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Freier Fall mit der Fallschnur

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Freier Fall mit der Fallschnur
Alternativtext

2 Schnüre mit unterschiedlich angeordneten Gewichten

Kurzbeschreibung
Qualitative Überprüfung des Freien Falls
Kategorien
Mechanik, Freier Fall und Wurf, Experimente für zu Hause
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 9
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment oder Schülergruppenexperiment
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Sarah Heydemann
Kontakt: @
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Franz Boczianowski
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Mit Hilfe der Fallschnur lässt sich auf einfache Weise, qualitativ nachweisen, dass es sich beim Freien Fall um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung handelt. Dieser Versuch ist ein Freihandexperiment.

Das Verständnis über den Freien Falls ist ein elementarer Bestandteil des klassischen Mechanik und wird laut Rahmenlehrplan in der neunten Klassenstufe unter dem Pflichtbereich "Schneller werden und bremsen" eingeführt.

Benutzt werden kann dieses Experiment sowohl als einleitendes Phänomen in das Thema Freier Fall, oder aber als vertiefende und von Schülern selbst zu bearbeitende Problemstellung.


Didaktischer Teil

In diesem Abschnitt soll das Thema des Versuchs, als passendes Beispiel für das Phänomen der Mathematisierbarkeit in der Physik benutzt werden. Hierbei wird Bezug auf das Kapitel "Das Fallgesetz als ein für die Mathematisierbarkeit gewisser natürlicher Abläufe "exemplarisches Thema"" im Buch "Naturphänomene sehen und verstehen" von Martin Wagenschein[1] genommen.

Als erstes stellt sich die Frage was den Schülerinnen und Schülern idealerweise im Gedächtnis bleiben soll, wenn man sie nach dem Kennenlernen des Freien Falls zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal fragt, was sie unter dem Fallgesetz verstehen würden. Wahrscheinlich wird man darauf im Besten Fall eine Antwort bekommen, die in Richtung der Formulierung eines "Formelfragments" geht. Aber sollte dies das Ziel des Physikunterrichts sein? Das "Hängenbleiben" von Formeln? Wagenschein schlägt hier eine schlichtere Form vor und zwar eine, die wohl auf Galilei zurück gehe: "Man sieht also,...dass...die in gleichen Zeiten durchlaufenen Wege sich wie die ungeraden Zahlen 1, 3, 5,... verhalten..." was bei genauerer Betrachtung zwangsläufig auf das bekannte Fallgesetz hinausläuft, denn (und er zitiert an dieser Stelle Galilei): "fasst man die Gesamtstrecken zusammen, so wird in doppelter Zeit der vierfache Weg, in dreifacher Zeit der neunfache Weg zurückgelegt, und allgemein werden die Wege wie die Quadrate der Zeiten sich verhalten."

Doch wie führt man Schülerinnen und Schüler nun zu der Erkenntis, dass die beim Fallen in gleichen Zeiten durchlaufenen Wege mit einem so überraschend einfachen mathematischen Zusammenhang, nämlich der Reihe der ungeraden Zahlen, beschrieben werden können?

Wagenschein schlägt vor sich dafür ruhig etwas mehr Zeit zu lassen und die Schülerinnen und Schüler diesen Zusammenhang Stück für Stück selbst entdecken zu lassen, indem sie sich das Experiment Galileis als Beispiel nehmen und auf gleichem Wege versuchen an das Ziel zu gelangen. Galilei experimentierte mit herunterrollenden Kugeln auf einer geneigten Ebene. Dies ist ein Experiment, das im Rahmen des Physikunterrichts von Schülern selbst durchgeführt werden kann, indem man ihnen zum Beispiel in Kleingruppen jeweils eine geneigte Ebene, Kugeln und eine Uhr zur Verfügung stellt. Hierbei könnte man den Schülerinnen und Schüler zum Besipiel den Auftrag geben die Kugel herunterrollen zu lassen und dann jede Sekunde eine Markierung an der Stelle der schiefen Ebene anzubringen, wo sich die Kugel zu diesem Zeitpunkt aufhält.

Die Problematik der Messunsicherheiten kann in diesem Versuch auch hervorrragend thematisiert werden. Wie wäre es, solch einen Versuch ohne eine Stoppuhr durchzuführen? Denn zu Zeiten Galileis gab es diese noch nicht. Auf was für Alternativen kann man in diesem Fall zurückgreifen? Auf welche Probleme stößt man? Wie kann das Experiment verbessert werden? Warum wird man unter realen Bediungungen wohl nie auf die exakte Riehe (1, 3, 5,..) kommen und wer sagt überhaupt, dass dies die exakten Werte sind? All das sind fundamentale Fragen der großen und allgegenwärtigen Problematik der Messunsicherheiten beim Experimentieren, an die Schülerinnen und Schüler meiner Meinung nach nicht früh genug herangeführt werden können, da sie eine sehr wichtige Rolle in der Physik spielen.

