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Kraft und Bewegungsänderung

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Kraft und Bewegungsänderung
Kraftund3.jpg

Überblick über den Versuchsaufbau (ohne Kabel)

Kurzbeschreibung
Versuch zur Betrachtung des Zusammenhangs von einer wirkenden Kraft und einer Bewegungsänderung
Kategorien
Mechanik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: ab Klasse 7
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemomstrationsexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus zeitintensiv
Informationen
Name: Tim Donner
Kontakt: tim.donner@hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Nico Westphal
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Der folgende Versuch untersucht den Zusammenhang einer wirkenden Kraft und einer Bewegungsänderung. Er kann im Themenfeld der Newtonschen Mechanik durchgeführt werden. Dieser Versuch behandelt speziell das zweite Newtonsche Axiom, das Aktionsprinzip. Mit der Luftkissenbahn wird eine in der Alltags- und Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler selten vorkommende reibungsarme Umgebung verwendet.

Didaktischer Teil

Der Versuch soll den Schülerinnen und Schülern den Zusammenhang zwischen einer wirkenden Kraft und einer Bewegungsänderung anschaulich darstellen. Die Newtonschen Axiome, hier speziell das zweite, tauchen im Rahmenlehrplan Physik im Land Berlin im Basiskonzept Wechselwirkung erstmals in der Doppeljahrgangsstufe 7/8 auf (siehe S. 15 [1]). Damit die Schülerinnen und Schüler am Ende des Versuches nicht nur die Beobachtung beschreiben können, sollten die "vorunterrichtlichen Vorstellungen beim gesamten Planungsprozess berücksichtigt werden"(siehe S. 616 Kircher, Girwidz, Häußler[1]).

Speziell der Kraftbegriff ist durch die Alltags- und Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler geprägt. In der Umgangssprache ist "Kraft" ein Sammelbegriff und beschreibt oft andere physikalische Größen. Gleichzeitig werden viele Wörter wie Energie, Wucht oder Stärke als Synonyme gebraucht. Wichtig ist also den Kraftbegriff physikalisch richtig zu definieren und von anderen Begriffen abzugrenzen. Dabei scheint hier der kontinuierliche Lernweg sinnvoller zu sein, als die bloße Konfrontation. Durch Anknüpfen und Umdeuten des Begriffes, ohne den Alltagsbegriff Kraft als falsch darzustellen, können die Schülerinnen und Schüler lernen, Fach- von Alltagssprache zu unterscheiden und beide situativ zu verwenden (siehe S. 617 Kircher, Girwidz, Häußler[1]). Zu beachten ist, dass bei dem Konzeptwechsel die Bedingungen von Posner et al. eingehalten werden (siehe S. 211-227 Posner, Strike, Hewson, Gertzog [2]). In diesem Experiment ist das Ziel, dass die Schülerinnen und Schüler die Kraft als Ursache für Bewegungsänderung wahrnehmen und erkennen, jedoch nicht als Eigenschaft eines Körpers. Schülervorstellungen wie "Ein sich bewegender Körper besitzt eine Kraft" können mit dem beschriebenen Ansatz nun umgedeutet werden in "Ein sich bewegender Körper besitzt einen Impuls".

Da in diesem Experiment vielleicht erstmals mit einer Luftkissenbahn gearbeitet wird sollte vorher auch noch der Einfluss von Reibungskräften auf einen sich bewegenden Körper besprochen werden. Aus ihrer Alltags- und Erfahrungswelt kennen viele Schülerinnen und Schüler das Phänomen auf dem Fahrrad sitzend die Pedalen bewegen zu müssen ohne dabei schneller zu werden. Sie implizieren also, dass Körper, welche eine gleichförmige Bewegung ausführen, einer Kraft unterliegen, ohne die der Körper langsamer werden würde. Die Luftkissenbahn kann dabei dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern den Einfluss der Reibung bewusst zu machen, so dass die Fehlvorstellung dahingehend korrigiert wird, dass die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Geschwindigkeit der Gleiter nur dann konstant bleibt wenn eben keine Kraft wirkt. Dieser konfrontative Ansatz kann aber nur gelingen, wenn die Schülerinnen und Schüler den "kognitiven Konflikt tatsächlich so sehen, wie es die Lehrkraft beabsichtigt"(siehe S. 618 Kircher, Girwidz, Häußler[1]).

Versuchsanleitung

verwendete Geräte des Cassy-Systems von Leybold

Für den Versuch werden folgende Materialien benötigt:


  • Eine Luftkissenbahn (in diesem Fall der Länge 2 m, doch auch andere Längen möglich)
  • Ein Gleiter für die Luftkissenbahn
  • Ein Fähnchen (hierzu kann z.B. ein Steichholz dienen)
  • Ein Faden, doppelt so lang wie die Bahn
  • Ein Gebläse
  • Ein Laptop
  • Die Software CassyLab (siehe hier [2])
  • Ein Sensor-CASSY 2 (524013, Leybold)
  • Eine Gabellichtschranke (33746, Leybold)
  • Ein Bewegungsmesswandler (337631, Leybold)
  • Eine feste Rolle, Durchmesser ca. 5 cm
  • Verschiedenes Stativmaterial
  • Verschiedene Massestücke bis zur Masse 50g


Aufbau

Zunächst muss darauf geachtet werden, dass die Luftkissenbahn möglichst exakt horizontal ausgerichtet wird. An diese wird dann das Gebläse angebracht. Da oft auch kleine Unebenheiten im Fußboden existieren wäre es optimal den Versuch direkt dort aufzubauen, wo er später den Schülerinnen und Schülern gezeigt werden soll. Durch Einschalten des Gebläses wird die Reibung auf der Luftkissenbahn so klein, dass der Gleiter schon bei einem sehr geringen Gefälle eine beschleunigte Bewegung ausführt, was die Messergebnisse beeinträchtigt.

