Anfängerpraktikum in Physik für das BG 11 und die FOS12

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1 Anfängerpraktikum in Physik für das BG 11 und die FOS12 Eine Fortbildung des Studienseminars für berufliche Schulen in Gießen 26. August 2010 Referent: Richard Spanke Inhaltsverzeichnis: I. Vorbemerkungen... 1 II. Ziele... 2 III. Experimente... 2 IV. Regeln für die Arbeit im Anfängerpraktikum:... 3 V. Arbeitsblätter... 4 I. Vorbemerkungen Die im folgenden vorgestellte Konzeption eines Anfängerpraktikums wurde für die Klassen des beruflichen Gymnasiums und der Fachoberschule entwickelt. Es ist für die Zeit nach den Herbstferien, also nach 8-10 Wochen Physikunterricht, konzipiert. Bis zu diesem Zeitpunkt soll die Kinematik der gradlinigen Bewegungen abgeschlossen sein, Kraft und Arbeit zumindest definiert und diese Beschreibungen exemplarisch angewendet worden sein. Das Praktikum selbst ist in der Form eines Stationenlernens aufgebaut und dauert mindestens fünf bis sechs Doppelstunden. Die Sicherung und Überprüfung der Ergebnisse ist also noch bis zum Halbjahrsende leistbar. 1

2 II. Ziele 1. SuS lernen Grundgrößen der Mechanik zu messen. 2. Kraftwirkung und Kräfteaddition werden erfahren, experimentell erforscht und in mathematische Modelle überführt. 3. Mechanische Arbeit, E kin, E pot (und E spann ) werden aus gemessenen Grundgrößen ermittelt. 4. SuS analysieren Umwandlungsprozesse und ermitteln den Wirkungsgrad. 5. SuS wenden die physikalische Arbeitsweise wiederholt an (Problemstellung, Hypothese, Messvorschrift, experimentelle Überprüfung, Auswertung, Rückschluss auf die Hypothesen und die Vollständigkeit der Problemlösung). 6. SuS benutzen verschiedene Messverfahren, lernen praktisch ihre Vor- und Nachteile kennen. 7. (Vernetzen physikalischer Erkenntnisse mit Alltag (Beruf), persönlichen Interessen und gesellschaftlichen Erfordernissen (dies muss in der Formulierung der Stationsaufträge geleistet werden, ist in dieser Skizze nicht eingeschlossen). III. Experimente 1. Schiefe Ebene (Schiene, Wagen, Gewichte, Stativ). Laufzeit der Kugel wird in Abhängigkeit von h bestimmt. E kin, E pot und Wirkungsgrad werden berechnet. Der Energieverlust wird im Protokoll begründet. 2. Fadenpendel der Länge L wird um h ausgelenkt. Die Schwingung wird mit Video dokumentiert, mit Vimps analysiert, vmax bestimmt, Ekin und Epot berechnet (Video, PC an der Station) 3. Der Freie Fall wird aus verschiedenen Höhen gemessen und daraus die Erdbeschleunigung berechnet. Hieraus kann E pot = E kin im Rahmen der Messgenauigkeiten belegt werden. 4. Die Gewichtskraft einer Masse wird auf zwei Kraftmesser übertragen. Daraus wird die Winkelabhängigkeit der Kräftezerlegung deutlich und ein mathematisches Modell zur Berechnung erläutert. 5. Bildschirmvideos zu Einheiten: a. Newton b. Joule c. Watt Zusatzexperimente: 6. Kräfte am Balken auf zwei Stützen. 7. Federpendel mit Gewichten. Die Auslenkung wird in Abhängigkeit von m bestimmt. E spann berechnet 8. Faden oder Federpendel über 25 Schwingungen betrachten, Wirkungsgrad berechnen 2

