Freier Fall mit dem Timer 2-1

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Freier Fall mit dem Timer 2- Lehrerinformationen Einführung Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit Empfohlene Gruppengröße {complexity:3} mittel {time:} 0 Minuten {time:2} 20 Minuten 2 Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: --- Schülerversuch klassisch: Freier Fall (P00400) Schülerversuch Messwerterfassung: Freier Fall mit Cobra4 (P00462) Schlüsselworte Erdbeschleunigung, freier Fall, gleichmäßige Beschleunigung Anwendung Der freie Fall begegnet uns im Alltag überall dort, wo Dinge zu Boden fallen. Je geringer jedoch die Dichte des Körpers und je größer seine Oberfläche, desto mehr wird aus dem freien Fall ein weniger stark beschleunigter, bzw. gebremster Fall. Freier Fall im Freizeitpark Versuchsaufbau Lernziel Die Schüler sollen in diesem Versuch die Erdbeschleunigung gleichmäßig beschleunigte Bewegung darstellt. experimentell bestimmen und erkennen, dass der freie Fall eine Aufgaben. Die Schüler lassen eine Stahlkugel aus einer Halterung fallen und messen mit dem Timer 2- mittels einer Lichtschranke die Fallzeiten für verschiedene Fallhöhen. 2. Die Schüler untersuchen die Messdaten Fallstrecke und Fallzeit nach Gesetzmäßigkeiten, die die beiden Größen verbinden. 3. Die Schüler berechnen aus den Messwerten den Wert der Erdbeschleunigung. Vorwissen Die Schüler sollten mit den Begriffen Geschwindigkeit und Bewegung vertraut sein. Im Weiteren sollten die Schüler mathematisch in der Lage sein, von einer Geraden die Steigung zu bestimmen und eine

2 Lehrer-/Dozentenblatt Dimensionsanalyse der gefundenen Steigung zu bewältigen. Prinzip Die Masse der Stahlkugel erzeugt im Gravitationsfeld der Erde eine konstante gleichgerichtete Kraft, die die Kugel gleichmäßig beschleunigt. Reibungseffekte an Luft sind im Rahmen dieses Versuches ebenso vernachlässigbar, wie der Auftrieb der Kugel durch die sie umgebende Luft. Hinweis Mit diesem einfachen Versuchsaufbau lässt sich die Erdbeschleunigung mit etwas Sorgfalt mit einer Abweichung von wenigen Prozent bestimmen. Material Position Material Bestellnr. Menge Timer Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, gelb Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, blau Stativfuß, variabel Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, rot Stativstange Edelstahl 8/8, l = 600mm, d = 0mm Stahlkugel, d = 9 mm Kugelauslöseklammer Gabellichtschranke compact Doppelmuffe Maßband, l = 2 m Sicherheitshinweise Für diesen Versuch gelten die allgemeinen Hinweise zum sicheren Experimentieren im naturwissenschaftlichen Unterricht.

3 Freier Fall mit dem Timer 2- Einführung Anwendung und Aufgabe Wie fällt ein Stein? Einführung Du hast sicher schon mal ein Steinchen von einem Turm fallen lassen und Dich gefragt, wie schnell es wohl ist, wenn es unten ankommt, oder wie lange das Steinchen für die Fallhöhe braucht. In diesem Versuch erfährst Du, welchen Gesetzmäßigkeiten der freie Fall folgt: Du solltest also nach dem Versuch genau diese Fragen beantworten können. Dennoch ist Vorsicht geboten, denn ein kleiner Kieselstein, der von einem Turm fallen gelassen wird, erfährt schon eine kräftige Abbremsung durch den Luftwiderstand. Anwendung Einen nahezu freien Fall findest Du im Alltag immer dort wieder, wo etwas zu Boden fällt. Hier spielt der Luftwiderstand aber oft eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Bei der Landung der Amerikaner auf dem Mond ließ der Astronaut David Scott einen Hammer und eine Feder fallen und beide sind gleichzeitig am Boden aufgekommen! Dies war ein wirklich freier Fall, da es dort keinen Luftwiderstand und keinen Auftrieb gibt. Aufgaben Freier Fall im Freizeitpark. Lasse die Stahlkugel aus der Halteklammer fallen und miss die Zeit, die die Kugel für die zurückgelegte Fallhöhe benötigt. Wiederhole den Versuch für verschiedene Fallhöhen. 2. Untersuche die Messdaten auf Gesetzmäßigkeiten, die die Messgrößen Fallhöhe und Fallzeit verknüpfen. 3. Bestimme aus den Messwerten die Beschleunigung des freien Falls auf der Erde.

