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Anfängerpraktikum in Physik für das BG 11 und die FOS12
August 2010
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.
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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, Ekin, Epot (und Espann ) 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. Ekin, Epot 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 Epot = Ekin 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. Espann berechnet
8. Faden oder Federpendel über 25 Schwingungen betrachten, Wirkungsgrad
berechnen
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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.
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V. Arbeitsblätter
1. Energieumwandlung an einer schiefen Ebene.
Wenn ein Körper auf einem Berg steht, hat er Lageenergie (Epot). Die Lageenergie ergibt sich
aus der Formel m*g*h. Wenn der Körper den Berg hinunterrollt, bekommt er Bewegungsenergie
Ekin= ½ m*v².
1.1.
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.
1.2.
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.
1.3.
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 Epot > max Ekin ,
O max Epot < max Ekin
1.4.
Versuchsskizze
Wagen mit der Masse m
h
l
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.
1.5.
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 Epot und Ekin
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.
1.7.
Auswertung / Bewertung der Hypothesen
Wie verändern sich Epot und Ekin durch die Veränderung der Grundgrößen?
Beurteilen Sie die Richtigkeit Ihrer Hypothesen, begründen Sie Ihr Urteil.
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Welche Erkenntnisse haben Sie bezüglich des Versuchsziels gewonnen?
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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 Epot und Ekin ermitteln und miteinander vergleichen.
Betrachten Sie diese Energieformen während der ersten Schwingung.
2.2.
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).
2.3.
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 Epot > max Ekin ,
O max Epot < max Ekin
2.4.
Versuchsskizze
Alp ha
Lä n
ge
L
Erstellen Sie eine Liste mit allen benötigten Versuchsmaterialien
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 Epot und Ekin notwendig sind.
Messwerttabelle in Excel (mit Formelzeichen und Einheiten):
Beschreibung der Schwierigkeiten,
Fehlerabschätzung
Beschreiben Sie die Probleme bei den Messungen und
schätzen Sie Ihren Fehler in % ab.
m
2.6.
Auslenkung h
2.7.
Auswertung und Bewertung der Hypothesen
Wie verändern sich Epot und Ekin durch die Veränderung der Grundgrößen?
Beurteilen Sie die Richtigkeit Ihrer Hypothesen, begründen Sie Ihr Urteil.
Welche Erkenntnisse haben Sie bezüglich des Versuchsziels gewonnen?
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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.
3.2.
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.
3.3.
Hypothesen
Wann, glauben Sie, ist die Messung besonders genau? Beschreiben Sie Ihre Auffassung
in einem freien Text.
3.4.
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.
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3.5.
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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?
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4. Winkelabhängige Kräftezerlegung.
Oft wirken viele Kräfte auf einmal. Sie sind unterschiedlich groß und wirken in verschiedene
Richtungen.
4.1.
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.
4.2.
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!).
4.3.
Hypothesen
− Wenn x sehr klein ist :
F1 + F2 kleiner/gleich/größer als F
− Wenn x größer wird , wird :
F1 + F2 < / = / > als F
− Wann wird F1 > F : ….........................................................................................
...................................................................................................................................
4.4.
Versuchsskizze
Erstellen Sie bitte auch eine Liste mit allen Versuchsmaterialien
X
X
Stativstangen
F1
F2
y
Kraftmesser
Masse
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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.
4.6.
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?
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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
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