Kraftplattform KRAFTPLATTFORM... 1 ÜBERBLICK... 3 SCHÜLER-EXP-ANLEITUNG KRAFTPLATTFORM... 6 ERGÄNZUNG ALTERNATIVE Didaktische Hinweise...

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1 FK008 Kraftplattfrm.dc Kraftplattfrm KRAFTPLATTFORM... 1 ÜBERBLICK... 3 Didaktische Hinweise... 3 Lernziele... 4 Physikalischer Hintergrund... 4 Durchführung... 4 Experiment... 5 Bewertung... 5 SCHÜLER-EXP-ANLEITUNG KRAFTPLATTFORM... 6 Einführung... 6 Hintergrund... 6 Messung... 7 Schülerantwrtblatt... 8 ERGÄNZUNG ALTERNATIVE... 9 Physik-Sprt Hinweise Teil Physik-Sprt Hinweise Teil franz kranzinger DataStudi

2 FK008 Kraftplattfrm.dc franz kranzinger - - DataStudi

3 FK008 Kraftplattfrm.dc Überblick Zeitbedarf: Unterrichtsstunden (ca 90 Minuten) Klassenstufe: 10 Schwierigkeitsgrad: 7 DataStudi Kraft- Plattfrm Xplrer-GLX Null-Eichung Kern: Die Schülerinnen und Schüler nehmen das F-t-Diagramm beim Sprung aus dem Stand auf und interpretieren dieses Diagramm aus physikalischer Sicht. Beschreibung: [01.] Sprung aus dem Stand mit und hne Armschwung Die Kraftplattfrm nimmt das F-t-Diagramm beim Sprung aus dem Stand auf und gestattet die Darstellung des F-t-Diagramm in der DataStudi-Sftware. Der Sprung wird mit und hne Armschwung ausgeführt und die Unterschiede diskutiert. [0.] Absprung mit Anlauf Die Kraftplattfrm dient bei diesem Experiment zur Aufnahme des F-t-Diagramms beim Absprung ähnlich dem Bewegungsablauf wie beim Weitsprung. [03.] Aufzugsexperimente Die Kraftplattfrm wird im Aufzug eingesetzt, um das F-t-Diagramm bei unterschiedlichen Phasen (Anfahren, knstant Fahren, Abbremsen bei Aufwärts- und Abwärtsfahrt) zu untersuchen. Didaktische Hinweise Die Bewegungsabläufe in Sprt können mtivierende Beispiele für den Physikunterricht liefern. Physikalische Therien können dazu dienen, Bewegungsabläufe in Sprt prfessinell zu beschreiben. Wesentlich ist hierbei eine fächerübergreifende Zusammenarbeit vr allem der Abgleich wesentlicher Begriffe, die bei der Beschreibung der Bewegungsabläufe eine Rlle spielen, stehen am Anfang dieser Zusammenarbeit. Die Kraftplattfrm als Kraftsensr -, die über eine einfache Steckverbindung an den Xplrer-GLX, an einen Bluetth-Link der an einen USB-Link angeschlssen wird, liefert die Messwerte direkt in die DataStudi-Sftware. franz kranzinger DataStudi