3 IV. Regeln für die Arbeit im Anfängerpraktikum: 1. Es werden Gruppen von 3 Personen gebildet. Sie führen gemeinsam das Experiment durch, beginnen gemeinsam das Protokoll zu schreiben. Jeder SuS stellt das Protokoll zuhause fertig. 2. Jeder Lernende führt ein Protokoll von jedem Versuch. 3. Diese Protokolle werden in einer Mappe abgeheftet, abgegeben und wie eine / eine halbe Klassenarbeit gewertet. 4. Jede Gruppe führt ein Experiment pro Doppelstunde durch. Insgesamt werden so 5 Doppelstunden benötigt. Wenn die Klasse größer ist, werden die Experimente einfach gedoppelt, so dass bis zu 30 SuS arbeiten können. 3

4 V. Arbeitsblätter 1. Energieumwandlung an einer schiefen Ebene. Wenn ein Körper auf einem Berg steht, hat er Lageenergie (E pot ). Die Lageenergie ergibt sich aus der Formel m*g*h. Wenn der Körper den Berg hinunterrollt, bekommt er Bewegungsenergie E kin = ½ m*v² Versuchsziel Sie sollen klären, welche Energieformen ein Körper an verschiedenen Punkten (Anfang, Mitte, Ende) auf einer schiefen Ebene hat und wie sich die Größe der Energie(n) verändert bzw. erhält Anwendung Beschreiben Sie durch ein Stichwort, ein Foto und einen Vierzeiler ein Beispiel aus Ihrem Berufsfeld / Ihrem Alltags, wo die Schiefe Ebene eine Rolle spielt. Hängen Sie Ihr Beispiel an die Pinnwand Hypothesen Wann ist die Bewegungsenergie maximal? O am Anfang O in der Mitte O am Ende Wann ist die Lageenergie maximal? O am Anfang O in der Mitte O am Ende Wie verhält sich die maximale Lageenergie zur maximalen Bewegungsenergie? O sie sind gleich, O max E pot > max E kin, O max E pot < max E kin 1.4. Versuchsskizze Wagen mit der Masse m l h Neigungswinkel der Ebene Liste der Versuchsmaterialien: Hinweise: Überlegen Sie, wie Sie die Endgeschwindigkeit ermitteln können. Beachten Sie dabei die Gesetze für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Wählen Sie h so, dass sie die Zeit gut stoppen können Durchführung Beschreiben Sie kurz, wie Sie den Versuch durchführen wollen. Verändern Sie nacheinander die Länge und die Höhe. Welche Größen bleiben unverändert und warum? Führen Sie mindestens 6 verschiedene Messungen durch. Bei jeder Höhe (jeder Länge) mindestens 3 mal messen. Erfassen Sie alle Werte, die zur Ermittlung von E pot und E kin notwendig sind. Messwerttabelle (mit Formelzeichen und Einheiten): 1.6. Schwierigkeiten, Fehlerabschätzung Beschreiben Sie die Probleme bei den Messungen und schätzen Sie Ihren Fehler in % ab Auswertung / Bewertung der Hypothesen Wie verändern sich E pot und E kin durch die Veränderung der Grundgrößen? Beurteilen Sie die Richtigkeit Ihrer Hypothesen, begründen Sie Ihr Urteil. 4

