Newton im Propellerschiff

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1 Abgbedtum: Newton im Propellerschiff Stiftlnd-Gymnsium Tirschenreuth Mterilien für den Unterricht Vision-Ing eine Inititive des Seite von 8

2 Abgbedtum: Mteril für den Unterricht Mteril für den Unterricht.... Zusmmenfssung Einleitung Lehrplnbezug Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlgen Erforderliche elektronische Ausstttung: Hrdwre, Softwre Benutzte Mterilien Huptteil Mteril Unterrichtsverluf Experimente Aufgben Prxisbezug / Anwendung Quellen Sonstiges Anlge: Mteril... 7 Vision-Ing eine Inititive des Seite von 8

3 Abgbedtum: Zusmmenfssung Die Aufgbe, die sich ds Vision-Ing-Tem zu Beginn stellte, wr, den komplexen Versuchsufbu zum dritten Newtonschen Gesetz us der. Klsse Physik für die neue 7. Klsse Ntur und Technik entsprechend zu vereinfchen. Und zwr sowohl ws die Messreihen und den Rechenufwnd ngeht, ls uch den Aufbu mit den zusätzlich nötigen Geräten. Ds Tem ht schließlich us einem Fhrzeug der lten Rollenfhrbhn ein propellergetriebenes Schiff ngefertigt. Dort können whlweise einer der beiden Motoren oder beide zusmmen für den Antrieb des Schiffes genutzt werden. D die betrchteten Bewegungen mit konstnten beschleunigenden Kräften blufen, knn die Formel F = m hergeleitet werden, ohne uf eine externe beschleunigende Krft zurückgreifen zu müssen, etw die Hngbtriebskrft oder die Gewichtskrft ls Zugkrft über eine feste Rolle. Die Form des Propellerschiffs wurde gewählt, d im eingeführten Lehrbuch (Ikrus, Physik 7) ein Beispiel mit Schnellbooten mit einem oder zwei Antrieben und unterschiedlichen Mssen für die Erklärung der Schverhlte herngezogen wird.. Einleitung Ds Mteril können lle Schulen nutzen, die eine lte Leybold-Rollenfhrbhn besitzen. Auf Luftkissenfhrzeuge knn ds Antriebsggregt vermutlich jedoch nicht montiert werden (es käme uf den Versuch n). Der Antrieb knn bgenommen werden, so dss die Veränderungen n dem Rollenwgen nicht duerhft sind. (Für die genue Beschreibung des Bus siehe Dokumenttion ). Lehrplnbezug Ds Mteril ist für die siebte Jhrgngsstufe im Fch Ntur und Technik, Schwerpunkt Physik, m neuen chtstufigen Gymnsium in Byern gedcht. Es dient zur Errbeitung des Schverhlts Krft = Msse Beschleunigung unmittelbr nch der Einführung der Beschleunigung und des Krftbegriffs.. Erforderliche Vorkenntnisse / Grundlgen In den Vorstunden wird zunächst die Beschleunigung v = errbeitet und ein einfcher Krftbegriff eingeführt. Die Krft ls Produkt von Msse und Beschleunigung und ds Newton ls bgeleitete Mßeinheit sind Ziel der unten ufgeführten Unterrichtseinheit. Der erste Versuchsteil wird wohl zur Wiederholung der Formel v = genutzt werden, wobei der Einstz eines Tschenrechners sicher sinnvoll ist. t Während in der. Jhrgngsstufe noch uf die Bewegungsgleichung x = 0.5 t², den Prbelbegriff und die sichere Tschenrechnerbedienung beim Qudrieren und Wurzelziehen gebut werden konnte, fehlen diese Vorussetzungen in der 7. Jhrgngsstufe. Dem trägt der Aufbu Rechnung. Weder die Kenntnis, dss die krumme Linie eine Prbel ist, noch der Zusmmenhng zwischen Zeit und Ortskoordinte sind nötig. Der Versuch misst usschließlich Momentn -Geschwindigkeiten, Zeitdifferenzen und direkt die uftretenden Beschleunigungen. Der Strtort (solnge er vor der ersten Lichtschrnke liegt) und die Strtgeschwindigkeit (leichte Vorwärtsoder sogr Rückwärtsfhrt) beeinträchtigen die Messungen nicht, ebensowenig muss die genue Position der Lichtschrnken oder deren Abstnd beknnt sein. t Vision-Ing eine Inititive des Seite 3 von 8

4 Abgbedtum: Erforderliche elektronische Ausstttung: Hrdwre, Softwre Es wird keine weitere Hrd- oder Softwre benötigt, um die Versuche durchzuführen..4 Benutzte Mterilien Für die Versuche wurden verwendet: Zwei Lichtschrnken (Leybold ) Digitles Zählgerät (Leybold ) Rollenfhrbhn mit Wgen (Leybold ) Zwei Mignon-Btterien Ds von uns ngefertigte Antriebsggregt (Näheres siehe Bu in der Dokumenttion ) Vision-Ing eine Inititive des Seite 4 von 8