4 FK008 Kraftplattfrm.dc Lernziele Die Schülerinnen und Schüler festigen Ihre Vrstellung über die Zusammenhänge zwischen Kraft und Beschleunigung können ihr Wissen über Impuls, Impulserhaltungssatz, Kraft als Impulsänderung pr Zeit einbringen, um das F-t-Diagramm beim Standsprung, beim Absprung der im Fahrstuhl zu interpretieren. lernen ihre eigenen Körperfunktinen besser kennen. können ihr Verständnis auf Situatinen aus dem Alltag übertragen z.b. können Sie erklären, warum man beim Aufzug beim Anfahren, Fahren und Abbremsen ganz unterschiedliche Schwere empfindet. Physikalischer Hintergrund Der Impuls qualitativ schn in der Klassenstufe 7 8 und dann die Kraft als Impulsänderung pr Zeit bieten die Grundlage für ein Verständnis vn dynamischen Vrgängen. Selbstverständlich kann man aus dem F-t-Diagramm mit der Kraft- Beschleunigungsvrstellung Erkenntnisse über den Bewegungsablauf gewinnen. Die Erfahrung zeigt, dass gerade bei slch kmplexen Zusammenhängen, bei denen Beschleunigungs- und Zerzögerungsphasen s schnell aufeinander flgen, die Vrstellung der Kraft als Impulsstrm als als Impulsänderung pr Zeit sehr hilfreich eingesetzt werden können. Interessant bei der Interpretatin des F-t-Diagramms sind die Tiefpunkte, die Schnittpunkte mit der Geraden F=mg und die Hchpunkte. Die Schwingung am Ende des Standsprungs wird die S eventuell überraschen. Durchführung 1. Stunde: [01.] Sprung aus dem Stand Die Schülerteams diskutieren die beim Sprung aus dem Stand auftretenden Kräfte. Selbstverständlich wird man bei diesen Vrhersagen kein perfektes Diagramm erwarten. Wesentlich ist hierbei die Zerlegung des Sprungs in einzelne Phasen und eine Erwartung, welche Kräfte drt jeweils auftreten. Wichtig ist hierbei, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, in welchen Phasen des Absprungs die Kraftplattfrm eine Kraft vn F=m g anzeigt. [0.] Absprung mit Anlauf Die Schülerteams analysieren auch bei dieser Sprungart die verschiedenen Bewegungsphasen und vermuten das zugehörige F-t-Diagramm. [03.] Aufzugsexperimente Man kann davn ausgehen, dass die Schülerteams bei dem Aufzugsexperiment einen Erfahrungsschatz mitbringen. Die wesentliche Schwierigkeit besteht in diesem Experiment in der genauen Beschreibung der vrhandenen Intuitinen. franz kranzinger DataStudi

5 FK008 Kraftplattfrm.dc Experiment. Stunde Beschreibung der Durchführung für die Lehrkraft: 1. Jeder Schüler bekmmt eine Kpie der Experimentieranleitung und ein Schüler- Antwrt-Blatt.. Jedes Teammitglied bekmmt eine spezielle Aufgabe. Wenn ein Team aus vier Persnen besteht, könnte das flgendermaßen aussehen: Schüler 1 beschäftigt sich mit der Experimentieranleitung. Dieser Schüler liest die Anleitung, damit sichergestellt ist, dass sie das Messerfassungssystem krrekt bedienen. Schüler ist dafür verantwrtlich, dass das Schüler-Antwrtblatt fertig gestellt wird. Schüler 3 ist für die Bedienung und Kntrlle der Geräte verantwrtlich. Schüler 4 bedient den Cmputer. 3. Die Kraftplattfrm wird an das Xplrer-GLX-Grundgerät angeschlssen. Das Kabel muss srgfältig verlegt werden, damit bei den verschiedenen Bewegungsabläufen keine Stlperfallen entstehen. 4. Nun wählt man die passende DataStudi-Knfiguratin-Datei mit dem Namen: FK08 Kraftplattfrm.ds und fährt entsprechend den Instruktinen auf den Schüler- Experimentier-Anleitungen frt. Vraussagen Die Teams beantwrten das Schüler-Antwrt-Blatt als Hausaufgabe. Im Sinne der s genannten Galileischen Methde (Experimente sind immer theriegeleitet) im Sinne der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise ( auf der Basis vn Hypthesen, Mdellvrstellungen und schn vrhandenen Therien werden Vrhersagen frmuliert; im Experiment werden diese Vrhersagen falsifiziert der verifiziert ) - ist es wesentlich, dass die verbale Beschreibung und die Vrhersagen frmuliert wurden, bevr die Messung durchgeführt wird. Typische Antwrten Die Schülerteams gehen im Regelfall nicht nur theretisch vr sndern sie führen Trckensprünge aus und versuchen aus ihrem Schweregefühl heraus, auf die wirksamen Kräfte zu schließen. Diese Trckenübungen führen aber nicht immer zu einer krrekten Lösung. Schwierigkeiten macht z.b. die Aushlphase beim Start des Standsprungs. W in dieser Phase ist die Kraft am größten Welche Kräfte wirken in der Phase, in der eine Beschleunigung nach unten bzw. eine Verzögerung nach ben erflgt? Prbleme bereitet auch die Landung mit dem Ausschwingen der Plattfrm. Bewertung In diesem Abschnitt werden Lernzielkntrllen beschrieben UND Vrschläge für mögliche Bewertungen gemacht: Haben die Schülerinnen und Schüler die Ausstattung richtig angeschlssen? Sind sie entsprechend den Anweisungen vrgegangen? Können die Schülerinnen und Schüler zeigen, dass sie durch ihre Bebachtungen während der Messungen ihre eventuell falschen Vrhersagen reflektiert krrigieren können? Und haben die Schülerinnen und Schüler die Fragen auf dem Schüler- Antwrtblatt richtig beantwrtet. Wurden Alltagsbezüge gefunden z.b. warum ein Rechtshänder einen linken Sprungfuß hat und umgekehrt. franz kranzinger DataStudi