5 Welche Erkenntnisse haben Sie bezüglich des Versuchsziels gewonnen? 5

6 2. Fadenpendel. Um das Fadenpendel auszulenken, muss man Arbeit verrichten. Die Arbeit wird in potenzielle Energie umgewandelt. Was geschieht dann mit der Energie? 2.1. Versuchsziel Sie sollen in diesem Versuch die Energieumwandlung und das Größenverhalten der Energien zueinander untersuchen. Dafür sollen Sie E pot und E kin ermitteln und miteinander vergleichen. Betrachten Sie diese Energieformen während der ersten Schwingung Anwendung Bitte gehen Sie schaukeln. Messen Sie die Pendellänge der Schaukel. Überlegen Sie, an welchem Punkt man abspringen muss, um eine möglichst große Anfangsgeschwindigkeit zu haben. Was können Sie tun, damit diese Geschwindigkeit besonders hoch wird? Bei all dem achten Sie bitte auf Ihre eigene Gesundheit! Schreiben Sie einen Erkundungsbericht für die Verbandszeitschrift der Kindergartenerzieher (10 Zeilen) Hypothesen Wann ist die Bewegungsenergie maximal? O am Anfang O in der Mitte O am Ende Wann ist die Lageenergie maximal? O am Anfang O in der Mitte O am Ende Wie verhält sich die maximale Lageenergie zur maximalen Bewegungsenergie? O sie sind gleich, O max E pot > max E kin, O max E pot < max E kin 2.4. Versuchsskizze Erstellen Sie eine Liste mit allen benötigten Versuchsmaterialien Länge L Alpha 2.5. Durchführung und Messwerttabelle Beschreiben Sie kurz die Versuchsdurchführung. Bei dem Versuch kann die Auslenkung h oder die Pendellänge l verändert werden. Welche Größen bleiben unverändert und warum? Führen Sie mindestens 2 verschiedene Messungen durch und erfassen Sie alle Werte, die zur Ermittlung von E pot und E kin notwendig sind. Messwerttabelle in Excel (mit Formelzeichen und Einheiten): 2.6. Beschreibung der Schwierigkeiten, Fehlerabschätzung Beschreiben Sie die Probleme bei den Messungen und schätzen Sie Ihren Fehler in % ab. Auslenkung h m 2.7. Auswertung und Bewertung der Hypothesen Wie verändern sich E pot und E kin durch die Veränderung der Grundgrößen? Beurteilen Sie die Richtigkeit Ihrer Hypothesen, begründen Sie Ihr Urteil. Welche Erkenntnisse haben Sie bezüglich des Versuchsziels gewonnen? 6

7 3. Der Freie Fall. Beim Freien Fall wirkt immer die nahezu gleiche Beschleunigung. (Dies liegt an der unveränderlichen Masse der Erde und an dem praktisch immer gleichen Abstand zum Erdmittelpunkt). Aber wie kann man Sie bestimmen und wie genau? 3.1. Versuchsziel Sie sollen durch ein einfaches Experiment die Fallbeschleunigung g möglichst genau bestimmen und die Messfehler abschätzen Anwendung Wo wird die Fallbeschleunigung bzw. die Erdanziehungskraft in Ihrem Berufsfeld benutzt? Gibt es Beispiele in Ihrem Alltag, in denen Sie die Fallbeschleunigung bzw. die Erdanziehungskraft benutzen? Beschreiben Sie genau, welche Bedeutung die Fallbeschleunigung bzw. die Erdanziehungskraft in beiden Fällen hat Hypothesen Wann, glauben Sie, ist die Messung besonders genau? Beschreiben Sie Ihre Auffassung in einem freien Text Versuchsskizze Vor jeder Messung Reset und dann Start drücken In Start Kugel Vor jeder Messung spannen In Stopp Erstellen Sie eine Skizze der Versuchsapparatur mit Beschriftung der einzelnen Teile sowie eine Liste mit allen Versuchsmaterialien. 7

8 3.5. Durchführung und Messwerttabelle Klären Sie, wie Start und Stopp beim Trigger eingestellt werden müssen. Begründen Sie kurz Ihre Wahl. Erstellen Sie eine Messwerttabelle, in der die Strecke und die Zeit eingetragen werden und die berechnete Durchschnittsgeschwindigkeit, Endgeschwindigkeit und Beschleunigung hervorgehen. Verändern Sie die Fallhöhe. Führen Sie die Messung für jede Höhe mindestens 3 mal durch. Berechnen Sie jeweils den Mittelwert der Zeit und die Größe der aufgetretenen Messfehler. Bilden Sie den Mittelwert aus den Werten für die Beschleunigung. Wie sind -Sie genau vorgegangen? Wie haben Sie die Aufgaben verteilt? Was war verwunderlich oder schwierig? 3.6. Beschreibung der Schwierigkeiten, Fehlerabschätzung Wo sind Fehler aufgetreten? Wie groß ist der relative Fehler in Prozent? Was könnten Sie tun, um die Messung zu verbessern? 3.7. Auswertung und Bewertung der Hypothesen Zeichnen Sie ein s-t, v-t, a-t Diagramm. Welchen Wert für die Beschleunigung haben Sie erhalten (Bilden Sie zu diesem Zweck den Mittelwert aller Werte)? Um wie viel Prozent weicht er vom Literaturwert (g=9,81m/s²) ab. Wird dieser Wert durch Ihren Versuch bestätigt, wenn Sie Ihren Fehler mit berücksichtigen? 8

