Handout zur Veranstatung Demonstrationsexperimente WS 2009/10 Thema: Schiefe Ebene Sarah Zinke, Sebastian Purucker, Katrin Stumpf 1. Versuchsbeschreibung Auf einer geneigten Ebene ässt sich die ewichtskraft eines Körpers in zwei physikaisch sinnvoe Komponenten zeregen. Die eine Kraft wirkt in Richtung des Weges und die andere senkrecht zu ihm. Materiaiste eneigte Ebene 2 Doppemuffen Stativ 2 Kraftmesser (z.b.1,2n) 2 große Stativstangen 2 Angeschnüre 1 keine Stativstange Mess- und Experimentierwagen mit Stift Maßstab Stie mit Haken Schitz für Maßstab Schitzgewicht 50g Anordnung Die geneigte Ebene wird nach fogender Abbidung aufgebaut. Die Angeschnüre werden am Experimentierwagen befestigt. Abb.1: PHYWE-Schriftenreihe: Physik in Demonstrationsveruschen, Mechanik Versuch M2.5 Prinzip Befindet sich ein Körper auf einer geneigten Ebene, wird er durch zwei Kräfte, die im Schwerpunkt des Körpers angreifen, in Ruhe gehaten. Ein fester Körper verhät sich häufig so, as wäre seine gesamte Masse im Schwerpunkt vereinigt. Dort kann man sich die wirkenden Kräfte angreifend denken. Die Wirkungsinie der einen Kraft veräuft parae zur geneigten Ebene. Dies bedeutet, dass sie in Richtung des Weges wirkt. Sie wird mit Hangabtriebskraft bezeichnet. Die zweite Kraft wird Normakraft bezeichnet. Sie wirkt senkrecht zum Weg. Ein in Richtung der geneigten Ebene gehaterter Kraftmesser hät den Experimentierwagen auf der Ebene. Laut dem esetz von Kraft geich egenkraft ist die angezeigte Kraft vom Kraftmesser geich der Hangabtriebskraft. Durch die Höhe h und die Länge ist die Neigung der Ebene festgeegt. Die Neigung ist definiert as den Quotienten von Höhe und Länge h. Wird die Höhe der geneigten Ebene verändert, so verändert man auch die Neigung. In diesem Experiment werden sowoh die Neigung as auch der Hangabtrieb für verschiedene Höhen der geneigten Ebene bestimmt. Die Normakraft wird dadurch bestimmt, indem man mit einem zweiten Kraftmesser senkrecht zur geneigten Ebene die Kraft misst, die benötigt wird, um den Experimentierwagen gerade von der
geneigten Ebene abzuheben. Hier wiederum git nach dem esetz von Kraft geich egenkraft, dass man die Normakraft misst. Die Norma- und die Hangabtriebskraft werden bei konstanter Neigung und verschiedenen Massen des Experimentierwagens gemessen. 1.2 Lernvoraussetzungen - Die Schüer wissen wie der Kraftbegriff definiert ist und haben eine anschauiche Vorsteung von dem Begriff Kraft - Die Schüer wissen, dass die Kraft durch einen Vektor darstebar ist - Die Schüer wissen wie ein Federkraftmesser funktioniert, können ihn bedienen und an ihm einen Messwert abesen - Die Schüer kennen das esetz von Kraft geich egenkraft und können es anwenden - Die Schüer wissen wie die Neigung definiert ist. - Die Schüer kennen den Begriff ewichtskraft und wissen wie er definiert ist - Die Schüer wissen was eine Wirkungsinie einer Kraft ist 1.3 Lernziee dieses Versuches 1.3.1 robziee Die Schüer soen eine Kraftzeregung eines Körpers auf der schiefen Ebene durchführen können. 