Physikalisches Praktikum

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1 T. Taubert Thomas-Müntzer-Gymnasium Halle Physikalisches Praktikum Vorschlag zur Unterrichtsgestaltung unter Nutzung der interaktiven Software Albert - Physik interaktiv Inhalt: SEMIK-Projekt MedienBausteine Sachsen-Anhalt Vorüberlegungen Unterrichtsplanung Arbeitsaufgaben und blätter Medien im Fachunterricht Baustein XV

2 T. Taubert Thomas-Müntzer-Gymnasium Halle MedienBaustein Physikalisches Praktikum Klassenstufe 11 ZRW: 10 Std. Vorbemerkungen In den neuen Rahmenrichtlinien des Faches Physik soll im Bereich der Sekundarstufe II des Schuljahrgangs 11 ein 10-stündiges Praktikum absolviert werden. Es sollen in diesem Praktikum die bereits erworbenen Kenntnisse angewendet und die Fähigkeit, experimentelle Aufgaben weitgehend selbstständig zu lösen, weiterentwickelt werden. Die individuelle, aber auch die Teamarbeit sollen realisiert werden. Eine kritische Analyse der experimentellen Ergebnisse soll jeweils erfolgen. Das Praktikum wird im hier skizzierten vorhaben innerhalb des Projektes MedienBausteine in zwei 11. Klassen einmal traditionell und zum anderen mit Hilfe von Lernsoftware durchgeführt. Durch einen Test und einen Fragebogen soll nach dem Praktikum überprüft werden ob die mediale Variante einen höheren Wissenszuwachs bewirkt hat. Qualifikationen Das Erlangen von Medienkompetenz ist in diesem Praktikum ein sekundäres Ziel. Ein allgemeines Ziel besteht darin, Teamfähigkeit zu entwickeln, indem Gruppenarbeit gefördert wird. Die Schülerinnen und Schüler sollen entsprechend der neuen RRL des Faches Physik folgende fachspezifische Qualifikationen erreichen: - experimentelle Aufgaben nach vorgegebenen Anleitungen selbstständig lösen, - selbstständig Protokolle anfertigen, - selbstständig ihr Wissen wiederholen, festigen und erweitern, - weniger bekannte Sachverhalte durch Nutzung von Literatur selbstständig erarbeiten, - ihr mathematisches Wissen auf die physikalischen Probleme anwenden können, - die Begriffe: Messgerät, Messgröße, Messwert, Messergebnis, Messunsicherheit, systematischer und zufälliger Fehler sicher benutzen, - Fehlerbetrachtungen ausführen können. Die medienerzieherischen Lernziele sind: - der sichere Umgang mit Computertechnik - die effektive Webrecherche, hier zur Vorbereitung auf das jeweilige Experiment - der sichere und geplante Umgang mit fachspezifischer Unterrichtssoftware Die Experimente: - Energetische Untersuchungen beim unelastischen Stoß - Bewegungsanalyse - Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse - Resonanz beim harmonischen Oszillator - Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters - Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines unbekannten Stoffes - Entropieänderung bei der Abkühlung eines Systems 2

3 Da keinen weiteren Inhalte und Hinweise zum Unterricht für dieses Kapitel vorliegen, möchte ich einen Unterrichtsvorschlag für dieses Kapitel vorlegen. Die folgenden Experimente sollen zum Teil am PC und unter Nutzung des Internets von den Schülern bearbeitet werden. Es folgt zunächst eine Übersicht über das gesamte Praktikum; im Anhang befinden sich die Protokollarbeitsblätter. Die PC-Experimente wurden mit Modulen aus Programmpaket Albert Physik Interaktiv 1 und Albert Physik Interaktiv 2 durchgeführt. Inhalte Energetische Untersuchungen bei Stoßvorgängen Abbildungen an Sammellinsen Resonanz beim harmonischen Oszillator Bewegungsanalyse Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines unbekannten Stoffes Entropiebeänderung bei der Abkühlung eines Systems Hinweise zum Unterricht PC-Experiment mit dem Programmteil Luftkissenbahn Wiederholung des elastischen und unelastischen Stoßes, Kraftstoß und Impuls, kinetische und potentielle Energie (hier spezielle potentielle. Energie der gespannten Feder) PC-Experiment mit dem Programm Dünne Linsen PC-Experiment Praxisexperiment Praxisexperiment Praxisexperiment Praxisexperiment 3