6 FK008 Kraftplattfrm.dc Schüler-Exp-Anleitung Kraftplattfrm Einführung Wir wllen mit diesem Experiment das F-t-Diagramm bei verschiedenen Bewegungsabläufen aufnehmen und die gewnnen Diagramm aus physikalischer Sicht interpretieren. NOTEBOOK Geräteausstattung Cmputer mit einem USB-Anschluss Pasc Xplrer-GLX-Grundgerät CONATEX-Bestellnr der USB-Link (CONATEX-Bestellnr ) der Bluetth-USB-Adapter (CONATEX-Bestellnr ) Pasc Kraftplattfrm einfach (CONATEX-Bestellnr ) der für Achsen (CONATEX-Bestellnr ) Pasc DataStudi Sftware Für die experimentelle Alternative: Xplrer-GLX-Weste (CONATEX-Bestellnr ) Beschleunigungssensr mit LED-Indikatr (CONATEX-Bestellnr ) Beschleunigungssensr Messung in Achsen) (CONATEX-Bestellnr ) Beschleunigungssensr Messung in 3 Achsen mit Höhenmessgerät (CONATEX- Bestellnr ) Hintergrund Mit der Kraftplattfrm sllen Sie das F-t-Diagramm in verschiedenen experimentellen Umgebungen aufnehmen. Die Kraftplattfrm liefert die Messdaten über das Anschlusskabel an das Xplrer-GLX-Grundgerät und gestattet damit die sfrtige Ausgabe des F-t-Diagramms durch die DataStudi-Sftware. Vrhersage Vr der Messung mit dem Messerfassungssystem beantwrten Sie bitte den Teil des Schüler-Antwrtblattes, der sich mit den Vrhersagen befasst. franz kranzinger DataStudi

7 FK008 Kraftplattfrm.dc Messung Cmputer-Setup 1. Schließen Sie den Xplrer-GLX am USB-Anschluss des Cmputers an.. Nun wählt man die passende DataStudi-Knfiguratin-Datei mit dem Namen: FK08 Kraftplattfrm.ds und fährt entsprechend den Instruktinen auf den Schüler-Experimentier-Anleitungen frt. Hinweis: Die Knfiguratins-Datei aktiviert die passende Bildschirmausgabe und die Messrate. Ausstattungs-Setup Kraftplattfrm Die Kraftplattfrm ist kmplett und betriebsbereit. Die Kabelverbindung zwischen der Kraftplattfrm und dem Xplrer-GLX-Grundgerät sllte srgfältig beplant und s ausgeführt werden, dass keine gefährlichen Stlperfallen entstehen. Messwerterfassung (Datenaufnahme) Entrpie-Strm-Messgerät In der DataStudi-Sftware wird das F-t-Diagramm autmatisch geöffnet, wenn die richtige Schnittstelle gewählt und die Kraftplattfrm eingesteckt ist. Sllte das nicht autmatisch funktinieren, kann man diesen Kraftsensr auch manuell einbinden. Ausblicke Betrachtet man das F-t-Diagramm, ist man vn dem kmplexen Verlauf eventuell zunächst überrascht. Für die Diskussin und vr allem für die Interpretatin des Verlaufs empfiehlt sich die Einteilung in verschiedene Phasen. F Sinnvll erscheint die Markierung bestimmter Zeitpunkt ( z.b. an den Schnittpunkten des Diagramm mit der mg-geraden) und die Benennung verschiedener Zeitbereiche zwischen diesen Zeitpunkten. mg-gerade Eine typische Interpretatin findet man unter Lehrerhinweise. Literatur [01] Handbuch zum Xplrer-GLX [0] Technische Unterlagen zur Kraftplattfrm [03] BIOMECHANIK; Benn M. Nigg, ISBN Nr X der spätere Auflagen. t 1 t franz kranzinger DataStudi