4 Versuchsaufbau

5 Material Position Material Bestellnr. Menge Timer Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, gelb Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, blau Stativfuß, variabel Verbindungsleitung, 32 A, 000 mm, rot Stativstange Edelstahl 8/8, l = 600mm, d = 0mm Stahlkugel, d = 9 mm Kugelauslöseklammer Gabellichtschranke compact Doppelmuffe Maßband, l = 2 m

6 Aufbau und Durchführung Aufbau Baue das Stativ auf. Verschraube dazu die geteilten Stativstangen (Abb. ) und befestige diese am Stativfuß. Befestige die eine Doppelmuffe ganz oben an der Stange und die andere vorerst mittig (Abb. 2). Abb. Abb. 2 Schraube den Haltestiel an die Gabellichtschranke, so dass diese sich in der Doppelmuffe haltern lässt. Verbinde die Lichtschranke mit dem Zeitmessgerät (Abb. 3) und stecke ein gelbes und ein blaues Kabel an die Buchsen an der Klammer. Stecke die anderen Enden der Kabel in die beiden Buchsen in dem Feld "Start". (Die Polarität spielt hier keine Rolle, Abb. 4). Abb. 3 Abb. 4 Spanne die Lichtschranke waagerecht in die untere Muffe ein (Abb. 5).

7 Abb. 5 Befestige die Kugelauslöseklammer waagerecht an der oberen Muffe (Abb. 6). Achte darauf, dass das Halteloch der Klammer von oben gesehen mit dem Lichtstrahl der Lichtschranke in einer Flucht liegt (Abb. 7). Abb. 6 Abb. 7 Stelle am Zeitmessgerät den Schiebeschalter über dem Feld mit der Bezeichnung "Start" in die linke Position ( ), so dass ein Öffnen des Stromkreises am "Start"-Eingang des Zeitmessgerätes die Stoppuhr startet. Stelle den Drehschalter am Zeitmessgerät auf die Position " ", die dritte Position von links. Dann zeigt das Zeitmessgerät die Zeit an, die zwischen dem Unterbrechen des Startstromkreises und der Lichtschranke verstrichen ist.

8 Durchführung Drücke vor jeder Messung die "Reset"-Taste am Zeitmessgerät erst nachdem die Kugel in die Klammer geklemmt wurde und die Kontakte des Startkreises geschlossen sind. Die Zeitmessung startet dann beim Öffnen des Stromkreises. Stelle mit Hilfe des Maßbandes den Abstand zwischen der Unterkante der Kugel in der Klammer und der Mittelnaht der Lichtschranke auf ein (Abb. 8). Klemme die Kugel immer auf die gleiche Weise in die Klammer. Abb. 8 (Die untere Lichtschranke sollte in jedem Teilversuch noch so hoch montiert sein, dass Du die Kugel darunter mit der Hand auffangen kannst.) Öffne die Klammer möglichst schnell. Lies am Messgerät die Fallzeit ab um und trage sie in Tabelle des Protokolls ein. Überprüfe, ob Du bei wiederholter Messung die gleichen Werte erhältst. Wenn nicht, dann überprüfe, ob die Kugel richtig Kontakt hat und ob Du die Kugel jedes Mal gleich einspannst. Wenn die Kugel den Lichtstrahl der unteren Lichtschranke nicht trifft oder das Lichtschrankengehäuse berührt oder Du Zeiten größer als 0,5 s gemessen hast, dann justiere die Fallstrecke und wiederhole die Messung, bis Du ein reproduzierbares Ergebnis bekommst. Ändere den Abstand von Unterkante Kugel bis Mittelnaht der Lichtschranke auf 0 cm, 5 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm und 45 cm und wiederhole die Zeitmessungen.