Wie ganz am Anfang des Artikels schon erwähnt, gibt es zwei Möglichkeiten für die Einbindung des Versuchs mit der Fallschnur in den Schulunterricht. Einerseits kann man als Lehrer mit seinem Wissen eine Fallschnur bauen, dieses Experiment den Schülerinnen und Schülern vorführen (vielleicht auch ganz zu Beginn der Einführung in die Thematik des Freien Falls) und sie einfach beobachten und beschreiben lassen, was zu sehen, beziehungsweise hören ist.

Die Herangehensweise an die Thematik des freien Falls, über das Finden des mathematischen Zusammenhangs durch das Experimentieren mit der schiefen Ebene könnte aber nun auch genutzt werden, um die Schülerinnen und Schülern selbst eine Fallschnur basteln zu lassen. Mit dem Wissen über die Funktionsweise einer Fallschnur und dem mathematischen Verständis sollte dies eine interessante Art für die Schülerinnen und Schüler sein, ihr zuvor erworbenes Wissen anzuwenden und somit zu vertiefen.

Ich bin der Meinung, dass dieses Experiment sogar dazu geeignet ist, einen guten Rahmen um das komplette Thema "Freier Fall" zu legen. Indem man beide eben beschriebenen Möglichkeiten miteinander verbindet. Zuerst und al EInstieg erfolgt die Durchführung des Experiments durch den Lehrer, wodurch die Schülerinnen und Schüler das Experiment kennenlernen. Und ganz am Ende der Thematik, also nach dem Kennenlernen der schiefen Ebene, darausfolgend der Regel der ungeraden Zahlen, bis hin zum Kennenlernen der Formel für den freien Fall, lässt man die Schülerinnen und Schüler das Experiment völlig selbstständig bauen und durchführen und hat so nebenbei den Effekt, dass sie sich unterbewusst noch einmal tiefgehend mit dem Thema auseinander setzen und somit vielleicht ein wenig mehr im Gedächtins verbleibt.

Versuchsanleitung

Für den Versuch müssen zwei Fallschnüre gebaut werden. Die Größe richtet sich dabei nach der Größe des Raumes, in dem das Experiment durchgeführt werden soll. Die hier angegebenen Größen sind für den Einsatz in Innenräumen mit normalen Deckenhöhen (etwa 3m) gedacht. Um eine Fallschnur zu basteln werden lediglich eine Schnur (jeweils etwa 2,50m lang) und ein Paar Muttern (6-7 pro Schnur), als Gewichte und zum Hören des Aufschlagknalls, benötigt. Die Muttern sollten einen Mindestdurchmesser von 1,5cm-2cm und eine Mindestdicke von 0,7cm haben, damit der Aufschlag deutlich zu hören ist. Bei der Durchführung lässt man die Fallschnüre dann aus geeigneter Höhe fallen und hört auf das Aufschlagen der Gewichte, hierfür ist eine Metallplatte, auf die die Gewichte aufschlagen hilfreich, da das Aufschlagen dadurch besser zu hören ist. Größe und Dicke dieser sind variabel, eine Holzspanplatte oder der blanke Fußboden (wenn er dadurch keinen Schaden nimmt) sind auch gut geeignet.

Tabelle 1: Zusammenhang Fallzeit(t), Fallstrecke(s), Wegdifferenz(Δs) und Beschleunigung(Δ(Δs))

Die Tabelle rechts verdeutlicht die Begründung für die Anordnung der Muttern an der ersten Fallschnur.

Ziel des Versuches ist es, durch ein gleichmäßiges Aufschlagen der mit Bedacht angeordneten Muttern, zu verdeutlichen, dass es sich beim freien Fall um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung handelt. Mit Hilfe der Tabelle soll deshalb an dieser Stelle die Anordnung der Gewichte bei der ersten Fallschnur verdeutlicht werden. Aus dem Ziel ein gleichmäßiges Aufschlagen zu hören folgt die Grundannahme, dass man ein konstantes Δt hat. In der ersten Spalte sind daher, ohne Berücksichtigung möglicher Einheiten für t die Zeiten eins bis vier eingetragen. Aus dem bekannten Zusammenhang für beschleunigte Bewegungen und der Erkenntnis, dass die Beschleunigung im Freien Fall eine Konstante, nämlich die Fallbeschleunigung g ist, lässt sich schnell auf den Zusammenhang schließen. Somit ist die zweite Spalte für die Strecke, auch ohne weitere Einheitenbetrachtung, begründet. Wichtig für die Anordnung der Gewichte der Fallschnur ist nun der Abstand zwischen zwei Gewichten, also Δs (Wegdiffernez), welche in der dritten Spalte dargestellt ist. Abschließend liefert die vierte Spalte mit der Änderung der Wegdifferenz (Δ(Δs)), welche die Beschleunigung ist, das Ergebnis, nämlich dass diese eine Konstante ist.