8 FK008 Kraftplattfrm.dc Schülerantwrtblatt Verwenden Sie zur Beantwrtung der flgenden Fragen geeignete Ressurcen (Schulbuch, Schulbiblithek, Internet, Expertenwissen ) [A] Definitinen Begriffe [A.01] [A.0] [A.03] [A.04] Welcher Zusammenhang besteht zwischen Kraft, Impulsänderung und Wirkungszeit? Wie kann man aus dem Impulserhaltungssatz die s genannten Newtnschen Axime ableiten? Was versteht man unter dem Trägheitssatz? Wie kann man mit Kraft, Impulsänderung, Beschleunigung, Verzögerung dynamische Bewegungen beschreiben. [B] Vrhersagen (im Sinne der Galileischen Methde) [B.01] [B.0] [B.03] [B.04] Welches F-t-Diagramm erwartet man bei einem Sprung aus dem Stand vn der Kraftplattfrm und der anschließenden Landung auf dieser Plattfrm. Welchen Unterschied erwartet man bei einem Sprung mit und hne Armschwung. Kann man beim Absprung mit beiden Füßen eine dppelte Kraft und eine dppelte Sprunghöhe erwarten im Vergleich zum Absprung mit einem Fuß? Welches F-t-Diagramm ergibt sich whl beim Absprung ähnlich einem Weitsprung? Welches F-t-Diagramm ergibt sich in einem Aufzug bei den unterschiedlichen Phasen Anfahren, knstant Fahren, Abbremsen swhl bei der Aufwärts- als auch bei der Abwärtsfahrt. [C] Messung [C.01] [C.0] [C.03] Nehmen Sie das F-t-Diagramm bei einem Sprung aus dem Stand vn der Kraftplattfrm und der anschließenden Landung auf dieser Plattfrm auf. Interpretieren Sie das Diagramm Beschreiben Sie in jeder Phase des Diagramms die wirksamen Kräfte und die zugehörige Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung. Messen Sie das F-t-Diagramm beim Absprung mit einem Fuß und unter möglichst gleichen Randbedingungen den Absprung mit beiden Füßen. Welche Flgerungen können Sie aus den Messwerten ziehen? Nehmen Sie das F-t-Diagramm bei einem Absprung ähnlich einem Weitsprung - vn der Kraftplattfrm auf. Interpretieren Sie das Diagramm Beschreiben Sie in jeder Phase des Diagramms die wirksamen Kräfte und die zugehörige Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung. [C.04] Stellen Sie die Kraftplattfrm in einen Aufzug und messen Sie jeweils getrennt für die Auf- bzw. Abwärtsfahrt: die Anfahrphase die Phase, in der der Aufzug mit knstanter Geschwindigkeit fährt und die Abbremsung bis zum Stillstand. Interpretieren Sie das Diagramm Beschreiben Sie in jeder Phase des Diagramms die wirksamen Kräfte und die zugehörige Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung. [D] Flgerungen [D.01] [D.0] Welche Flgerungen können Sie aus Ihren Experimenten ziehen z.b. welches Diagramm erwarten Sie, wenn Sie auf der Plattfrm stehen und die Arme auf und ab schwingen? z.b. wie passt das Schwereempfinden während einer Fahrstuhlfahrt zu dem aufgenmmenen Diagramm? z.b. welche maximale Belastung wirken auf den Sprung-Fuß beim Absprung? Was sagen die Sprtler zu Ihren physikalischen Erkenntnissen? franz kranzinger DataStudi

