Mechanische Schwingungen

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1 Didaktische FWU-DVD Mechanische Schwingungen Physik Klasse 7 10 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Amplitude; Anregungsfrequenz; Bewegung; Dämpfung; Dehnung; Dynamik; Energie; Faden - pendel; Federkonstante; Federpendel; Frequenz; Kinetik; Kriechfall; Mechanik; Medienkompetenz; Oszillation; Oszillator; Pendel; Periode; Periodendauer; Resonanz; Resonanzfrequenz; Rückstellkraft; Ruhelage; Schaukel; Schwingfall; Schwingung; Schwingungsdauer; Schwingungsperiode; Spannenergie; System Systematik Physik Klassische Mechanik Schwingungen, Wellen, Akustik Klassische Mechanik Technische Anwendungen Klassische Mechanik Kinematik, Dynamik 2

3 Zum Inhalt Mechanische Schwingungen (Film 27 min) Der Film beginnt mit dem Besuch bei dem Protagonisten der Spielszenen, Sven. Dieser wird mit einem kleinen Pendel hypnotisiert und dann in Situationen versetzt, die etwas mit dem Thema Schwingungen zu tun haben. So werden in spielerischer Weise die Schwingungen mitsamt den relevanten Fachbegriffen eingeführt und von anderen periodischen Bewegungen unterschieden. Als Nächstes werden harmonische Schwingungen genauer untersucht. Hier wechseln Spielszenen und Animationen, in denen die Energieumwandlungen am Federpendel kleinschrittig beschrieben werden, einander ab. Nach der ungedämpften harmonischen Schwingung wird der Einfluss der Dämpfung auf einen Oszillator untersucht. Auch hier ergänzen sich Realszenen und grafische Darstellungen zu einer umfassenden qualitativen Beschreibung des Verhaltens einschließlich des aperiodischen Grenzfalls und des Kriechfalls. Hinweise auf technische Anwendungen zeigen die Alltagsrelevanz dieser Sonderfälle. Nach den freien Schwingungen werden erzwungene Schwingungen und die zugehörigen Resonanzphänomene vorgestellt. Grundlage ist hier ein einfacher Handversuch, den Sven mit einem Fadenpendel durchführt. Der Film schließt mit einer Serie von Beispielen für mechanische Schwingungen in Natur und Technik. Filmsequenzen Schwingungen, Pendel und Wellen (1:50 min) In dieser Sequenz kommt der Zuschauer in das Haus des Protagonisten Sven. Dieser öffnet widerwillig die Tür, wird mit einem Pendel hypnotisiert und demonstriert auf einer Schaukel eine erste mechanische Schwingung. Auch einige Beispiele für Schwingungen in der Natur werden kurz gezeigt, und da Sven zuletzt im Wasser endet, wird ein kurzer Ausblick auf die Entstehung von Wellen gegeben. Periodische Bewegungen und Schwingungen (5:00 min) An einem Uhrenpendel werden erste Fachbegriffe für die Beschreibung einer Pendelbewegung eingeführt. Durch das Pendel erneut hypnotisiert wacht Sven als Nächstes in einem Klettergeschirr in einem Hochseilgarten auf. Er wird nun selbst zum Pendelkörper eines Fadenpendels. Die Energieumwandlungen bei 3

4 seiner Pendelbewegung werden kurz beschrieben und die Existenz einer rücktreibenden Kraft betont. Zurück beim Uhrenpendel werden zunächst die Begriffe Schwingungsdauer und Schwingungsperiode, Auslenkung und Amplitude sowie Frequenz eingeführt werden. Anschließend werden Auslenkung und Amplitude vorgestellt. Zuletzt wird der Begriff Frequenz eingeführt und auf der Basis der Schwingungsdauer des Uhrenpendels bestimmt. Die Begriffe Oszillator und Oszillation werden eingeführt und anschließend wird der Unterschied zwischen Oszillationen und anderen periodischen Bewegungen anhand von Alltagsbeispielen herausgearbeitet. Harmonische Schwingungen (5:30 min) In einer Spielszene wird kurz das Gesetz von Hooke wiederholt und im Anschluss wird mittels einer Schraubenfeder und einer Tafel Schokolade die harmonische Schwingung eines Federpendels gezeigt. In einer Animation werden die Energieumwandlungen kleinschrittig demonstriert. Die Bewegung wird als Sinusfunktion gezeigt und die Bedingung für eine harmonische Schwingung wird genannt. Pendeluhren als altes Zeitnormal zeigen eine weitere harmonische Schwingung. In der Folge wird wiederholt, wovon die Frequenz bzw. Schwingungsdauer von Federpendel und Fadenpendel abhängen. Dass beim Fadenpendel die Masse keine Rolle spielt, wird anhand von zwei Schaukeln, auf denen Sven und ein Kind mit gleicher Frequenz schaukeln, eindrucksvoll demonstriert. Dämpfung (3:40 min) Schon in früheren Sequenzen war angedeutet, dass die Reibung Schwingungen allmählich zur Ruhe kommen lässt. Hier wird nun die Dämpfung genauer betrach- 4