4 Physikalisches Praktikum Energetische Untersuchungen bei Stoßvorgängen Aufgabenstellung: Untersuchen Sie verschiedene elastische und unelastische Zusammenstöße zweier Gleiter auf einer Luftkissenbahn hinsichtlich ihrer Geschwindigkeiten vor und nach dem Stoß, sowie den zeitlichen Verlauf der Gesamtenergie des Systems Luftkissenbahn. Vorbetrachtungen: Informieren Sie sich im WWW über das Thema: Energetische Untersuchungen bei Stoßvorgängen. Stellen Sie Anwendungsbereiche und deren Bedeutung vor. Achten Sie auf sorgfältige Quellenangaben. Grundinformationen und Bedienhinweise zum Experimentierprogramm Luftkissenbahn Mit Hilfe des Tachosymbols können Anzeigen auf dem Bildschirm dazugenommen werden, mit Hilfe des Schraubendrehersymbols können Anzeigen (Schließen) vom Bildschirm genommen werden. Beim Dazunehmen von Anzeigen kann jeweils rechts die Anzeigeform (Digital (LED), Zeigerinstrument, Oszillograph,...) gewählt werden. Mit Hilfe der Tasten Stop, Play > und Skip >> erfolgt die Versuchsdurchführung. Mit Skip läuft der Versuch ab, mit Play erfolgt ein schrittweiser Ablauf und mit einem Doppelklick auf Stop wird der Versuch auf die Anfangseinstellung zurückgesetzt und kann erneut gestartet werden. Grundeinstellung für alle folgenden Aufgaben Erstellen Sie mit Hilfe des Tacho- und des Schraubendrehersymbols die Grundeinstellung für dieses Experiment. Eingabekästchen (linear) für: - Massen m1 und m2, - Anfangsgeschwindigkeiten v1 und v2 LED-Anzeigen (digital) für: - Geschwindigkeiten v1 und v2 - Kinetische Energien Ekin1 und Ekin2 Schalter, um zwischen elastischen und unelastischen Stoßvorgang umzuschalten Versuchsanordnung Kinetische Gesamtenergie des Systems als Oszilloskop-Plot 4

5 Aufgabenstellungen: 1. Aufgabe: Wählen Sie m1 = 1 kg, m2 = 1 kg, v1 = 0,5 m/s und v2 = 0 m/s. Der Schalter soll so gestellt sein, dass ein elastischer Stoß simuliert wird. Starten Sie den Versuch und lassen Sie ihn laufen, bis der zweite Gleiter die rechte Wand nach dem Stoß wieder verlassen hat. Hinweis: Sie können mit gedrückter Playtaste den Ablauf exakter steuern. Skizzieren Sie ein Ekinges.- Zeit Diagramm und ein v-t-diagramm für den gesamten Durchlauf. Interpretieren Sie für beide Diagramm den Verlauf der Graphen. 2. Aufgabe: Verändern Sie m1 auf 2 kg und starten Sie den Versuch erneut. Skizzieren Sie wieder beide Diagramme und erläutern Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu den Diagrammen im Versuch Aufgabe: Verändern Sie m1 = 4 kg und v2 = -1 m/s. Starten Sie den Versuch und lassen Sie ihn nur bis kurz nach dem Zusammenstoß laufen. Skizzieren Sie nur das v-t-diagramm. Interpretieren Sie den Verlauf der Graphen, berechnen Sie die Geschwindigkeiten nach dem Stoß und vergleichen Sie diese mit den LED-Anzeigen im Versuch. 4. Aufgabe: Stellen Sie den Schalter auf unelastischen Stoß. Führen Sie nun den Versuch viermal mit folgenden Daten durch: (A) Bedingungen wie bei Versuch 1, (B) v2 = -0,5 m/s, (C) m2 = 10 kg, v2 = 0 m/s und (D) m1 = 10 kg, m2 = 1 kg Starten Sie jeweils den Versuch und lassen Sie ihn nur bis kurz nach dem Zusammenstoß laufen. Skizzieren Sie in ein Ekinges.- Zeit- Diagramm die vier Graphen (verwenden Sie verschiedene Farben) und interpretieren Sie den Verlauf der Graphen. Stellen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zusammen. Berechnen Sie für alle 4 Durchläufe jeweils die Geschwindigkeit und die kinetische Energie nach dem Stoß. Fassen Sie ihre Versuchsergebnisse in einer allgemeingültigen Aussage über den zeitlichen Verlauf von kinetischer und potentieller Energie bei elastischen und unelastischen Stoßvorgängen zusammen. 5