9 FK008 Kraftplattfrm.dc Ergänzung Alternative Ist eine Xplrer-GLX-Weste (CONATEX-Bestellnr ) in der Physiksammlung vrhanden, kann die Versuchspersn diese Weste anziehen und einen Beschleunigungssensr in der Weste beim Sprung depnieren. In der DataStudi-Sftware laufen dann swhl die Kraft-Zeit-Werte als auch die Beschleunigungs-Zeit-Werte zusammen und können gegeneinander aufgetragen und analysiert werden. Als mögliche Beschleunigungssensren können flgende Geräte eingesetzt werden: Beschleunigungssensr mit LED-Indikatr CONATEX-Bestellnr Beschleunigungssensr ( Achsen) CONATEX-Bestellnr Beschleunigungssensr (3 Achsen) mit Höhenmessgerät (CONATEX-Bestellnr ) Eine interessante Frage ist hierbei, welchen Aussagewert der Qutient F/a während des Experiments hat franz kranzinger DataStudi

10 FK008 Kraftplattfrm.dc Physik-Sprt Hinweise Teil 01 Standsprung mit Aushlen F t t 1 t t 3 t 4 1. t=0 Die Versuchs-Persn steht auf der Cnatex-Messplattfrm.. Aushlbewegung das bedeutet eine Entlastung der Plattfrm die V-P geht in die Knie der Körperschwerpunkt wird nach unten beschleunigt 3. t=t 1 Der Schwerpunkt erreicht seine höchste Geschwindigkeit während der Abwärtsbewegung Beschleunigung in dieser Phase = 0; die Kraftplattfrm wird mit der nrmalen Schwerkraft mg belastet. 4. Die Abwärtsbewegung wird verzögert das bedeutet eine zusätzliche Kraft nach unten die Kraftplattfrm ist stärker belastet als mit mg. 5. t=t Der Schwerpunkt des Körpers erreicht seinen tiefsten Punkt die Geschwindigkeit des Körperschwerpunkts ist in diesem Punkt 0 der Körper wird aber nach ben beschleunigt aus der Ruhe heraus 6. Der Körper befindet sich in der Aufwärtsbewegung die beschleunigende Kraft wird dabei immer kleiner 7. t=t 3 Zu diesem Zeitpunkt verlassen die Füße die Kraftplattfrm 8. In dieser Phase befindet sich der Körper in der Luft 9. t=t 4 Der Körper landet wieder auf der Kraftplattfrm 10. Die Kraft auf die Plattfrm steigt an erreicht den Wert mg und steigt dann weiter an, um den Körper abzubremsen fällt wieder ab es setzt ein Schwingung ein bis der Körper auf der Plattfrm zur Ruhe kmmt. franz kranzinger DataStudi

11 FK008 Kraftplattfrm.dc Weitere Analysen Teil 1 Es gilt der Energieerhaltungssatz: m g H = 1 m v Weiter gilt der Impulserhaltungssatz: m v0 = [ F( t) mg] dt t3 0 0 Das Integral ergibt sich als Fläche unter dem F-t- Diagramm Insgesamt bekmmen wir als: H = t 3 [ F( t) m g] 0 m g dt Zitat aus [3] Seite 113: Für die Sprunghöhe und diese Größe ist im wesentlichen entscheidend für die meisten Sprünge ist nicht die Kraftamplitude, sndern das Kraftintegral, d.h. der Impuls maßgebend. Im Verlauf der experimentellen Untersuchungen hat sich denn auch gezeigt, dass für bimechanischen Überlegungen der Impuls die aussagekräftige Größe ist. Teil Die Flächen unter dem F-t-Diagramm entspricht der Impulsänderung. Wen die Versuchspersn vr dem Absprung in Ruhe steht als einen verschwindenden Impuls hat -, dann muss der Impuls im tiefsten Punkt als am Ende der Aushlphase als kurz vr dem Absprung ebenfalls verschwinden. Der Körperschwerpunkt hat zu diesem Zeitpunkt gerade die Geschwindigkeit 0. Als muss die Fläche 1 und die Fläche gleich grße sein. Teil 3 Da die Versuchspersn am Anfang in Ruhe ist und am Ende ebenfalls in Ruhe ist müssen alle Flächen (rientiert bzgl. der Gerade mg) Null ergeben. Teil 4 Bestimmung der Flugzeit über die Fläche 5 Die Fläche 5 berechnet sich aus m g (t 4 t 3 ) mit (t 4 -t 3 ) = T auf & ab (01) Aus v 0 = g T auf & ab / T auf & ab = v 0 / g Fläche 5 ergibt sich danach zu m v 0 (0) Der Impuls beim Absprung entspricht als der halben Fläche 5 (03) Es gilt der Energieerhaltungssatz Es gilt der Impulserhaltungssatz m g H = m v0 = 1 m v pabsprung 0 Weiter gilt der Impulserhaltungssatz: mit p absprung = (Fläche 5) / H = ( p ) m Absprung g ( Fläche 5) H = m 8 g Insgesamt bekmmen wir als: m g Tauf & H = m 8 g ab Die Sprungdauer ist als ein Maß für die Sprunghöhe H = 1 8 g T auf & ab Der Zusammenhang zwischen dem Impuls und der Sprunghöhe kann durch die Versuchspersn nicht verfälscht werden. Die Flugzeit kann aber manipuliert werden denn die Versuchspersn kann z.b. die Füße kurz vr der Landung anziehen. franz kranzinger DataStudi