5 tet. Zu Beginn sieht man in einer Spielsequenz, dass der Schaukelstuhl mit einem schlafenden Sven allmählich zum Stillstand kommt. Der Begriff der linearen Dämpfung wird eingeführt und die drei Fälle einer gedämpften Schwingung Schwingfall, aperiodischer Grenzfall und Kriechfall werden qualitativ beschrieben und mit Realbeispielen und technischen Anwendungen hinterlegt. Die Verläufe werden auch jeweils grafisch dargestellt. Die erzwungene Schwingung (6:10 min) In dieser Sequenz werden Schwingungen betrachtet, bei denen der Oszillator nicht frei schwingt. Dazu wird zunächst der Begriff der freien Schwingung eingeführt, gefolgt von dem Konzept der Fremderregung. Zunächst wird die Anwendung der Ankerhemmung bei einer Pendeluhr gezeigt, die nur dazu dient, die durch Reibung entwertete Energie wieder zuzuführen, anschließend erfolgt die Betrachtung von Fremderregungen bei anderen Frequenzen als der Eigenfrequenz, also der erzwungenen Schwingungen. Sven demonstriert das Verhalten eines Fadenpendels in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz. Dabei lassen sich schon in diesem einfachen Handversuch sowohl das Verhalten der Amplitude also auch die Phasenverschiebung klar erkennen. Die klar erkennbare Resonanz wird aufgegriffen und mit Beispielen hinterlegt, darunter der Einsturz der Tacoma- Narrows-Brücke, einer Hängebrücke in Ohio. Anschließend wird die Phasenlage genauer untersucht. Die Sequenz schließt mit Realbeispielen von Resonanzfällen. Mechanische Schwingungen in Natur und Technik (3:10 min) Diese Sequenz beginnt mit einem Erdbeben, da Schwingungen der Erdkruste ein natürliches Schwingungsphänomen darstellen. Es folgt ein Hinweis darauf, dass Schwingungen auch bei der Konzeption von Gebäuden und im Straßenbau berücksichtigt werden müssen. Einige technische Anwendungen zeigen Schwingungen, die möglichst nicht auf das Gehäuse übertragen werden sollen, zum Beispiel ein Motor, der nicht starr mit der Karosserie verbunden ist. Als letztes Beispiel wird Musik, also die Erzeugung akustischer Wellen durch schwingende Saiten, gezeigt. 5

6 tisch mit einer Sinusfunktion beschreiben lässt. Die Grafiken ermöglichen den sukzessiven Vergleich der kinetischen Energie, der potenziellen Energie und der Spannenergie im Verlauf der Zeit. Kräfte beim Fadenpendel Diese Grafik ermöglicht die Erarbeitung der am Federpendel wirkenden Kräfte. Grafiken Größen zur Beschreibung einer Schwingung Tabellarisch sind die Größen zur Beschreibung einer Schwingung, ihr Symbol, ihre Bedeutung und ihre Einheit dargestellt. Energien beim Federpendel An sechs Grafiken können die kinetische Energie, die potenzielle Energie und die Spannenergie eines Federpendels mit unterschiedlicher Spannung erarbeitet werden. Hier wurde die Ruhelage als Nullpunkt der Spannenergie gewählt. Federpendel im Verlauf der Zeit Zeichnet man die Position des Federpendels in zeitlich gleichen Abständen nebeneinander auf und verbindet die Punkte, entsteht ein Verlauf, der sich mathema- Energien beim Fadenpendel Diese Grafik ermöglicht die Erarbeitung potenziellen Energie, der Amplitude und der Geschwindigkeit, die an den verschiedenen Positionen eines schwingenden Fadenpendels auftreten. Schwingfall Nimmt die Amplitude einer Schwingung ständig ab, spricht man vom Schwingfall. Die Grafik zeigt, wie sich die Amplitude der Schwingung mit der Zeit verändert. Auch wenn sich die Amplitude verringert: die Periodendauer T und damit die Frequenz der Schwingung bleiben gleich. Aperiodischer Grenzfall Trägt man die Auslenkung x gegen die Zeit t auf, sieht man beim aperiodischen Grenzfall eine einmalige Auslenkung, die rasch wieder zum Erliegen kommt. 6