Das eine Ende der Luftkissenbahn sollte am Ende des Tisches stehen, so dass über verschiedenes Stativmaterial auf Höhe der Luftkissenbahn eine feste Rolle befestigt werden kann. Dazu soll darüber der Bewegungsmesswandler befestigt werden. Der Faden wird nun auf der einen Seite mit dem Gleiter fest verbunden. Auf der anderen Seite wird der Faden zunächst über die untere, feste Rolle gelegt und danach über den Bewegungsmesswandler. Am Ende wird dann das Massestück befestigt. Das Massestück sollte nun mindestens so weit über dem Boden hängen, wie der Gleiter auf der Luftkissenbahn fahren kann. Der Gleiter wird nun auf die Luftkissenbahn gesetzt, das Fähnchen wird befestigt. Der Laptop wird nun mit dem Sensor-CASSY 2 verbunden. Dieses wiederum wird mit dem Bewegungsmesswandler und der Gabellichtschranke verbunden. Zuletzt wird die Gabellichtschranke so über der Luftkissenbahn installiert, dass das Fähnchen genau in der Lichtschranke steht. Da der Bewegungsmesswandler in der oben angegebenen Form nicht mehr vertrieben wird kann stattdessen ein Kombi-Speichenrad in Verbindung mit einer Kombi-Lichtschranke (337462) verwendet werden.

In den Fotos (1) und (2) des Versuchsaufbaus wurden die Kabel weggelassen, um eine bessere Übersicht über den Aufbau zu gewährleisten.

Durchführung

Der Laptop wird angeschaltet und die Software CassyLab geöffnet. Für die Gabellichtschranke wird eingestellt, dass die Messung beginnt, sobald das Fähnchen aus der Lichtschranke herauskommt, also sobald das Signal wieder da ist. Die Lichtschranke gibt dabei nur das Startsignal zur Zeitmessung. Der Bewegungsmesswandler fügt dann zu jeder Zeit eine Länge des abgerollten Fadens hinzu. Daraus kann CassyLab dann die Beschleunigung ermitteln. Zu beachten ist, dass der Bewegungsmesswandler vor jeder Messung auf 0 geeicht werden muss. Sobald das Gebläse angeschaltet wird beginnt die Messung. Die Messung dauert nur wenige Sekunden und kann beliebig oft wiederholt werden. Dabei kann auch die wirkende Kraft durch Veränderung der Masse des Massestücks verändert werden. Optimaler- aber nicht notwendigerweise steht noch ein Beamer zur Verfügung, so dass die Schülerinnen und Schüler sofort die aufgezeichneten Ergebnisse sehen können.

Beobachtung

Sobald das Gebläse gestartet wird bewegt sich das Massestück. Es sinkt zu Boden und zieht den Gleiter, mit dem es über einen Faden verbunden ist. Dabei wird der Gleiter immer schneller, bis er am Ende der Luftkissenbahn ankommt. Verändert man nun die Masse des angehängten Massestücks, so verändert sich auch die Beschleunigung des Wagens.

Ergebnisse

Mögliches Ergebnis, dargestellt mit QTI-Plot

Vor Beginn des Experimentes ist die wirkende Haftreibungskraft auf den Gleiter noch genauso groß wie die Kraft, die über das Massestück auf ihn wirkt. Der Wagen ist also in Ruhe. Nach dem Anschalten des Gebläses kann sich der Gleiter auf der Luftkissenbahn haftreibungsfrei bewegen. Allerdings existiert noch ein kleiner Betrag der Gleitreibung, sodass der Versuch nicht komplett ohne Reibungskräfte durchgeführt werden kann. Die Schülerinnen und Schüler sollten eine Beschleunigung des Gleiters erkennen. Mit Hilfe von CassyLab kann diese nun grafisch dargestellt werden. Ist der Versuchsaufbau geglückt, so ist zu erkennen, dass die Beschleunigung im a-t-Diagramm eine Konstante ist. Wird nun die wirkende Kraft durch Veränderung der Masse des Massestücks verändert, so verändert sich auch die Beschleunigung. Dieser Zusammenhang zwischen Beschleunigung und wirkender Kraft kann mit Hilfe von QtiPlot (siehe [3]) grafisch aufgetragen werden. Es ergibt sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung. Der Fehler in dem Diagramm ergibt sich aus der, trotz Luftkissenbahn, immer noch vorhandenen Gleitreibung. Dazu kommt, je nach Aufbau, noch ein jeweils abzuschätzender Fehler für die Neigung der Bahn. Außerdem besitzen der verwendete Bewegungsmesswandler eine Unsicherheit von 0,1 mm, sowie die Gabellichtschranke eine Unsicherheit von 0,01 s. Der Proportionalitätsfaktor in dem Diagramm ist das Reziproke der Masse des Wagens. Als weiterführendes Experiment dazu könnte man nun, bei identischem Versuchsaufbau, die wirkende Kraft konstant lassen und die Masse des Wagens verändern.

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 Kircher, E.; Girwidz, R.; Häußler, P. (Hrsg.) (2009): Physikdidaktik - Theorie und Praxis; 2.Auflage, Springer Verlag, Heidelberg
  2. Posner, G.; Strike, K.; Hewson, P.; Gertzog, W. (1982): Toward a Theory of conceptual change, Science Education)

Siehe auch