6 Physikalisches Praktikum Resonanz beim harmonischen Oszillator Grundinformationen/Bedienhinweise Mit Hilfe des Tachosymbols können Anzeigen auf dem Bildschirm dazugenommen werden, mit Hilfe des Schraubendrehersymbols können Anzeigen (Schließen) vom Bildschirm genommen werden. Beim Dazunehmen von Anzeigen kann jeweils rechts die Anzeigeform (Digital (LED), Zeigerinstrument, Oszillograph,...) gewählt werden. Mit Hilfe der Tasten Stop q, Play > und Skip >> erfolgt die Versuchsdurchführung. Mit Skip läuft der Versuch ab, mit Play erfolgt ein schrittweiser Ablauf und mit einem Doppelklick auf Stop wird der Versuch auf die Anfangseinstellung zurückgesetzt und kann erneut gestartet werden. Voreinstellungen: Starten Sie das Modell Federschwinger. Im Menü Variablen im Punkt Alle Parameter verändern Sie den Zeitschritt auf und die Erdbeschleunigung auf Die Voreinstellungen m = 1 kg und k = 9 N/m sollen zunächst nicht verändert werden. Vorbetrachtungen: 1. Was ist Resonanz? 2. Was versteht man unter Eigenfrequenz? 3. Mit welcher Formel lässt sich die Eigenfrequenz bei einer Federschwingung berechnen? 4. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Eigen- und der Resonanzfrequenz? 6

7 Aufgabenstellungen: 1. Aufgabe: (theoretische Lösung) Berechnen den theoretischen Wert der Eigenfrequenz f 0 für die gegebene Feder bei einer ungedämpften harmonischen Schwingung. Geben Sie den theoretischen Wert der Resonanzfrequenz an. Gegeben: k= m= Gesucht: f o und f E in Hz Lösung: 2. Aufgabe: (Experimentelle Lösung) Stellen Sie eine Dämpfung von 0.2 und einen Hub H0 von 0.1 m ein. Die Dämpfung kann für die Frequenzmessung vernachlässigt werden und hat den Sinn, die entstehenden Amplituden in Grenzen zu halten. Verändern Sie die Hubkreisfrequenz w und messen Sie jeweils die Amplitude. Geben Sie dem System bei jeder neuen Frequenz einige Zeit, Einschwingvorgänge abklingen zu lassen. Hinweis: Die Hubfrequenz ist die Erregerfrequenz, sie wird in diesem Programm als Hubkreisfrequenz eingegeben. Die Erregerfrequenz ist also mit f E = ω/2π zu berechnen. Zeichnen Sie eine Resonanzkurve in einem Erregerfrequenz-Amplituden-Diagramm. Verwenden Sie dazu die Ergebnisse aus der Aufgabe 2. Interpretieren Sie den Kurvenverlauf. Geben Sie einen Wert für die Resonanzfrequenz an. Messwerte: w in Hz 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 ymax in m 7

8 3. Aufgabe: Die Aufnahme einer solchen Resonanzkurve ist in der Regel eine Menge Messarbeit, kann mit der Albert-Funktion "Serie" jedoch vollautomatisiert werden, so dass auch der Vergleich verschiedener Resonanzkurven möglich ist. Führen Sie die folgenden Schritte durch und beantworten Sie die nachstehenden Fragen. 1) Rufen Sie im Menü Variablen den Punkt Alle Parameter auf und stellen Sie folgende Parameter ein: Dämpfung = 0.0, Hub = 0.10, Startpunkt = ) Rufen Sie im Menü Variablen den Punkt Serie definieren auf (Tastatur STRG-F). 3) Wählen Sie in der Liste als Kontrollvariable die Hubfrequenz. Rechts wird ein Wertebereich festbelegt, in dem die Kontrollvariable verändert werden soll. Dies entspricht sozusagen der x-achse der Resonanzkurve. Setzen Sie als Minimum der Frequenz 2.2/s und als Maximum 3.8/s. Die Schrittweite ist 0.05/s, so dass sich insgesamt 33 verschiedene Frequenzwerte ergeben. Der Wert Schritte pro Durchgang bestimmt, wie lange das System mit einer einzelnen Frequenz läuft. Falls die Variable 'Zeitschritt' auf 0.1 s steht, ergibt z.b Schritte, dass ein einzelner Lauf nach 1000 * 0.1s= 100 Modellsekunden gestoppt und die nächste Frequenz eingestellt wird. Tragen Sie also 1000 ein. 4) Nun müssen Sie noch angeben, was nach jedem einzelnen Lauf gemessen und über der Kontrollvariable aufgetragen werden soll. Dazu betätigen Sie den Schalter '@-Variablen'. Es erscheint ein weiterer Dialog, in dem Sie in der linken Liste die Variable 'Maximale Amplitude' auswählen. Klicken Sie 'Hinzufügen' an, um diese Variable an die Liste in der rechten Dialoghälfte anzuhängen. Klicken Sie OK und verlassen Sie auch den vorherigen Dialog mit OK. 5) Nun könnte die Serie im Prinzip gestartet werden. Falls Sie jedoch erheblich Messzeit sparen wollen, wird empfohlen, das Fenster 'Versuchsaufbau' auf Symbolgröße zu bringen (Im Fenstermenü 'Symbol' anklicken). Dann braucht nicht nach jedem Zeitschritt die Feder geplottet zu werden, was sehr viel Zeit benötigt und für die Resonanzkurve unerheblich ist. Wenn Sie jedoch die Resonanz live erleben wollen, dürfen Sie auf dieses Fenster nicht verzichten. Die Messung dauert dann entsprechend länger. Die Parameteranzeigen können ebenfalls abgeschaltet werden mit Fenster und Instrumentenleiste entfernen. 6) Rufen Sie den Anzeigedialog mit der Tastenkombination STRG-D auf, und wählen Sie in der Variablenliste links die Variable '@-Maximale Amplitude', die ganz am Ende der Liste steht. Diese Variable bringen Sie mit einem XY-Plot auf den Schirm. In diesem Plot entsteht dann die Resonanzkurve, denn der Serie enthielt ja die maximale Auslenkung aufgetragen über der Anregungsfrequenz. 7) Starten Sie die Serie über das Menü 'Variablen' - Punkt 'Serie starten', oder drücken Sie alternativ STRG-E. 8