9 4. Winkelabhängige Kräftezerlegung. Oft wirken viele Kräfte auf einmal. Sie sind unterschiedlich groß und wirken in verschiedene Richtungen Versuchsziel Sie sollen die Zerlegung einer Kraft F in zwei Kräfte F1 undf2 messen und aus den Messwerten eine Möglichkeit der Berechnung dieser Kräfte kennenlernen Anwendung Suchen Sie sich so viele Beispiele, wie Mitglieder in Ihrer Gruppe sind und bearbeiten Sie folgende Stichpunkte: Welche Gegenstände hier im Raum zerlegen Kräfte? Welche Kraft tragen sie und wohin leiten diese Gegenstände die Kräfte? Jedes Gruppenmitglied soll eine Skizze von einem Gegenstand anfertigen und darin einzeichnen, wie die Kraft eingeleitet wird und wie die zerlegten Kräfte aussehen. Benutzen Sie Kraftpfeile zur Kennzeichnung. Versuchen Sie diese Skizze möglichst ansprechend auf Blankopapier mit verschiedenen Farben zu gestalten. Die besten Exemplare werden prämiert (lassen Sie sich überraschen!) Hypothesen Wenn x sehr klein ist : Wenn x größer wird, wird : F1 + F2 kleiner/gleich/größer als F F1 + F2 < / = / > als F Wann wird F1 > F : Versuchsskizze Erstellen Sie bitte auch eine Liste mit allen Versuchsmaterialien X X Stativstangen F1 F2 y Kraftmesser Masse 9

10 4.5. Messwerttabelle / Durchführung Verschieben Sie die Aufhängung der Kraftmesser immer so, dass X immer um 5cm wächst. Beginnen Sie mit X = 0 cm Messen Sie die beiden Kräfte und die Höhe (Y). Überlegen Sie, wie Sie den Winkel berechnen könnten. Erstellen Sie ein Messwerttabelle Beschreibung der Schwierigkeiten, Fehlerabschätzung Welche Bedingungen erschweren die Messung.? Wie groß schätzen Sie den Fehler? 4.7. Auswertung und Bewertung der Hypothesen Erstellen Sie ein Diagramm F1 bzw. F2 in Abhängigkeiten von X. Berechnen Sie F1*sin() und F1*cos() für jede Messung (Messwerttabelle erweitern!). In welche Richtungen wirken diese neuen Teilkräfte? Was fällt Ihnen auf? 10

11 5. Bildschirmvideo zu einer Messgröße erstellen Erstellen Sie eine Bildschirmvideo zur Einheit : 1 Newton (G1, G4) In Ihrem Video liegt die Kraft 1 Joule (G2; G5) Energie für die Zukunft 1 Watt (G3; G6) Leistung soll sich wieder lohnen und beantworten Sie darin möglichst gut und interessant folgende Fragen: - Welche physikalische Größe wird in dieser Einheit gemessen? - Wo ist diese Größe im Alltag / im Beruf wichtig? - Welche physikalische Definition für diese Einheit gibt es? - Nach welcher Person wurde diese Einheit benannt? - Wann, wo und wie hat diese Person gelebt, was hat sie entdeckt,.? Schauen Sie sich als Beispiel das Bildschirmvideo 1 Farad an. Wenn Sie lernen wollen wie man ein Bildschirmvideo dreht, schauen Sie sich das Video Bildschirmvideo an 11