Gekoppelte Pendel (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Gekoppelte Pendel (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse Lehrplanthema: Mechanik Unterthema: Schwingungen und Wellen Experiment: Gekoppelte Pendel Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schere Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformation Die Schüler sollen an zwei gekoppelten Pendeln untersuchen, wie diese wechselwirken und die auftretende Schwebefrequenz f s bestimmen. Weiter sollen sie die Schwingungsfrequenzen bei gleichsinniger (f 1 ) und gegensinniger (f 2 ) Anregung messen. In der Zusatzaufgabe soll der Einfluss der Kopplung auf die Schwebungsfrequenz untersucht werden. Anmerkung Zur Veränderung der Kopplung: Die Masse sollte nur verkleinert werden, da andernfalls die beiden Fadenpendel schief hängen und die Messergebnisse unsauber werden. Der Ansatzpunkt für die Kopplung darf nicht zu tief gelegt werden, da andernfalls die Frequenzunterschiede für gleich- und gegensinnige Anregung zu gering und somit die Messfehler zu groß werden.

2 Gekoppelte Peedel (Artikeler.: P ) Aufgabe ued Material Aufgabe Wie verhaltee sich zwei gekoppelte Peedel? Beobachte das Verhalten zweier Fadenpendel, die mittels einer Schnur und eines Massestückes gekoppelt sind. Miss die Schwebungsdauer der gekoppelten Pendel. Bestimme die Schwingungsdauer beider Pendel bei gleichsinniger und bei gegensinniger Schwingung.

3 Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Stativfuß, variabel Stativstange Edelstahl mit Bohrung, l = 100 mm Stativstange Edelstahl 18/8, l = 250 mm, d = 10 mm Stativstange, l = 600 mm, d = 10 mm, zweigeteilt, verschraubt Doppelmuffe Gewichtsteller für Schlitzgewichte Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 10 g Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 50 g Präzisionsgewichtsatz 1 g...50 g, in Etui Stoppuhr, 10 Min., Teilung 0,2 s Maßband, l = 2 m Angelschnur, auf Röllchen, d = 0,7 mm, 20 m Zusätzliches Material Schere Aufbau ued Durchführueg Aufbau Verbinde die beiden Stativfußhälften mit der Stativstange 25 cm und stelle die Verschlusshebel fest (Abb. 1). Verschraube die zweigeteilten Stativstangen zu zwei langen Stangen. Setze diese beiden Stativstangen (60 cm) in die Stativfußhälften, und befestige sie mit den Verschlussschrauben (Abb. 3).

4 Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Klemme die zwei kurzen Stativstangen in die Doppelmuffen (Abb. 4). Abb. 4 Baue zwei exakt gleiche Fadenpendel auf. Die Pendellänge beträgt 40 cm, jedes hat eine Masse von m = 70 g. Der Abstand der beiden Aufhängepunkte soll 10 cm betragen.

5 Überprüfe, ob beide Pendel die gleiche Schwingungsdauer besitzen! Gegebenenfalls musst du die Pendellänge eines der beiden Pendel etwas verändern. Befestige exakt in der Mitte eines Stückes Angelschnur (20 cm lang) ein Massestück 10 g. Kopple die beiden Pendel mit dem Stück Angelschnur, indem du es am oberen Ende der Gewichtsteller befestigst (Abb. 5). Abb. 5 Durchführueg Bringe das System zum Schwingen, indem du ein Pendel um etwa 4 cm zur Seite auslenkst (Abb. 6). Lass das Pendel los, beobachte das Verhalten beider Pendel und notiere deine Beobachtungen im Protokoll. Miss die Schwebungsdauer der beiden gekoppelten Fadenpendel: Bestimme dafür die Zeit T s zwischen zwei Stillständen eines Pendels. Wiederhole die Messungen zweimal und notiere die gemessenen Zeiten in Tabelle 1 im Protokoll. Bestimme die Schwingungsdauer eines Pendels, wenn beide Pendel zur gleichen Seite (gleichsinnig) und gleich weit ausgelenkt wurden. Miss dazu die Zeit für 10 Schwingungen, wiederhole die Messung zweimal. Trage die Messwerte in Tabelle 2 im Protokoll ein. Bestimme die Schwingungsdauer eines Pendels, wenn die beiden Pendel zu entgegen gesetzten Seiten (gegensinnig) und gleich weit ausgelenkt wurden. Miss dazu die Zeit für 10 Schwingungen, wiederhole die Messung zweimal. Notiere die Messwerte in Tabelle 3 im Protokoll. Abb. 6

6 Protokoll: Gekoppelte Peedel Ergebeis - Beobachtuegee (10 Puekte) Wie verhalten sich die beiden Pendel nach der Anregung? Ergebeis - Tabelle 1 (5 Puekte) Trage deine Messwerte zur SchwebungsdauerT s und berechne aus den Werten den Mittelwert für die Schwebungsdauer T s des Pendels und die Schwebungsfrequenz f s. Messung Nr. T s in s Mittelwert T s in s f s in Hz

7 Ergebeis - Tabelle 2 (6 Puekte) Trage deine Messwerte zur Schwingungsdauer T 1 bei gleichsinniger Anregung ein und berechne den Mittelwert für T 1 und die Frequenz f 1 für die gleichsinnige Anregung. Messung Nr. t 10 in s Mittelwert t 10 in s T 1 in s f 1 in Hz Ergebeis - Tabelle 3 (6 Puekte) Trage deine Messwerte zur Schwingungsdauer T 2 bei gegensinniger Anregung ein und berechne den Mittelwert für die Schwingungsdauer T 2 und die Frequenz f 2 für die gegensinnige Anregung. Messung Nr. t 10 in s Mittelwert t 10 in s T 2 in s f 2 in Hz

8 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Ein schwingendes Pendel besitzt Schwingungsenergie in Form potentieller und kinetischer Energie. Kannst du die an den gekoppelten Pendeln beobachteten Vorgänge mit Hilfe einer Energiebetrachtung erklären? Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Bilde die Differenz der Schwingungsfrequenzen für gleich- und gegensinnige Anregung f 2 - f 1 :

9 Auswertueg - Frage 3 (10 Puekte) Vergleiche das Ergebnis mit der unter 1. gemessenen Schwebungsfrequenz f s. Was stellst du fest? Zusatzaufgabe - Frage 1a (10 Puekte) Hat die Stärke der Kopplung (Position der Ankopplung und die Masse) zwischen beiden Pendeln einen Einfluss auf die Schwebungsfrequenz?

10 Zusatzaufgabe - Frage 1b: (10 Puekte) Ermittle dazu die Schwebungsfrequenz, wenn du die Position der Ankoplung änderst die Masse der Kopplung verkleinerst. Fasse deine Beobachtungen zusammen: