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 Ziel: Eperimentelle Bestimmung des Gleit- und Haftreibungskoeffizienten mit Hilfe einer schiefen Ebene oder einer Federwaage. Winkelmesser oder Maßstäbe Federwaage, Taschenrechner Unterschiedliche Gegenstände mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Aufgabe - Variante 1: Bestimme die aus dem Winkel der geneigten Platte die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten Aufgabe - Variante 2: Bestimme mit Hilfe einer Federwaage die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten Durchführung und Ergebnis: a) Haftreibung Variante 1: Der Gegenstand wird auf eine Platte gelegt. Der Winkel der Platte wird langsam erhöht bis der Gegenstand 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 gemessen oder aus dem rechtwinkeligen Dreieck berechnet. Variante 2: 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. b) Gleitreibung Variante 2: 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.

2 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 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 nach Durchführung der Eperimente:

3 Schülerversion Basiseperiment: Bestimmung des Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Versuch 1: Bestimme die aus dem Winkel der geneigten Glasplatte die Größe des a) Haftreibungskoeffizienten b) Gleitreibungskoeffizienten. 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. Federwaage Taschenrechner Unterschiedliche Gegenstände mit ebener Auflagefläche aus unterschiedlichem Gegenstand Unterlage Maimalkraft Haftreibung Reibungskraft Gleitreibung Haftreibungskoeffizient µ h Gleitreibungskoeffizient µ g Zum Kompetenzcheck Reibung nach Durchführung der Eperimente:

4 Lehrer- und Schülerversion KOPE, KLEX Haft- und Gleitreibungskoeffizienten Voraussetzungen: Grundkompetenzen aus dem Basiseperimenten Gleit- und Haftreibung Ziel: Vergleich der Reibungskoeffizienten verschiedener Körper 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. Zum Kompetenzcheck Reibung nach Durchführung der Eperimente:

5 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