Schraubenfederpendel (Artikelnr.: P )
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- Karola Lichtenberg
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1 Lehrer-/Dozentenblatt Schraubenfederpendel (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Mechanik Unterthema: Schwingungen und Wellen Experiment: Schraubenfederpendel Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformation Die Schüler haben im Versuch Hooke'sches Gesetz P die Federkonstanten von Federn bestimmt und im Versuch Zeitmessung P erste Erfahrungen mit einem schwingenden System gemacht. Hier sollen sie an einem Federpendel erkennen, von welchen Größen die Schwingungsdauer eines Schraubenfederpendels abhängt und wie der Zusammenhang in einer Proportionalität ausgedrückt werden kann. In einer Zusatzaufgabe sollen die Schüler die erforderliche Korrektur für die Masse der Feder vornehmen und danach die Schwingungsgleichung des Federpendels aufstellen, indem sie aus der Geraden, die sich beim Auftragen von T 2 gegen m D ergibt, die Steigung bzw. den Proportionalitätsfaktor K bestimmen. Durch Vergleich lässt sich K auch zahlenmäßig festlegen.
2 Schraubeefederpeedel (Artikeler.: P ) Aufgabe ued Material Aufgabe Welche Größee beeieflussee die Schwieguegsdauer eiees Federpeedels? 1. Ermittle die Schwingungsdauer T eines Federpendels für unterschiedliche Massen m an zwei Federn mit unterschiedlicher Federkonstante D. 2. Stelle eine Beziehung zwischen den drei Größen T, m und D her.
3 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Stativfuß, variabel Stativstange Edelstahl 18/8, l = 250 mm, d = 10 mm Stativstange Edelstahl 18/8, l = 600 mm, d = 10 mm Doppelmuffe Gewichtsteller für Schlitzgewichte Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 10 g Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 50 g Schraubenfeder, 3 N/m Schraubenfeder, 20 N/m Kraftmesser, transparent, 1 N Haltebolzen Stoppuhr, 10 Min., Teilung 0,2 s
4 Aufbau ued Durchführueg Aufbau Verbinde die beiden Stativfußhälften mit der Stativstange (25 cm) und stelle den Verschlusshebel fest (Abb. 1). Verschraube die zweigeteilte Stativstange (Abb. 2), setze sie in eine der Stativfußhälften und befestige sie mit der Schraube (Abb. 3). Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Klemme die Doppelmuffe an die Stativstange, befestige den Haltebolzen in der Doppelmuffe und hänge die Schraubenfeder (3 N / m) in die Bohrung des Haltebolzens ein (Abb. 4). Abb. 4
5 Durchführueg Belaste die Feder mit Massen m von 20, 40, bis zu 140 g einschließlich Gewichtsteller (10 g) (Abb. 5). Um die Schlitzgewichte an den Gewichtsteller zu hängen, schiebe sie über dessen oberes Ende (Abb. 6). Abb. 6 Abb. 5 Ziehe an der Schraubenfeder und lasse sie schwingen (Abb. 7). Ermittle für jede Masse die für 10 Schwingungen benötigte Zeit t mit der Stoppuhr. Trage alle Messwerte in Tabelle 1 im Protokoll ein. Abb. 7 Verwende nun die Schraubenfeder 20 N m und führe die oben beschriebenen Messungen erneut durch (Abb. 8). Trage die erhaltenen Messwerte in Tabelle 1 im Protokoll ein.
6 Abb. 8
7 Protokoll: Schraubeefederpeedel Ergebeis - Tabelle 1 (26 Puekte) Trage deine Messwerte aus Durchführung 1 und 2 in die Tabelle ein. Berechne aus dem Wert t für 10 Schwingungen die Schwingungsdauer T und trage die Werte ein. m in g Feder 3 N m Feder 20 N m t in s T in s t in s T in s Number1 1.0 Feder 3 N / m Feder 20 N / m 0.5 T in s m in g
8 Ergebeis - Tabelle 2 (13 Puekte) Bilde für beide Schraubenfedern aus T das Quadrat und trage T 2 in die Tabelle ein. m in g Feder 3 N m Feder 20 N m T 2 in s 2 T 2 in s Number1 1.0 Feder 3 N / m Feder 20 N / m 0.5 T 2 in s m in g
9 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Betrachte das Diagramm 1. Es zeigt T als Funktion der Masse m, mit D als Federkonstante. Was kannst du über den Einfluss von m und D auf die Schwingungsdauer sagen? Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Betrachte Diagramm 2. Es zeigt T 2 als Funktion der Masse m mit D als Parameter. Was kannst du über T 2 und m sagen?
10 Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) Welchen Einfluss hat D auf T? Auswertueg - Frage 4 (5 Puekte) Stelle eine Proportionalität zwischen den drei Größen T 2, m und D auf. T 2 ~ Auswertueg - Zusatzaufgabe 1 (10 Puekte) Gehen die Kurven in den Diagrammen 1 und 2 durch den Koordinatenursprung? Kannst du dir vorstellen, welche Ursache dafür verantwortlich ist? Hinweis: Hast du mit deinen Messungen alle Größen erfasst, die die Messergebnisse beeinflussen? Denke einmal an die Federn!
11 Auswertueg - Zusatzaufgabe 2 (2 Puekte) Bestimme die Massen m F der Federn mit dem Kraftmesser und trage die Werte ein. Feder D = 3 N/m, m F = Feder D = 20 N/m, m F = g g
12 Auswertueg - Zusatzaufgabe 3 (21 Puekte) Feder D = 3 N/m: Korrigere die wirksame Masse gemäß m k = m + 1/3m F und trage die Werte in die Tabelle ein. Übertrage T 2 aus der ersten Tabelle und berechne m k / D. m in g m k in g T 2 in s 2 m k [kg] / D[m/N] Number T 2 in s m k [kg] / D[m/N]
13 Auswertueg - Zusatzaufgabe 4 (18 Puekte) Feder D = 20 N/m: Korrigere die wirksame Masse gemäß m k = m + 1/3m F und trage die Werte in die Tabelle ein. Übertrage T 2 aus der ersten Tabelle und berechne m k / D. m in g m k in g T 2 /s 2 m k [kg] / D[m/N] Number T 2 in s m k [kg] / D[m/N]
14 Auswertueg - Zusatzaufgabe 5 (1 Puekt) Das Diagramm zeigt die korrigierten Werte T 2 = f (m k D). Stelle den Zusammenhang in einer Proportionalität dar: T 2 ~ Auswertueg - Zusatzaufgabe 6 (2 Puekte) Berechne den Proportionalitätsfaktor K aus der Steigung der Kurve in Diagramm 3. Wie lautet die richtige Maßeinheit für K? K = Maßeinheit: Auswertueg - Zusatzaufgabe 6a (10 Puekte) Berechne 4Π 2 und vergleiche den Zahlenwert mit dem Proportionalitätsfaktor K. Stimmen beide überein?
15 Auswertueg - Zusatzaufgabe 6b (10 Puekte) Stelle anhand der ermittelten Zusammenhänge die Schwingungsgleichung für ein Federpendel auf: T 2 =
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