Basisexperiment: Bestimmung des Haft- und Gleitreibungskoeffizienten

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1 Lehrerversion Basiseperiment: Bestimmung des Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Lehrplanbezug: Reibungskraft, Gewichtskraft Ziel: Eperimentelle Bestimmung des Gleit- und Haftreibungskoeffizienten Voraussetzungen: a) Definition von Haft und Gleitreibung b) Kenntnis der Gesetze der beschleunigten Bewegung, der Newton schen Gesetze und des Gewichts einer Masse c) Computer mit Internetanbindung für die Simulationen Ziel: Eperimentelle Bestimmung des Gleit- und Haftreibungskoeffizienten mit Hilfe einer schiefen Ebene oder einer Federwaage bzw. einer Simulation. ien: Ebene Platte (z.b. Glasplatte) Winkelmesser oder Maßstäbe Federwaage, Taschenrechner Unterschiedliche Gegenstände mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Simulationen:

2 Aufgabe - Variante 1: Bestimme die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten aus dem Winkel der geneigten Ebene die Größe des Simulationen: ( ) Durchführung und Ergebnis: Bedienung der Simulation: 1. Wählen Sie die paarung mit den Pfeiltasten aus 2. Klicken Sie auf die grünen Taster um die Simulation zu starten 3. Wählen Sie Neigung voreinstellen 4. Geben Sie die für das Eperiment gewünschten Neigungswinkel nummerisch ein 5. Aus den angezeigten Ergebnissen des Eperimentes lassen sich die gesuchten Reibungskoeffizienten berechnen a) Haftreibung: Der Gegenstand wird auf die schiefe Ebene gelegt. Der Winkel der Ebene wird langsam erhöht bis der Gegenstand gerade zu rutschen beginnt. Aus dem Grenzwinkel α, ab dem der Gegenstand zu rutschen beginnt, wird der Haftreibungskoeffizient aus µ h = tan(α) berechnet. Der Grenzwinkel α wird aus der Simulation verwendet bzw. beim Eperiment direkt gemessen oder aus dem zugrunde liegenden rechtwinkeligen Dreieck berechnet. b) Gleitreibung: Der Gleitreibungskoeffizient µ g lässt sich aus den Simulationsdaten (s. Bild rechts) direkt berechnen: µ g = [ sin(α) - a/g ] / cos(α) Im Falle eines realen Eperimentes wird die Beschleunigung a auf der schiefen Ebene aus Rutschzeit und Rutschstrecke berechnet und α gemessen.

3 Aufgabe - Variante 2: Bestimme die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten mit Hilfe einer Federwaage. Durchführung und Ergebnis: a) Haftreibung: Reales Eperiment: Der Gegenstand wird auf eine horizontale Platte gelegt und an der Federwaage befestigt. Die Federkraft auf den Körper wird solange langsam erhöht, bis der Körper zu rutschen beginnt. Aus der maimalen Federkraft, ab der der Gegenstand zu rutschen beginnt, und dem Gewicht (= Normalkraft N) des Körpers wird der Gleitreibungskoeffizient µ h = F/N berechnet. Virtuelles Eperiment - Bedienung der Simulation: 1. Stellen Sie die Parameter auf die gewünschte Größe ein. 2. Vergrößern Sie in kleinen Schritten die auf den Körper ausgeübte Kraft solange, bis der Körper gerade zu rutschen beginnt. Mit GO wird der Wert übernommen. 3. Aus der Normalkraft und der ausgeübten Kraft lässt sich µ h berechnen. b) Gleitreibung: Reales Eperiment: Der Gegenstand wird an der Federwaage befestigt und mit möglichst konstanter Geschwindigkeit über die horizontale Platte gezogen. Aus der Federkraft und dem Gewicht (=Normalkraft N) des Körpers wird der Gleitreibungskoeffizient µ g = F/N berechnet. Virtuelles Eperiment - Bedienung der Simulation: 1. Stellen Sie die auf den Körper ausgeübte Kraft auf einen Wert ein, der größer ist als der Maimalwert der Haftreibungskraft. 2. Der Körper beginnt sich beschleunigt zu bewegen. 3. Pausieren Sie die Simulation und zeigen Sie das Diagramm Graph Applied Forces an, indem Sie die entsprechende Schaltfläche drücken. Aus dem Diagramm entnehmen Sie die Gleitreibungskraft und berechnen daraus µ g

4 Ergebnis und Interpretation: Der Gleitreibungskoeffizient ist kleiner als der Haftreibungskoeffizient Anwendungen: Bremsen eines KFZ, ABS, ESP Vermittelte Grundkompetenzen aus diesem Basiseperiment Fachwissen Eperimentelle Fertigkeiten Interpretationsfähigkeit Kennen der Begriffe Haft- und Gleitreibung Formelmäßige Darstellung der Reibungskräfte Messen von Kräften mit der Federwaage Ablesen von Messwerten: Federkraft, Winkel, Katheten des Dreiecks Durchführung des Eperimentes nach Anleitung Bedienung der Simulationssoftware; Ablesen der relevanten Messgrößen Erkennen des Unterschieds der Größe der Reibungskräfte bei den Versuchsvarianten 1 und 2 Zuordnung zur Handlungskompetenz Basis Ep. G E Erfassung Beobachten & Erfassen Beschreibung - Fachsprache Zuordnung Untersuchen & Bearbeiten Untersuchungsfrage stellen Hypothesen aufstellen Recherche Planung eines Eperiments Protokollführung Durchführung eines Eperiments Interpretation der Ergebnisse Bewerten & Anwenden Bewertung & Schlussfolgerung Kommunikation Zum Kompetenzcheck Reibung:

5 Schülerversion Basiseperiment real Bestimmung des Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Versuch 1: Bestimme die aus dem Winkel der geneigten Glasplatte die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten. ien: Ebene Platte (z.b. Glasplatte) Winkelmesser oder Maßstäbe Taschenrechner Unterschiedliche Gegenstände mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Gegenstand Unterlage Grenzwinkel Haftreibung Winkel Gleitreibung Haftreibungskoeffizient µ h Gleitreibungskoeffizient µ g Versuch 2: Bestimme mit Hilfe einer Federwaage die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten. ien: Ebene Platte (z.b. Glasplatte) Federwaage Taschenrechner Unterschiedliche Gegenstände mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Gegenstand Unterlage Maimalkraft Haftreibung Reibungskraft Gleitreibung Haftreibungskoeffizient µ h Gleitreibungskoeffizient µ g

6 Schülerversion Basiseperiment virtuell Bestimmung des Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Versuch 1: Bestimme die aus dem Winkel der geneigten Ebene die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten. ien: Simulation: : Taschenrechner Gegenstand Unterlage Grenzwinkel Haftreibung Winkel Gleitreibung a [m/s²] Haftreibungskoeffizient µ h Gleitreibungskoeffizient µ g Versuch 2: Bestimme mit Hilfe der angreifenden Kraft die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten. ien: Taschenrechner Simulation: Gegenstand Unterlage Maimalkraft Haftreibung Reibungskraft Gleitreibung Haftreibungskoeffizient µ h Gleitreibungskoeffizient µ g

7 Lehrer- und Schülerversion KOPE, KLEX Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Voraussetzungen: Grundkompetenzen aus dem Basiseperimenten Gleit- und Haftreibung Ziel: Vergleich der Reibungskoeffizienten verschiedener Körper ien: Ebene Platte (z.b. Glasplatte) Federwaage Klötze mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Gedankliche Problemstellung (G): Beschreibe unterschiedliche Versuchsanordnungen mit denen du verschieden Gegenstände nach der Größe ihres a) Haftreibungskoeffizienten bzw. des b) Gleitreibungskoeffizienten ordnen kannst und begründe dies. Gibt es eine Möglichkeit die Unterschiede durch ein einziges Eperiment festzustellen? Eperimentelle Problemstellung (E): Führe ein Eperiment durch mit dem du verschiedene Gegenstände nach der Größe ihres a) Haftreibungskoeffizienten bzw. des b) Gleitreibungskoeffizienten ordnen kannst und begründe dies. Versuche die Unterschiede durch ein einziges Eperiment festzustellen.

8 Lösung: Lehrerversion Lösung mit schiefer Ebene - Variante 1 a) Haftreibung: (Vergleich durch ein einziges Eperiment) Alle Gegenstände werden in nebeneinander (normal zu Rutschrichtung) auf der Glasplatte angeordnet. Der Winkel der Glasplatte wird langsam erhöht. Der Gegenstand mit dem kleinsten Haftreibungskoeffizient beginnt als erstes zu rutschen. b) Gleitreibung: Der Winkel der Glasplatte wird soweit erhöht, dass jeder Gegenstand einzeln ins Rutschen kommt. Nun werden zwei Gegenstände hintereinander so in Rutschrichtung gestellt, dass sie sich berühren. Jener Gegenstand, der schneller rutscht als der hintere hat den kleineren Gleitreibungskoeffizienten. c) Haft- und Gleitreibung: Bestimmung der Reibungskoeffizienten wie im Basiseperiment Lösung mit Federwaage - Variante 2 a) Haftreibung: Gegenstände werden aufeinander auf der Glasplatte angeordnet. Am untersten Klotz wird die Feder befestigt und die Maimalkraft gemessen, damit der Stapel zu rutschen beginnt. Die Klötze werden so ausgetauscht, dass jeder einmal an unterster Position liegt. Der Gegenstand mit dem kleinsten Haftreibungskoeffizient benötigt die kleinste Maimalkraft, damit der Stapel zu rutschen beginnt. b) Gleitreibung: Gegenstände werden aufeinander auf der Glasplatte angeordnet. Am untersten Klotz wird die Feder befestigt und jene Kraft gemessen, die notwendig ist, dass der Stapel mit konstanter Geschwindigkeit rutscht. Die Klötze werden so ausgetauscht, dass jeder einmal an unterster Position liegt. Der Gegenstand mit dem kleinsten Gleitreibungskoeffizient benötigt die kleinste Kraft. c) Haft- und Gleitreibung: Bestimmung der Reibungskoeffizienten wie im Basiseperiment Zuordnung zur Handlungskompetenz Basis Ep. G E Erfassung Beobachten & Erfassen Beschreibung - Fachsprache Zuordnung Untersuchungsfrage stellen Hypothesen aufstellen Untersuchen & Bearbeiten Recherche Planung eines Eperiments Protokollführung Durchführung eines Eperiments Interpretation der Ergebnisse Bewerten & Anwenden Bewertung & Schlussfolgerung Kommunikation