Lehrer-/Dozentenblatt Kräfte und Wege am Stufenrad (Artikelnr.: P1001200) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Mechanik Unterthema: Kräfte, einfache Maschinen Experiment: Kräfte und Wege am Stufenrad Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schere Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformation 1. Die Schüler sollen an einem Stufenrad die Kräfte messen, die bei unterschiedlichen Massen als Last ein Gleichgewicht bewirken. 2. Sie sollen an dem Stufenrad den Kraft- und Lastarm ausmessen und die Produkte Last Lastarm und Kraft Kraftarm bilden. Aus den Messergebnissen sollen sie folgern, dass das Stufenrad im statischen Fall wie ein Hebel funktioniert und die Produkte wie bei diesem gleich groß sein müssen. Anmerkungen 1. Die Bezeichnung "(Schlitz)gewicht" ist insofern unkorrekt, als es sich hier um eine Masse handelt, die erst unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung ein "Gewicht", also eine Gewichtskraft erhält. Besser ist der Ausdruck "Massestück", der hier verwerdet ist. 2. Physikalisch gesehen stellt das Produkt F s = W eine Arbeit dar. Man kann in diesem Zusammenhang bereits vorbereitend für den Versuch P1001400 "Arbeit an der geneigten Ebene" auf den Begriff der Hubarbeit eingehen.
Kräfte ued Wege am Stufeerad (Artikeler.: P1001200) Aufgabe ued Material Aufgabe Wie wirkt eie Stufeerad? Ermittle an einem Stufenrad die Kraft, die bei angehängter Last zur Einstellung des Gleichgewichtes erforderlich ist. Verändere die Last mehrfach. Miss den Last- und Kraftarm des Stufenrades, bilde die Produkte aus Last Lastarm bzw. Kraft Kraftarm und vergleiche diese miteinander.
Material Positioe Material Besteller. Meege 1 Stativfuß, variabel 02001-00 1 2 Stativstange Edelstahl 18/8, l = 600 mm, d = 10 mm, zweigeteilt 02035-00 1 2 Stativstange Edelstahl 18/8, l = 250 mm, d = 10 mm 02031-00 1 3 Doppelmuffe 02043-00 1 4 Gewichtsteller für Schlitzgewichte 02204-00 1 5 Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 10 g 02205-01 4 5 Schlitzgewicht, schwarzlackiert, 50 g 02206-01 3 6 Kraftmesser, transparent, 2 N 03065-03 1 7 Messschieber (Schieblehre), Kunststoff 03011-00 1 8 Angelschnur, auf Röllchen, d = 0,7 mm, 20 m 02089-00 60 cm 9 Stufenrad 02360-00 1 10 Welle, d = 12 mm, l = 45 mm 02353-00 1 Zusätzliches Material Aufbau ued Durchführueg Aufbau Schere 1 Baue mit dem Stativfuß (Abb. 1), der Stativstange (25 cm) (Abb. 2) und der Stativstange (60 cm) (Abb. 3-4) ein Stativ auf. Klemme die Doppelmuffe an die lange Stativstange (Abb. 5).
Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Ziehe je eine Schnur durch die beiden Scheiben des Stufenrades (Abb. 6,7). Sichere die Schnur mit einem Knoten gegen Durchrutschen. Stecke die Welle durch das Stufenrad (Abb. 8) und klemme sie in die Doppelmuffe (Abb. 9).
Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Benutze die Kurbel um die beiden Scheiben gegeneinander zu fixieren. Befestige den Kraftmesser an der einen Angelschnur und den Gewichtsteller an der anderen. Achte darauf, dass die Schnüre einmal in der Rille des Rades umlaufen. Die Schnur zum Kraftmesser soll dabei über die größere Scheibe laufen (Abb. 10). Hänge den Haken des Kraftmessers in den Stativfuß ein (Abb. 10).
Abb. 10
Durchführueg Belaste den Gewichtsteller mit vier 10 g Massestücken (m ges = 50 g). Miss die Kraft F, die zur Einstellung des Gleichgewichtes erforderlich ist. Trage den abgelesenen Wert in Tabelle 1 im Protokoll ein. Erhöhe die Masse auf 100, 150 und 200 g (Abb. 11) und wiederhole die Messungen. Trage auch diese Werte in Tabelle 1 ein. Abb. 11 Bestimme die Länge des Lastarmes l l und des Kraftarmes l f, mit dem Messschieber. Notiere die Werte in Tabelle 1 im Protokoll. Um den Stativfuß auseinander zu bauen, drücke die gelben Knöpfe (Abb. 12). Abb. 12
Protokoll: Kräfte ued Wege am Stufeerad nrgebeis - Tabelle 1 Trage die Werte der Kraft F in Tabelle 1 ein. Berechne die Gewichtskraft F g aus den Massen m und ergänze mit den Werten die Tabelle. (F g = m g, mit g = 9,81 m/s 2 ) Berechne die Produkte F g l l und F l f und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein. m in g F in N F g in N F g l l in N cm F l f in N cm 50 0 0 0 0 100 0 0 0 0 150 0 0 0 0 200 0 0 0 0 l l 0 l f 0 Auswertueg - Frage 1 (10 Puekte) Vergleiche die Ergebnisse miteinander. Was stellst du fest?
Auswertueg - Frage 2 (10 Puekte) Was kannst du daraus folgern? Auswertueg - Frage 3 (1 Puekt) In welchem Verhältnis steht der angezeigte Wert des Kraftmessers zur Gewichtskraft, also F : F g? Auswertueg - Frage 4 (1 Puekt) Wie groß ist das Verhältnis der Radien an den beiden Stufenscheiben zueinander, also l f : l l? Auswertueg - Frage 5 (10 Puekte) Sind beide Verhältnisse gleich groß?
Auswertueg - Frage 6 (10 Puekte) Mit welchem dir bekannten Gerät kannst du das Stufenrad vergleichen? Auswertueg - Zusatzaufgabe 1 (10 Puekte) Wie groß ist der angezeigte Wert F am Kraftmesser, wenn Last und Kraftmesser miteinander vertauscht sind (m = 50 g)?