liter Wasser hat genau die von 1 kg. Diese Masse erfährt eine von 9,81 N. Füge folgende Begriffe in den Text ein: Volumen (2 x), Dichte, Material, Gewichtskraft (3 x), größer, Masse, Erdbeschleunigung.

5 6 von Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen M 2 Das Hooke sche Gesetz Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 10 min Materialien pro Schülergruppe r 1 r 1 r 1 r Verschiedene Wägestücke (100 g 400 g) Versuchsaufbau siehe nebenstehende Skizze Versuchsdurchführung Hänge nacheinander verschiedene Wägestücke (100 g, 200 g, 300 g und 400 g) an die. Miss jeweils die Auslenkung der. Was stellst du fest? Aufgaben 1. Trage in die obige Skizze die folgenden Begriffe ein:,,, Gewicht 3. Erstelle ähnliche Skizzen für die anderen Gewichte. 2. Ergänze die folgende Wertetabelle: Masse [in g] länge [in cm] 3. Zeichne den zugehörigen Graphen. 4. Rechne die Wertetabelle in Newton (kg m/s 2 ) um. Es gilt: F = m g. Beispiel: m = 50 g, g = 9,81 m/s 2 ; F = 0,05 kg 9,81 m/s 2 = 0,4905 N ( 0,5 N) Masse [in g] Gewichtskraft [in N] 5. Erstelle ein Versuchsprotokoll, für das folgende Punkte wichtig sind: Versuchsbeobachtung, Versuchserklärung. Merke Das Hooke sche Gesetz besagt, dass die Kraft, die benötigt wird, um eine auszulenken, proportional zu ihrer Auslenkung s ist: F= D s

6 8 von Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen M 4 Experimente mit dem kraftmesser Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 45 min Materialien pro Schülergruppe r 1 kraftmesser r 1 mäppchen r 1 Schlüssel r 1 Physikbuch r andere kleine Gegenstände Versuchsdurchführung 1. Miss mithilfe deines kraftmessers verschiedene Kräfte. Trage auch die Richtung der Kräfte ein. Gewichtskraft von zwei Schlüsseln: Thinkstock, Fuse Thinkstock, istock Schlüssel Richtung der Kraft: mäppchen Gewichtskraft eines mäppchens: Richtung der Kraft: Gewichtskraft des Physikbuches: Thinkstock, istock Richtung der Kraft: Physikbuch 2. Bestimme die Zugkraft beim Ziehen eines Gegenstands über eine raue Fläche oder beim Öffnen einer Schublade.

7 26. Das Hooke'sche Gesetz und seine Anwendungen 11 von 14 Erläuterungen und Lösungen M 1 Die Masse eines Körpers und seine Gewichtskraft Schülerversuch Mit dem kraftmesser bestimmt man die Gewichtskraft, mit der Massenwaage die Masse der Wägestücke. Lösung Lückentext: Die Masse eines Körpers ist vom Volumen und seiner Dichte abhängig. Entsprechend verändert sich die Gewichtskraft, die in Newton gemessen wird. Die Dichte ρ eines Körpers wird von seinem Material bestimmt. 1 kg Zucker hat mehr Volumen als 1 kg Blei. D. h., die Dichte von Blei ist größer als die Dichte von Zucker. Jeder Körper unterliegt der Erdbeschleunigung g von 9,81 m/s 2. Die Gewichtskraft F ergibt sich aus der Formel: F = m g. Ein Liter Wasser hat genau die Masse von 1 kg. Diese Masse erfährt eine Gewichtskraft von 9,81 N. M 2 Das Hooke sche Gesetz 1. siehe untenstehende Skizzen Gewicht 1 Gewicht 2 Gewicht 3 Gewicht 4 2. Beispiel: Masse [in g] länge [in cm]