Übungspraktikum 3 Physik II

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1 HOCHSCHULE BOCHUM Fachbereich Geodäsie Übungspraktikum 3 Physik II SS 2015 Thema: Wegzeitgesetze und Grundgesetz der Dynamik Übung 1: Bestimmung der und der Momentangeschwindigkeit eines Fahrzeugs auf der Luftkissenbahn Entsprechend dem in Abb. 1 dargestellten Versuchsaufbau ist die und die Momentangeschwindigkeit des Wagens für verschiedene Massenkonfigurationen zu bestimmen. Die Lichtschranke ist in ca. 1 m Abstand von der Startvorrichtung zu installieren. Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Bestimmung der und Geschwindigkeit Der Weg S des Wagens von der Startvorrichtung bis zum Eintritt in die Blende ist mit Hilfe des an der Luftkissenbahn angebrachten Maßstabes mit einer Genauigkeit von 1 mm zu bestimmen. Folgende Messwerte sind bei jedem Versuch zu bestimmen: v Zeit t 1 vom Start des Wagens bis zum Eintritt in die Lichtschranke v Zeitdauer t vom Eintritt in die 100 mm lange Blende bis zum Austritt aus der Lichtschranke. Die Zeit t 1 wird per PC mit demselben Programm wie beim Freifallversuch (s. Praktikum 2) ermittelt. Die Zeitdauer t wird an der Lichtschranke, deren Zähler zuvor auf 0 zu stellen ist, abgelesen. Jeder Versuch ist mindestens dreimal durchzuführen! 1

2 Bei den Versuchen ist die Masse des Wagens m 0 = durch Zusatzgewichte sowie die zur des Wagens benutzte Masse m 1 wie folgt zu variieren: Zusatzgewichte für den Wagen: a) keine b) 2 x 50 g, c) 2 x 100 g Masse m 1 :,,,. Wichtig: Der Zähler der Lichtschranke muss bei Start des Wagens auf 0 stehen, anderenfalls ist der anfängliche Zählerstand vom Messwert (bei Durchgang) zu subtrahieren. Einstellungen von Luftdruck/Strom bei der Luftkissenbahn: Der Luftdruck der Luftkissenbahn ist entsprechend des Gewichtes des Wagen zu variieren. Der Wechselstrom des Trafos zum Festhalten des Wagens ist so in Abhängigkeit der zur eingesetzten Masse m 1 einzustellen, dass der Wagen soeben noch festgehalten wird. Falls zwischenzeitlich die Position der Lichtschranke verändert werden sollte, ist der Weg S selbstverständlich neu zu bestimmen. a) Auswertung während der Versuche Auswertung der Versuche Insgesamt sind für 12 unterschiedliche Massenanordnungen die Zeiten zu bestimmen. Jeder Versuch ist mindestens dreifach auszuführen und die einzelnen Zeiten sind zu mitteln. Sind die Unterschiede zwischen dem größten und dem kleinsten Wert > 2 ms, so ist ein weiterer Versuch bzw. weitere Versuche solange durchzuführen, bis dass die Standardabweichung des Mittelwertes ( s x ) < 1 ms ist. Nur Ausreißer (Differenz zum Mittel > 10 ms) dürfen vorab eliminiert werden! Die Mittelwerte bzw. die Standardabweichungen sind vor der nächsten Gewichtskombination zu berechnen. Die Formeln zur Berechnung der Standardabweichung lauten: x = 1 n$ n x i s x = i=1 n (x x i) 2 i=1 n 1 s x = s x n 2

3 b) Auswertung Aus dem gemessenen Weg sowie den ermittelten Zeiten sind auf drei verschiedene Arten die a des Wagens zu berechnen: a) über die Momentangeschwindigkeit die a 1 bei Durchgang durch die Blende zur mittleren Durchgangszeit t 1 + t! b) über den zurückgelegten Weg S und die Zeit t 1 die a 2 2 c) über das Grundgesetz der Dynamik die a 3, wobei als Wert für die Fallbeschleuni g der plausibelste Wert aus dem Pendel- bzw. Freifallversuch (siehe Praktikum 2) einzusetzen ist. d) Die drei en sind anschließend zu mitteln und deren Abweichungen (Verbesserungen) zum Mittelwert zu berechnen. Aus diesen drei Abweichungen (Verbesserungen) sind die daraus resultierenden Streckendifferenzen S zum Zeitpunkt t 1 (Eintritt der Blende in die Lichtschranke) zu berechnen! e) Die Konstellation (Masse m 1 ) und (Masse des Wagens) sollte die kürzeste Zeit t min ergeben. Berechnen Sie für die anderen Versuche die Position (zurückgelegter Weg S(t min ) ) des Wagens zum Zeitpunkt dieser Minimalzeit t min! Bei den Berechnungen können die Reibungsverluste vernachlässigt werden. c) Individuelle Berechnungen für jedes Gruppenmitglied Jedes Gruppenmitglied hat folgende Berechnungen durchzuführen [NN = letzte beiden Ziffern der Matrikelnr.]. 1. Berechnen Sie für die 12 Konstellationen die notwendige Masse m 1, wenn die Masse des Wagens m 0 um NN [g] erhöht und der Wagen mit der gleichen (Mittelwert der 3 en) herauskommen sollen! 2. Berechnen Sie für die 12 Konstellationen den Weg bis zum Eintritt in die Lichtschranke und die Momentangeschwindigkeit beim Durchgang für den Fall, dass für die Zeit t 1 folgendes gilt: t 1 =! NN$ t. Verproben Sie die Berechnungen! Fällt Ihnen etwas Besonderes auf und erläutern Sie ggf. die Besonderheit? 3. Berechnen Sie für die 12 Konstellationen unter Beibehaltung des Zeitintervalls t die Zeit t 1, den Weg S sowie s für den Fall, dass Folgendes gilt: S =! NN$ S! Verproben Sie die Berechnungen! Was fällt Ihnen hier auf? 3

4 Feldbuch Weg S [m] Masse m 1 Masse des Wagens m Zeit t 1 Mittel t 1 Standardabweichung t 1 [ms] Zeit t Mittel t Standardabweichung t [ms] 4

5 Auswertung Weg S [m] Masse m 1 Masse des Wagens m Mittel Zeit t 1 Mittel Zeit t Momentangeschwindigkeit v m a 1 a 2 a 3 5