12 FK008 Kraftplattfrm.dc Physik-Sprt Hinweise Teil 0 Prinzip der Anfangskraft aus ISBN Bewegungslehre Kursbuch 3 Peter Röthik Limpert-Verlag Das Prinzip der Anfangskraft sll am Beispiel des Streckspruns hne bzw. mit Aushlbewegung verdeutlicht werden. Grundlage für die Erläuterung dieses Prinzips ist die Beziehung zwischen Kraft und Zeit denn die Fläche unter dem F-t-Diagramm entspricht der Impulsänderung. Ohne Aushlbewegung der Springer steht mit gebeugten Knien in Ruhe auf der Plattfrm Zum Zeitpunkt t 1 wirkt nur die Schwerkraft auf die Versuchspersn. Ab dem Start des Absprungs, wirkt zusätzlich zur Schwerkraft die Muskelkraft der Versuchspersn der Springer übt Kraft auf die Unterlage aus. Diese Kraft erreicht ihren maximalen Wert und nimmt dann wieder ab kurz vr dem Verlassen der Messplattfrm wirkt nur nch die Schwerkraft ab dem Zeitpunkt des Verlassens der Messplattfrm wirkt keine Kraft mehr auf die Plattfrm. Man könnte nun meinen, dass zwischen einem Sprung hne Aushlbewegung und mit Aushlbewegung kein Unterschied bezüglich der erreichten Höhe besteht denn in beiden Fällen befindet sich der Körper mit gebeugten Knien im tiefsten Punkt UND ab diesem Punkt müsste dch alles genau gleich ablaufen. Mit Aushlbewegung der Springer steht am Anfang gestreckt Das Prinzip der Anfangskraft besagt nun, dass bei Beuge- und Streckbewegungen mit sfrtiger Bewegungsumkehr zu Beginn der Streckung durch das Abbremsen der Beugebewegung eine psitive Anfangskraft vrhanden ist. Der Sprung beginnt mit einer Aushlbewegung bei dieser Aushlbewegung wird die Kraftplattfrm entlastet (1) Diagramm verläuft unter der mg-linie t 0 -t 1 Diese Abwärtsbewegung muss abgebremst werden () t 1 -t dies führt zu einer Kraftwirkung berhalb der mg-linie. Die Flächen (1) und () als die Impulsänderungen sind gleich grß nach dem Impulserhaltungssatz Erst ab diesem Zeitpunkt beginnt der Absprung (das bige Diagramm Absprung hne Aushlbewegung) beginnt erst zu diesem Zeitpunk. Die Kraft hier Anfangskraft genannt liegt zu diesem Zeitpunkt weit über der Kraft beim Sprung hne Aushlbewegung Zum Zeitpunkt der Bewegungsumkehr (t =t a ) liegt als eine Anfangskraft vr, die zu einem Gewinn in der Impulsänderung (3) führt. Ein Teil des Gewinns der Impulsänderung geht aber gegenüber einem Strecksprung hne Aushlbewegung wieder verlren, da der Strecksprung mit Aushlbewegung früher beendet ist (5). Kraft Zeit t 0 t 1 t =t a t 3 =t e franz kranzinger DataStudi