9 8) Wenn die Serie abgeschlossen ist, messen Sie im XY-Plot die Breite der Resonanzkurve auf halber Höhe, die sogenannte "Halbwertsbreite". Abstandsmessungen im XY-Plot kann man durch Setzen von zwei Mausklicks ausführen, unten rechts im Fenster werden dann die Abstände maßstabgerecht angegeben. Übertragen Sie das Diagramm auf ihr Protokoll und notieren Sie die Halbwertsbreite und die Höhe der Resonanzkurve im Maximum. 9) Wiederholen Sie nun die Schritte 2) - 8) mit den Dämpfungswerten 0.2 und 0.6. Skizzieren Sie die Diagramme und notieren Sie jeweils Halbwertsbreite und Höhe der Resonanzkurve. Auswertung: Beantworten Sie die folgenden Fragen und begründen Sie Ihre Antworten. 1. Wie verändert sich die Lage der Resonanzfrequenz bei Erhöhung der Dämpfung? 2. Wie ändert sich das Aussehen der Resonanzkurve bei Erhöhung der Dämpfung? 3. Was kann man aus der Halbwertbreite und der maximalen Amplitude über den Schwingungsvorgang aussagen? 4. Wie ändern sich die maximale Amplitude und die Halbwertsbreite bei Erhöhung der Dämpfung? 9

10 Physikalisches Praktikum Bewegungsanalyse Aufgabenstellungen: 1) Untersuchen Sie die Bewegung einer Kugel für die dargestellten Bewegungsabschnitte! 2) Untersuchen Sie den Einfluss der Anfangsgeschwindigkeit für den 3. Bewegungsabschnitt! Skizze: 1. Abschnitt 2.Abschnitt 3.Abschnitt v o Durchführung und Auswertung: Untersuchung 1: 1. Stellen Sie die Ablaufschiene auf 3 Neigung. Kennzeichnen Sie auf der Ablaufschiene mindestens 4 verschieden lange Strecken! 2. Messen Sie für jede Strecke 2 mal die Ablaufzeit der Kugel und berechnen Sie den Mittelwert der Zeit t! Erfassen Sie die Wege und Zeiten in einer Tabelle! 3. Fertigen Sie für die Bewegung der Kugel das s-t -, v-t - und a-t - Diagramm an! Um welche Bewegung handelt es sich? Begründen Sie! 4. Um welche Bewegung handelt es sich im Abschnitt 2 und 3? Begründen Sie! Untersuchung 2: 1. Messen Sie die Wurfweiten bei verschiedenen Anfangsgeschwindigkeiten mit konstanter Höhe! 2. Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Anfangsgeschwindigkeit und Wurfweite graphisch dar! Formulieren Sie ein Ergebnis! 3. Berechnen Sie für eine Anfangsgeschwindigkeit die theoretische Wurfweite. Vergleichen Sie berechnete und experimentell ermittelte Wurfweite. Erklären Sie, weshalb die beiden Werte von einander abweichen. 4. Stellen Sie eine Gleichung für g auf. Berechnen Sie g mit Ihren Messwerten und bilden Sie den Mittelwert. 10