5 Abgbedtum: Huptteil 3. Mteril Es wurde eine Unterrichtsstunde (siehe 3..) für die siebte Jhrgngsstufe errbeitet und die erforderlichen Messungen durchgeführt. Messreihe : t in s v A in m/s v B in m/s in m/s² Motor,6 0,93 0,93 0,046 Motor,874 0,5 0,34 0,06 beide Motoren,475 0,8 0,437 0,06 Messreihe : m in kg in m/s² m in mn Versuch 0,75 0,085 63,8 Versuch,5 0,05 65,0 Versuch 3,50 0,043 64,5 3. Unterrichtsverluf Nch Vermittlung der für ds Verständnis der Experimente wichtigen Vorkenntnisse werden die Versuche zur Beschleunigung (siehe 3.3 Experimente) durchgeführt. Aus Versuch erhält mn: Motor bewirkt mit seiner Krft F die Beschleunigung Motor bewirkt mit seiner Krft F die Beschleunigung Beide Motoren miteinnder bewirken mit der Krft > und F F > folgert mn: F gesmt die Beschleunigung gesmt Wegen =>Je größer die beschleunigende Krft, desto größer die Beschleunigung. Bei genuerer Untersuchung der Messergebnisse erkennt mn: + F + F = = F gesmt gesmt Drus lässt dich schließen, dss die Krft F und die Beschleunigung zueinnder proportionl sein müssen: F ~ Durch Auswertung der Messdten us Versuch ergibt sich folgender Zusmmenhng: m < > m Je größer die Msse desto geringer die Beschleunigung Wenn mn die Messdten präziser vergleicht, erkennt mn: m = m = Vision-Ing eine Inititive des Seite 5 von 8

6 Abgbedtum: Eine Verdopplung der Msse ht bei gleichbleibender, beschleunigender Krft ht eine Hlbierung der Beschleunigung zufolge. Verknüpft mn die Erkenntnisse der beiden Versuche, kommt mn uf die Formel F = m 3.3 Experimente Versuch : Herleitung von ~ F In diesem Versuch soll den Schülern die Proportionlität zwischen Beschleunigung und Krft nschulich gemcht werden. (Versuchsufbu siehe 7. Anlge). t, die der Wgen brucht, um von Lichtschrnke A zu Der Digitlzähler misst zum einen die Zeit Lichtschrnke B zu kommen. Zum nderen werden n beiden Lichtschrnken die Momentngeschwindigkeiten v und v B des Wgens bestimmt. Á Mn strtet den Wgen n einem beliebigen Punkt vor der Lichtschrnke A. Dbei schltet mn zuerst nur Motor, dnn nur Motor und zum Schluss beide Motoren n. Die Schüler können us v = mit v = v B v A berechnen. Die errechneten Werte werden t dnn mit den vom Digitlzähler direkt usgegeben verglichen. Versuch : Herleitung von ~ m Bei diesem Versuch hält mn die Antriebskrft konstnt und verändert nur die Msse des Wgens. Im ersten Teil des Versuchs wird mit der Msse des Gefährts llein gestrtet. Im zweiten Teil verdoppelt mn die Msse durch Auflden der 500-g- und der 50-g-Scheibe. Aus den Messdten lässt sich dnn wieder die jeweilige Beschleunigung errechnen bzw. direkt m Messgerät blesen. 3.4 Aufgben Weitere Aufgbenstellungen für die Schüler können wie folgt ussehen:. ) Mit welchen Kräften F, F treiben die Motoren M, M ds Boot n? b) Welche Krft üben beide Motoren miteinnder us?. ) Welche Beschleunigung erfährt ein Boot der Msse 000 g, wenn beide Motoren lufen? b) Welche Geschwindigkeit v ht ds Boot nch s, wenn es us dem Stnd beschleunigt wird? c) Welche Geschwindigkeit ht es 5s später? Die Ergebnisse können nschließend nhnd des Versuchufbus nschulich überprüft werden. Vision-Ing eine Inititive des Seite 6 von 8

7 Abgbedtum: Prxisbezug / Anwendung Die Arbeit zielt weniger uf eine direkte Anwendung im prktischen oder industriellen Bereich; vielmehr sollen mithilfe des Aufbus Unterstufenschüler nschulich n die fundmentlen Begriffe der Krft und der Beschleunigung herngeführt werden. Mit dieser Versuchsnordnung wird eine Unterrichtsstunde in der siebten Klsse im Fch Ntur und Technik/Physik gestltet (siehe 3.). 5. Quellen 5.. Verwendete Computer-Softwre: - Microsoft Word - Microsoft Excel - Microsoft Powerpoint - OpenOffice.org.0 - Hmmer Editor 5.. Litertur: - Ikrus Ntur und Technik, Schwerpunkt: Physik 7, Oldenbourg Verlg, München Hmmer, Knuth, Kühnel: Physik, Oldenbourg Verlg, München Netzwerk Physik 7, Ausgbe Byern, Schroedel Verlg, Brunschweig Ntur und Technik, Schwerpunkt Physik, Byern 7 Gymnsium; Duden Petec Schulbuchverlg C.C.Buchner, Bmberg Ntur und Technik Physik 7, Gymnsium Byern, Cornelsen Verlg, Berlin Impulse Ntur+Technik 7, Schwerpunkt Physik, Ernst Klett Verlg, Stuttgrt Sonstiges 7. Anlge: Mteril Bezugsquelle für ds Antriebsggregt: Trudl Riess KG, St.-Georgen-Strße 6, Bindlch Bimetllregler (Bustz inklusive Propeller und Elektromotoren mit Hlterungen) Btterieksten 3 Minikippschlter Die Unterrichtsstunde knn unter 3. nchgelesen werden. Vision-Ing eine Inititive des Seite 7 von 8

8 Abgbedtum: Bilder des Aufbus: Vision-Ing eine Inititive des Seite 8 von 8