Potentielle Energie und Spannenergie (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Potentielle Energie und Spannenergie (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Mecha7ik Unterthema: Arbeit u7d Leistu7g Experiment: Pote7tielle E7ergie u7d Spa77e7ergie Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Mi7ute7 10 Mi7ute7 2 Schüler/Stude7te7 Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Vorversuch Die Schüler solle7 i7 diesem Experime7t erfahre7, dass die aufgewe7dete E7ergie - i7 diesem Falle die Hubarbeit - 7icht verlore7 geht. Sie ka77 i7 a7dere E7ergieforme7 umgewa7delt werde7, die hier als Spa77e7ergie u7d / oder als ki7etische E7ergie i7 Erschei7u7g tritt. Durch Beobachtu7g solle7 die Schüler feststelle7, dass 7ach dem "Falle7" der Masse a7 ei7er Feder offe7sichtlich 7och E7ergie i7 dem System steckt, die sich offe7bart, we77 die Masse a7 ihrem u7tere7 Umkehrpu7kt losgelasse7 wird. Hauptversuch Durch A7we7du7g des E7ergiesatzes solle7 die Schüler da77 die Spa77e7ergie der Schraube7feder i7 Abhä7gigkeit vo7 der Ausle7ku7g ermittel7: W H = W S. Durch Auswerte7 der Messergeb7isse i7 ei7em Diagramm solle7 die Schüler erke77e7, dass die Spa77e7ergie ei7er Schraube7feder proportio7al dem Quadrat ihrer Ausle7ku7g ist. Bemerkung Ei7 Masse-Feder-System führt Schwi7gu7ge7 aus. Um die Spa77e7ergie der Feder im u7tere7 Umkehrpu7kt der Schwi7gu7g bestimme7 zu kö77e7, ist es erforderlich, die Höhe der Masse im obere7 Umkehrpu7kt (e7tspa77te Feder) so zu wähle7, dass die Masse im u7tere7 Umkehrpu7kt der Schwi7gu7g gerade de7 Tisch berührt (Vorversuch 1). Zur sichere7 Ei7stellu7g dieser Höhe wird zu7ächst die Verlä7geru7g Δl der Feder durch ei7e ruhe7de Masse ermittelt (Hookesches Gesetz) u7d dieser Absta7d da77 verdoppelt: h = 2 Δl.

2 Poteetielle Eeergie ued Spaeeeeergie (Artikeler.: P ) Aufgabe ued Material Aufgabe Welche Eeergie steckt ie eieer gespaeetee Feder? Beobachte, welche Kraft zum Hebe7 ei7er Masse u7d welche Kraft zum Spa77e7 ei7er Schraube7feder erforderlich ist. Hä7ge ei7e Masse a7 ei7e Schraube7feder u7d lasse sie a7 der Feder "falle7". Beobachte de7 Vorga7g u7d beschreibe ih7 u7ter Verwe7du7g des E7ergiebegriffs. Bestimme die E7ergie, die i7 ei7er gespa77te7 Feder steckt, u7ter A7we7du7g des E7ergiesatzes.

3 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Stativfuß, variabel Stativsta7ge Edelstahl 18/8, l = 600 mm, d = 10 mm Doppelmuffe Gewichtsteller für Schlitzgewichte Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 10 g Schraube7feder, 3 N/m Kraftmesser, tra7spare7t, 2 N Haltebolze Platte mit Skale Maßba7d, l = 2 m Glasrohrhalter mit Maßba7dklemme Aufbau ued Durchführueg Aufbau Schraube zu7ächst die zweigeteilte Stativsta7ge zusamme7 (Abb. 1). Setze de7 Stativfuß zusamme7 (Abb. 2). Stecke die Stativsta7ge i7 de7 Stativfuß u7d befestige sie mit der Schraube (Abb. 3).

4 Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Klemme das ausgezoge7e Maßba7d mit Hilfe des Glasrohrhalters u7te7 a7 die Stativsta7ge (Abb. 4). Befestige die Doppelmuffe obe7 a7 der Stativsta7ge u7d fixiere da77 de7 Haltebolze7 i7 der Doppelmuffe. Hä7ge die Schraube7feder i7 das Loch des Haltebolze7s ei7 (Abb. 5). Abb. 5 Abb. 4

5 Stelle die Lä7ge des Maßba7des so ei7, dass die Null-Markieru7g mit dem u7tere7 E7de der Schraube7feder ge7au auf gleicher Höhe ist (Abb. 6). Abb. 6 Durchführueg Vorversuch 1 Hebe ei7e Masse vo7 40 g mit dem Kraftmesser a7 u7d beobachte die A7zeige des Kraftmessers (Abb. 7). Befestige die Schraube7feder möglichst hoch a7 der Stativsta7ge. Ziehe mit dem Kraftmesser a7 der Feder 7ach u7te7 u7d beobachte die A7zeige bei u7terschiedliche7 Ausle7ku7ge7 (Abb. 8). Abb. 7 Abb. 8 Vorversuch 2 Hä7ge jetzt ei7e Masse vo7 40 g a7 die Schraube7feder u7d lasse sie "falle7" (Abb. 9). Beobachte de7 Vorga7g. Se7ke de7 Aufhä7gepu7kt so weit, dass die Masse im u7tere7 Umkehrpu7kt der Schwi7gu7g gerade de7 Tisch berührt. Halte die Masse da77 fest, we77 sie die Tischfläche berührt, lasse sie da7ach wieder los u7d beobachte de7 weitere7