7 Kriechfall Bei einer sehr großen Dämpfung kriecht der ausgelenkte Pendelkörper im wahrsten Sinne des Wortes auf die Ruhelage zu. Trägt man die Auslenkung x gegen die Zeit t auf, sieht man eine einmalige Auslenkung, die nur sehr langsam wieder abklingt. Man spricht hier vom Kriechfall. Resonanzkurve Zwei Grafiken zeigen den Amplitudengang eines harmonischen Oszillators für verschieden starke Dämpfungen D, aufgetragen gegen das Frequenzverhältnis. Federkonstante D Gemäß dem Gesetz von Robert Hooke ist die Dehnung L einer Feder direkt proportional zu der Kraft F, mit der die Feder belastet wird. Dividiert man die Kraft durch die Dehnung, erhält man eine Proportionalitätskonstante die Federkonstante D. Sie ist eine Eigenschaft der Feder. Energieumwandlung Bei einer Schwingung werden verschiedene mechanische Energieformen immer wieder in derselben Abfolge ineinander umgewandelt. Hier wird Lageenergie in Bewegungsenergie und zurück gewandelt. Und ein kleiner Teil wird durch Reibung zu Wärmeenergie. Zusatzclips (im ROM-Teil) Harmonische Schwingung Eine kleine Animation zeigt die harmonische Schwingung eines Federpendels. Schwingfall Eine kleine Animation zeigt den zeitlichen Verlauf bei einer freien gedämpften Schwingung. Gedämpfte Schwingungen im Vergleich Eine kleine Animation zeigt verschiedene gedämpfte Schwingungen im Vergleich: Schwingfall (links), aperiodischer Grenzfall (mittig) und Kriechfall (rechts). Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen die charakteristischen Eigenschaften von Schwingungen und können sie von anderen periodischen Bewegungen abgrenzen; kennen die Größen, die eine Schwingung charakterisieren; kennen die Energieumwandlungen bei Faden- und Federpendel; kennen erzwungene und freie Schwingungen; 7