Aufbau

Für die Versuchsdurchführung ist es notwendig, zwei verschieden Fallschnüre zu bauen. An die Erste werden die Muttern in Abständen nach dem oben beschrieben Mathematischen Zusammenhang befestigt. Als sinnvolle Größenordnung hat sich eine Startlänge (für die erste Wegdifferenz) von 10cm als sinnvoll erwiesen. Daraus folgen für die zweite Wegdifferenz 30cm, für die dritte 50cm usw. An die zweite Fallschnur werden die Muttern in gleichmäßigen Abständen angebracht. Hierbei ist jeweils eine Wegdifferenz von 40cm sinnvoll. In der folgenden schematischen Darstellung der Fallschnüre sind die Abstände maßstabsgerecht dargestellt.

Bild 1: Schematische Darstellung der Anordnung

Die Zahlen sollen für den jeweiligen Abstand zwischen zwei Muttern stehen. Für die untere Anordnung sind es die Zahlen die in der dritten Zeile von Tabelle 1 zu finden sind. Dies ist die, im didaktischen Teil angesprochene, Reihe der ungeraden Zahlen. Sie liefern sozusagen die Faktoren für die einzelnen Wegdifferenzen. In diesem Verusch: ein mal zehn Zentimeter, drei mal zehn Zentimeter, fünf mal zehn Zentimeter usw.

Durchführung

Für die Durchführung stellt sich der Experimentator auf eine Leiter, um das Ende einer der Fallschnüre so zu halten, dass das erste Gewicht direkt auf dem Boden aufliegt. Ist es ruhig im Raum, wird die Fallschnur losgelassen. Dabei ist es sinnvoll mindestens zwei Mal jede der beiden Fallschnüre abwechselnd fallen zu lassen. Die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es nun genau auf die Art und Weise des "Klickens" beim Aufschlagen der Gewichte auf dem Boden zu achten.

Es kann in diesem Fall auch sinnvoll sein nicht nur auf das Klicken zu hören, sondern dieses auch mit Hilfe einer Audio-Software (zum Beispiel Audacity) aufzuzeichnen um es sich dann bildlich anzuschauen. Bilder sind unter Auswertung zu sehen.

Ergebnisse

Beim Fallen der ersten Fallschnur, mit der Anordnung der Gewichte, nach der Reihe der ungeraden Zahlen, wird man ein gleichmäßiges "Klicken" beim Aufschlagen der Gewichte auf den Boden hören. Beim Fallen der zweiten Fallschnur, mit den gleichmäßig angeordneten Gewichten, wird das "Klicken" beim Aufschlagen der Gewichte auf dem Boden immer schneller.


Auswertung

Bild 2: Gleichmäßiges Aufschlagen


Bild 2 zeigt eine Aufnahme mit Audacity der ersten Fallschnur. Die gleichmäßigen Abstände sind gut zu erkennen. Zusätzlich kann man aus der Dicke der Signalbalken schließen, dass der Aufprallton mit jedem Gewicht lauter wird. Dies ist damit zu begründen, dass Gewichte, die aus einer größeren Höhe gefallen sind, eine größere Aufprallgeschwindigkeit haben und damit lauter aufprallen.

Bild 3: Beschleunigtes Aufschlagen

Bild 3 zeigt eine Aufnahme mit Audacity der zweiten Fallschnur. Hier ist zu erkennen, dass der Abstand zwischen zwei Tonsignalen immer geringer wird.


Da es sich bei diesem Versuch um einen qualitativen Versuch handelt, dienen die Bilder hier auch nur der qualitativen Veranschaulichung. Auf eine mathematische Auswertung, im Sinne einer konkreten Auswertung der Aufnahme nach welchen Zeiten eine Mutter aufgeschlagen ist, wird daher hier verzichtet. Möglich wäre dies mit der Software "Audacity" aber schon.

Sicherheitshinweise

Bis auf die Tatsache, dass die Leiter beim Besteigen der Person, die das Experiment durchführt, gesichert werden sollte, sind keinerlei Sicherheitshinweise notwendig.

Literatur

  1. Wagenschein, Martin; Naturphänomene sehen und verstehen: Genetische Lehrgänge, (Stuttgart: Klett, 1988), S. 202.

Siehe auch

http://audacity.sourceforge.net/?lang=de