9 Protokoll: Freier Fall mit dem Timer 2- Ergebnis - Tabelle Trage in die zweite Spalte die Fallzeiten t ein. Trage in die dritte Spalte die quadrierten Fallzeiten t 2 ein. h in cm t in s t² in s² ±0.025 ±0.025 ±0.05 ±0.05 ±0.05 ±0.05 ±0.05 ± ± ±0.003 ±0.003 ± ± ± Number h in cm t² in s²

10 Auswertung - Frage Verdoppelt sich die Fallzeit t bei Verdopplung der Fallhöhe h? Berechne anhand mehrerer Messwertpaare, um welchen Faktor die Fallzeit t bei einer Verdopplung der Fallhöhe h wächst. Trage den Wert in das Fenster ein! Auswertung - Frage 2 Betrachte die Messwerte und entscheide, welche der Aussagen zutreffen: Da sich die Fallzeit t bei einer Verdopplung der Fallhöhe h nicht auch verdoppelt, handelt es sich um keine lineare Bewegung. Da sich die Fallzeit t bei einer Verdopplung der Fallhöhe h nicht auch verdoppelt, muss sich die Geschwindigkeit während des Falls ändern. Bei einer Vervierfachung der Fallhöhe h verdoppelt sich die Fallzeit t. Die Fallzeit t wächst überproportional mit der Fallhöhe h. Die Fallzeit t wächst unterproportional mit der Fallhöhe h. Auswertung - Frage 3 Zu Tabelle wurde ein Graph erstellt, in dem die Fallhöhe h gegen das Quadrat der Fallzeit t 2 aufgetragen wurde. Du solltest einen ordentlichen linearen Zusammenhang erhalten. Untersuche die Dimension der Steigung k der Ursprungsgerade, also des Proportionalitätsfaktors zwischen h und t 2 und wähle die richtige Einheit aus! [k]=m/s (eine Geschwindigkeit) [k]=m/s2 (eine Beschleunigung) [k]=n/m2 (ein Druck) [k]=kg [k]=n (eine Masse) (eine Kraft) Auswertung - Frage 4 Berechne den Zahlenwert der Steigung k aus der Ursprungsgeraden und trage ihn (in der Einheit, die Du in der vorherigen Frage angekreuzt hast) im Fenster ein!

11 Auswertung - Frage 5 Wie sähe ein Diagramm aus, in dem die Fallhöhe h gegen die Zeit t aufgetragen wäre? Es ergäbe sich eine Ursprungsgerade. Es ergäbe sich eine verschobene Parabel. Es ergäbe sich eine Parabel durch den Ursprung. Es ergäbe sich ein wurzelförmiger Verlauf. Auswertung - Frage 6 Bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung mit der Steigung a gilt für die bei einer Zeit t zurückgelegten Strecke s der Zusammenhang s = /2 a t2. In diesem Versuch stellt die Fallhöhe h die zurückgelegte Strecke s dar. Berechne mit dieser Information die Beschleunigung a und trage den Zahlenwert in das Fenster ein! Auswertung - Frage 7 Was ist die Ursache der Beschleunigung und wie wird diese Beschleunigung für gewöhnlich genannt? Kannst Du auch das Formelzeichen dieser speziellen Beschleunigung angeben? Vergleiche Deinen Wert der Beschleunigung mit dem Literaturwert. Beurteile die Güte des Versuches zur Bestimmung dieser physikalischen Größe und nenne Gründe, die zu einer Abweichung vom Literaturwert führen könnten.