8 kennen harmonische Schwingungen; kennen gedämpfte Schwingungen und den Einfluss der Dämpfung auf die Bewegung; kennen den Begriff der Resonanz; erkennen, dass die Bewegung eines Pendels periodisch ist; erkennen, dass sich ein Pendel je nach dem Wert der Erregerfrequenz unterschiedlich verhält. können die Pendelbewegung aus kinematischer Sicht beschreiben; kennen die Fachbegriffe, die zur Beschreibung einer Schwingung erforderlich sind, und können sie korrekt einsetzen; können eine erzwungene Schwingung beschreiben und dabei das Verhalten des Pendels in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz schildern. Didaktische Hinweise Im Fach Physik kann der Film ab der 8. Jahrgangsstufe eingesetzt werden, sobald die mechanischen Energieformen bekannt sind und Energieumwandlungen beschrieben werden können. Auch in späteren Schuljahren kann er gut zur Auffrischung dienen oder zum Einstieg in eine eher mathematische Beschreibung der Schwingungen gezeigt werden. Darüber hinaus ist der Einsatz in der Sekundarstufe II denkbar, zum Beispiel als schnelle Wiederholung der mechanischen Schwingungen im Zuge der Betrachtung von elektromagnetischen Schwingkreisen. Beschränkt man sich auf die Sequenzen, in denen nur die charakteristischen Größen zur Beschreibung einer Schwingung im Mittelpunkt stehen, sowie die Abgrenzung zu anderen periodischen Bewegungen, so kann er auch bereits in der siebten Jahrgangsstufe, zum Beispiel im Schwerpunktfach Physik des Faches Natur und Technik Verwendung finden und dort als Anregung und Einführung einer Experimentierstunde dienen. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Periodische Bewegungen und Schwingungen Harmonische Schwingungen Dämpfung Erzwungene Schwingungen Mechanische Schwingungen in Natur und Technik Energieumwandlung bei Schwingungen 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Zusatzclips Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den Grafiken, der Zusatzclips und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1.1/1.2) Lückentext 2) Schwingungen eines Federpendels 3.1/3.2) Mechanische Schwingungen berechnen 4) Kreuzworträtsel 5) Was stimmt? Harmonische Schwingung Schwingfall Gedämpfte Schwingungen im Vergleich Größen zur Beschreibung einer Schwingung Energien beim Federpendel Federpendel im Verlauf der Zeit Fadenpendel Kräfte beim Fadenpendel Energien beim Fadenpendel Schwingfall Aperiodischer Grenzfall Kriechfall Resonanzkurve D = 0,3 Verschiedene Resonanzkurven Federkonstante D Energieumwandlung Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Mechanische Schwingungen Mechanische Schwingungen Film 27 min Mechanische Schwingungen Sequenzen Federpendel Grafiken Fadenpendel Grafiken Schwingfall Grafik Aperiodischer Grenzfall Grafik Kriechfall Grafik Resonanzkurve 2 Grafiken Untermenüs Mechanische Schwingungen Schwingungen, Pendel und Wellen 1:50 min Periodische Bewegungen und Schwingungen Harmonische Schwingungen Dämpfung Die erzwungene Schwingung Mechanische Schwingungen in Natur und Technik 5:00 min 5:30 min 3:40 min 6:10 min 3:10 min Arbeitsmaterial Federpendel Energien beim Federpendel 6 Grafiken Federpendel im Verlauf der Zeit 5 Grafiken Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter (z. T. differenziert) 26 Grafiken 3 Zusatzclips Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Kräfte beim Fadenpendel Energien beim Fadenpendel Fadenpendel Grafik Grafik 10

11 Produktionsangaben Mechanische Schwingungen (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design TV-Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Bildnachweis stacey_newman thinkstock Zusatzclips Gemeinfrei Eltos Eigenes Werk Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Mechanische Schwingungen Produktion SchwabenFilm im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 mit Sven Falge, Tristan Falge, Tatiana Falge, Noah Falge, Philipp Morera, Markus Matschke, Giannelli Salvatore Regie & Drehbuch Markus Matschke Kamera Markus Matschke, Philipp Morera Schnitt & Animation Philipp Morera Spezialist Requisite Pendeluhr Josef Steger Musik SOUNDTAXI, Bluevalley, Kayser, Markus Matschke Sounddesign und Mischung Tobias von Brockdorff TONSCHIEBER Tonstudio-Stuttgart Sprecher Fabian Gröver Vielen Dank an Tatiana Falge, Dennis Dermann, Gertrud Wenske Tim Rheinwald SOUNDTAXI Auto Aydin KFZ-Meisterbetrieb Galerie der schönen Sachen Stuttgart Rainer Rückle Hochseilgarten Fellbach Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Mechanische Schwingungen Schaukelnde Kinder, das Pendel einer Uhr, die Saiten einer Gitarre oder Grashalme im Wind sie alle haben etwas gemeinsam: Die Bewegungsabläufe wiederholen sich. Wenn dasselbe Objekt immer wieder dieselbe Bewegung ausführt, spricht man von einer Schwingung. In dieser Produktion werfen wir einen genaueren Blick auf diese Art der Bewegung. Laufzeit 27 min Klasse 7 10 Sprache Film 1 Filmsequenzen 6 Arbeitsblätter 5 Zusatzclips 3 DE Grafiken 26 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler kennen die Größen, die eine Schwingung charakterisieren; kennen die Energieumwandlungen bei Faden- und Federpendel; kennen harmonische Schwingungen; kennen gedämpfte Schwingungen und den Einfluss der Dämpfung auf die Bewegung; kennen erzwungene und freie Schwingungen; kennen den Begriff der Resonanz; erkennen, dass die Bewegung eines Pendels periodisch ist; erkennen, dass sich ein Pendel je nach dem Wert der Erregerfrequenz unterschiedlich verhält. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 7 Klasse 8 10 Periodische Bewegungen und Schwingungen Harmonische Schwingungen Erzwungene Schwingungen Dämpfung Mechanische Schwingungen in Natur und Technik Energieumwandlung bei Schwingungen Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG und 60b UrhG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de