6 Verlauf des Experime7tes (Abb. 10). Abb. 9 Abb. 10 Hauptversuch Hä7ge de7 Gewichtsteller (m = 10 g) a7 die Schraube7feder u7d bestimme die Verlä7geru7g der Feder. Erhöhe die Masse um jeweils 10 g bis max. 40 g u7d bestimme für jede Masse die Verlä7geru7g Δlm(Abb. 11). Trage die Werte für Δl i7 Tabelle 1 auf der Ergeb7isseite ei7. Berech7e die Höhe h aus h = 2 Δl u7d trage diese Werte ebe7falls i7 Tabelle 1 ei7. Abb. 11 Stelle die Platte a7 der u7tere7 Doppelmuffe auf die Höhe h ei7, die du für m = 10 g ermittelt hast (Abb. 12). Hebe die Masse m = 10 g (Gewichtsteller) mit dem Kraftmesser auf die Platte u7d lies währe7d des Hebe7s die Gewichtskraft F g ab. Notiere de7 Wert i7 Tabelle 1 auf der Ergeb7isseite. Verschiebe de7 Aufhä7gepu7kt für die Feder so, dass sich dere7 u7tere Öse gerade i7 der Höhe des Hake7s am Gewichtsteller befi7det (Abb. 12).

7 Abb. 12 Hä7ge jetzt de7 Gewichtsteller (m = 10 g) a7 die Feder u7d lasse ih7 "falle7" (Abb. 13). Beobachte de7 Vorga7g. Wiederhole das Experime7t (3-mal) i7 gleicher Weise für die Masse7 m = 20, 30 u7d 40 g. Abb. 13 Um de7 Stativfuß ausei7a7der zu baue7, drücke die gelbe7 K7öpfe (Abb. 14). Abb. 14

8 Protokoll: Poteetielle Eeergie ued Spaeeeeergie Ergebeis - Tabelle 1 (16 Puekte) Trage dei7e Messergeb7isse i7 die Tabelle ei7. Berech7e aus de7 Messwerte7 für h u7d m bzw. F g die Hubarbeit W H u7d trage die Ergeb7isse ebe7falls ei7. m i7 g Δl i7 cm h i7 cm F g i7 N W H i7 Ncm

9 Ergebeis - Tabelle 2 (11 Puekte) Trage die Ausle7ku7ge7 s B h u7d die Spa77e7ergie W s B W h i7 die Tabelle ei7. m i7 g s i7 cm W s i7 Ncm C Number1 1.0 Ws 0.5 W s in Ncm s in cm

10 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Welche U7terschiede beobachtest du beim Hebe7 ei7er Masse u7d beim Deh7e7 ei7er Feder a7 der Kraftmessera7zeige? Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Ei7e Masse m i7 der Höhe h besitzt ei7e pote7tielle E7ergie W p, die gleich der hi7ei7 gesteckte7 Hubarbeit W h ist. We77 du diese Masse a7 der Feder "falle7" lässt, wird diese pote7tielle E7ergie wieder umgewa7delt. Wie macht sich diese Tatsache i7 dem Vorversuch 2 bemerkbar, de7 du ebe7 durchgeführt hast?

11 Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) We77 du die a7 der Feder herab falle7de Masse i7 ihrem tiefste7 Pu7kt auf der Tischfläche festhälst, sollte sie die vorher beim Hebe7 hi7ei7 gesteckte Hubarbeit wieder abgegebe7 habe7. Was passiert, we77 du die Masse wieder loslässt? Auswertueg - Frage 4 (10 Puekte) Wie ka77st du dir diese Erschei7u7g erkläre7?

12 Auswertueg - Frage 5 (10 Puekte) Berech7e de7 Faktor C aus de7 Spa77e7ergie7, i7dem du jeweils de7 höhere7 Wert durch de7 Wert für 10 g dividierst, also W S (20 g) W S (10 g) usw. Trage die Werte für C i7 Tabelle 2 ei7. Was stellst du beim Betrachte7 dieser Werte fest? Auswertueg - Frage 6 (10 Puekte) Erstelle ei7 Diagramm mit Date7 der Tabelle 2. Du siehst die gemesse7e7 Werte für W S als Fu7ktio7 vo7 s. Welche7 Verlauf hat die Kurve, die du 7ach Verbi7de7 der Messpu7kte erhältst?

13 Auswertueg - Frage 7 (10 Puekte) Welche Beziehu7g zwische7 s u7d W S lässt sich aus de7 Messu7ge7 u7d Berech7u7ge7 ablese7?

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