1.3.2 Feinziee Die Schüer soen die Begriffe Normakraft und Hangabtriebskraft kennen und diese an einem Körper, der sich auf einer schiefen Ebene befindet, einzeichnen können. Die Schüer soen vertiefen, dass man eine Kraft as Vektor darsteen kann und dieser einen Angriffspunkt, eine Richtung und einen Betrag hat. Die Schüer soen erkennen, dass an einem Körper auf der geneigten Ebene zwei Kräfte angreifen. Die Schüer soen wissen wie diese Kräfte heißen und wie man sie richtig einzeichnet. Die Schüer soen wissen, dass die Wirkungsinie der Hangabtriebskraft parae zur geneigten Ebene veräuft und die der Normakraft senkrecht dazu. Die Schüer soen ihre Fertigkeit sichern ein Experiment sebstständig anhand einer Aneitung aufzubauen und dieses durchzuführen. Die Schüer soen ihre Fertigkeit vertiefen Messwerte eigenständig in eine Tabee einzutragen und den Anweisungen ihrer Versuchsauswertung Foge zu eisten. Die Schüer soen die Definition der Neigung vertiefen. Die Schüer soen wissen, dass die Formen geten. 1.4 Übergeordnetes Unterrichtsthema = h = b = h an der schiefen Ebene b Das übergeordnete Unterrichtsthema sind die Bewegungsfunktionen (Zeit-Ort, Zeit-eschwindigkeit, Zeit-Bescheunigung) für Bewegungen unter konstanter Krafteinwirkung. Die schiefe Ebene wird hierbei expizit bei den Kräftezeregungen in einfachen Fäen erwähnt. 1.4.1 Steung des Versuchsthemas innerhab der Unterrichtseinheit Die schiefe Ebene wird im ymnasium (8) in der Unterrichteinheit 9.3 Kinematik und Dynamik geradiniger Bewegungen durchgeführt. Diese Einheit umfasst circa 16 Unterrichtsstunden und so an die rundbegriffe der 7. Jahrgangsstufe anknüpfen.
1.4.2 Weitere Lernziee, die die gesamte Unterrichtseinheit thematisch erschießen Die Schüer soen ernen durch Deutung der Bewegungsdiagramme den zeitichen Verauf von Bewegungen zu anaysieren. Bei der Behandung von Bewegungen mit konstanter eschwindigkeit bzw. mit konstanter Bescheunigung so den Schüern deutich gemacht werden, dass sich ideaisierte Vorgänge durch mathematische Funktionen beschreiben assen und dadurch genauere Vorhersagen mögich werden. Die Kinder soen durch weiterführende Beispiee zum Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Bescheunigung ein tieferes Verständnis des Kraftbegriffs gewinnen. 1.5 Experimentee Aternativen Eine experimentee Aternative wäre die Verwendung eines Rokörpers anstatt eines Experimentierwagens. 1.6 Mögiche bzw. notwendige Modifikationen des Demonstrationsexperiments bei einem Einsatz as ruppenexperiment Bei einem Einsatz as ruppenexperiment müssen keine Modifikationen bei dem Demonstrationsexperiment geneigte Ebene vorgenommen werden. 1.7 Unterrichtsverfahren Das Unterrichtsverfahren ist das Normaverfahren. 1.7.1 Soziaformen Die verwendeten Soziaformen sind das Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment und der Schüerversuch. 1.7.2 Lehrformen und Lernformen Die verwendeten Aktionsformen sind erarbeitend-fragend und entdecken assend. 1.7.3 Motivationssituation oder Einstiegssituation As Einstiegssituation wird die schiefe Ebene gerade auf den Tisch geegt und die Frage gestet was man nun tun könnte, damit sich der auf der Ebene befindende Wagen entang dieser bewegt. Nachdem ein Schüer die erwartete Antwort gebracht hat, dass man die Ebene einfach an einer Seite anheben könnte, enkt man die Kinder direkt zu den wirkenden Kräften und der Kraftzeregung an der geneigten Ebene und führt den Versuch durch. As Einstiegssituation könnte man den Schüern erzähen, dass man auf dem morgendichen Schuweg einen Schüer auf seinem Fahrrad einen Berg herunterfahren gesehen hat und sich dabei gefragt hat, weche Kräfte auf ihn gewirkt haben. 1.8 Sicherung der Lernziee Die Sicherung der Lernziee erfogt anhand eines Arbeitsbattes, auf dem die besprochenen Erkenntnisse festgehaten werden. Darüber hinaus wird ein Schüerversuch durchgeführt, dessen Ergebnisse ebenfas auf dem Arbeitsbatt festgehaten werden.
Kraftzeregung eines Körpers auf der geneigten Ebene Wiederhoung Kräfte assen sich as Vektoren darsteen. Sie haben einen Angriffspunkt, eine Richtung und einen Betrag. Versuchsaufbau Ein Körper, der sich auf einer geneigten Ebene befindet, wird durch zwei Kräfte, die im Schwerpunkt des Körpers angreifen, in Ruhe gehaten. Ein fester Körper verhät sich häufig so, as wäre seine gesamte Masse im Schwerpunkt S vereinigt. Dort kann man sich die wirkenden Kräfte angreifend denken. Die Wirkungsinie der einen Kraft veräuft parae zur Ebene, d.h. sie wirkt in Richtung des Weges und wird mit Hangabtriebskraft bezeichnet. Die zweite Kraft wirkt senkrecht zum Weg und wird mit Normakraft bezeichnet. Experiment 1. Baue nach der Abbidung die geneigte Ebene auf. Achte darauf, dass der Kraftmesser parae zur geneigten Ebene gehatert ist. 2. Bestimme die ewichtskraft des Experimentierwagens und trage den Wert ein. 3. Ein Stück Schnur, dessen beide Enden mit Schaufen versehen sind, wird mit einer Schaufe am Experimentierwagen befestigt, die andere Schaufe wird in den Haken des Kraftmessers parae auf der geneigten Ebene eingehängt. Befestige mit einer Schnur den zweiten Kraftmesser an der Stange des Experimentierwagens, hate den Kraftmesser senkrecht zur geneigten Ebene; dann ist die Normakraft geich der Kraft, die benötigt wird, um mit dem Kraftmesser in der beschriebenen Lage den Experimentierwagen gerade von der geneigten Ebene anzuheben. Achte darauf, die Reibung im Kraftmesser mögichst kein zu haten. Kopfe hierfür einige Mae an der Kraftmesserhüse. 4. Bestimmte die Hangabtriebskraft und die Normakraft für zwei verschiedene Höhen h. Trage und, die an den Kraftmessern abgeesen werden, und die Höhe der geneigten Ebene in den entsprechenden Spaten in der Tabee ein. Bestimme für beide Höhen die Basis b. 5.Miss die Länge der geneigten Ebene. ewichtskraft = Länge = Höhe h [cm] [N] [N] Basis b [cm] h h b h b Auswertung 1. Berechne für die verschiedenen Höhen h die Neigung h und trage die Werte in einer weiteren Spate in deiner Tabee ein. Weche Maßeinheit hat die Neigung? 2. Berechne für die verschiedenen Neigungen das Produkt h (Einheit?), trage die Werte in einer weiteren Spate in der Tabee ein und vergeiche die Werte des errechneten Produktes mit den gemessenen Hangabtriebskräften. (Beachte dabei, dass du die Reibung im Kraftmesser nicht voständig beseitigen kannst!) Ergebnisse An der schiefen Ebene git: = h = b = h b
1.9 Lernziekontroe Die Lernziekontroe erfogt über ein gemeinsames espräch über die Ergebnisse des Schüerversuchs. Dabei wird die Kräftezeregung anschauich anhand einer Zeichnung mit dem Programm eogebra dargestet. 1.10 Präkonzepte, Misskonzepte Ein Misskonzept zur Kräftezeregung an der schiefen Ebene könnte sein, dass die Schüer in der Annahme sind, dass die Normakraft eine Kraft ist, deren Kraftpfei nach oben eingezeichnet wird und der Kraftpfei der Hangabtriebskraft in Richtung des Kraftmessers zeigt.