MECHANIK

MECHANIK
Die physikalische Beschreibung einer Bewegung setzt eine Zeitmessung voraus. Bedenken Sie das
didaktische Problem, dass Zeitmessung auf dem Abzählen periodischer Vorgänge beruht. (Was ist
ein periodischer Vorgang?)
Einige Methoden der Zeitmessung:
1. Kurzzeitmesser (mechanisch oder elektronisch)
2. Staubfigurenmethode:
Eine bewährte und preiswerte Methode zur Messung kurzer Zeiten ist das Schwefelstaubverfahren:
Man legt eine Wechselspannung (230 V, 50 Hz) zwischen eine Metallplatte mit lackierter oder
eloxierter Oberfläche, die mit Schwefelpulver bestreut ist, und einen beweglichen zweiten Pol
(Schreiber). Bewegt man den Schreiber gleitend über die Platte, so entstehen im Wechselspannungsrhythmus Marken: Das Schwefelpulver wird im inhomogenen Feld aufgeladen und elektrostatisch von der Platte angezogen. Aus Sicherheitsgründen wird in die Zuleitung ein 1 MΩWiderstand eingeschaltet. Was bewirkt er? Wie können die auftretenden Staubfiguren fixiert bzw.
einem größeren Zuschauerkreis demonstriert werden?
3. Metallpapierverfahren:
Die von einem Rechteckgenerator erzeugte Spannung wird über einen metallischen Schreiber auf
die Metallpapieroberfläche übertragen und erzeugt dort periodisch Verfärbungen, die bei Bewegung des Schreibers über das Papier Zeitmarken ergeben.
Messung von Geschwindigkeit und Beschleunigung mittels Ultraschallechos:
Mit dem Ultraschall-Bewegungssensor kann die Entfernung eines den Ultraschall ausreichend reflektierenden Objekts gemessen werden. Mit dem ULAB von CMA, dem LabPro von Vernier oder
dem Xplorer-GLX von PASCO kann der Ort als Funktion der Zeit aufgenommen und auch Diagramme von Geschwindigkeit und Beschleunigung als Funktion der Zeit erhalten werden. Aus didaktischen Gründen sollte zuerst die Funktionsweise der Messapparatur an einfachsten Bewegungen
demonstriert werden.
Der freie Fall als Beispiel einer beschleunigten Bewegung:
g 2
t
und bestimme g.
2
Dabei sollte g mindestens auf 10 % genau bestimmt werden. Verwenden Sie zur Messung das
ULAB, das LabPro oder den Xplorer-GLX mit einem Ultraschall-Bewegungssensor. Überlegen Sie
weitere Möglichkeiten, das Fallgesetz zu überprüfen (z.B. Atwood'sche Fallmaschine,
Videoauswertung).
Mit dem Fall eines Balls zeige man die Gültigkeit der Beziehung
s =
Zusammensetzung von Bewegungen:
Zeigen Sie, dass der horizontale Wurf als Summe zweier unabhängiger Bewegungen dargestellt
werden kann: gleichförmige Bewegung und freier Fall. Von zwei Kugeln wird die erste durch eine
Feder gehalten. Die zweite kann durch die Haltefeder aus ihrer Halterung geschlagen werden. Wird
die Arretierung der Haltefeder gelöst, erteilt man der zweiten Kugel einen Impuls und beide Kugeln
beginnen gleichzeitig frei zu fallen. Befinden sich die beiden Kugeln dabei in gleicher Höhe, dann
treffen sie auch gleichzeitig (gut hörbar) am Boden auf.
Beobachten Sie die resultierenden Bewegungen auch im Licht eines Stroboskops!
Überlegen Sie die Grenzen des Unabhängigkeitsprinzips!
An einer Stange hängen äquidistant Stäbe, deren Längen sich wie die Quadrate der natürlichen
Zahlen verhalten. Zeigen Sie, dass die Endpunkte der Stäbe bei beliebiger Neigung der Stange stets
auf einer "Wurfparabel" liegen.
Vektorcharakter von Kraft und Impuls:
Verbindet man die Angriffspunkte mehrerer Kraftmesser, so kann man zeigen, dass Kräfte als
Vektoren behandelt werden müssen (Vektoraddition).
Für den Impuls zeigt man das durch den nicht zentralen Stoß zweier an Drähten aufgehängter elastischer Kugeln, die diametral zur Aufhängung mit Schreibern für das Schwefelstaubverfahren versehen
sind.
Geradlinige Bewegung:
Man überlege Vor- und Nachteile von Luftkissen - bzw. Rollenfahrbahn für die einzelnen Versuche.
Verwenden Sie zur Registrierung das Metallpapierverfahren oder die Ultraschallmessung!
1. Der Impulssatz:
Zeigen Sie, dass der Massenmittelpunkt zweier Wagen erhalten bleibt, wenn sie sich von einer
zwischen ihnen gespannten Feder gestoßen, in Bewegung setzen (warum?).
Dazu wird die Rollenfahrbahn auf einer ca. ½ cm breiten "Schneide" als "Waage" aufgebaut. Bedenken Sie die Möglichkeit mechanischer Schäden an den Wagen, die bei fahrlässiger
Versuchsdurchführung leicht auftreten können!
2. Elastische und unelastische Stoßprozesse:
Wagen gleicher und unterschiedlicher Masse stoßen auf der Fahrbahn gegeneinander. Beachten Sie,
dass aus den Erhaltungssätzen allein - ohne Kenntnis der Kräfte beim Stoß - der Bewegungszustand
nach dem Stoß folgt, ein Beispiel für die Bedeutung der Erhaltungssätze in der Physik.
3. Beschleunigte und gleichförmige Bewegung:
Als beschleunigende Kraft dient das Gewicht eines geeigneten Körpers, das über einen Faden, der
über eine Rolle läuft, einen Wagen beschleunigt. Wenn das Gewichtsstück den Boden erreicht, bevor
der Wagen an das Ende der Fahrbahn gekommen ist, verläuft die weitere Bewegung gleichförmig.
Deuten Sie das gewonnene Ergebnis zuerst qualitativ und zeigen Sie dann, dass F = m · a gilt. (Was
ist für m einzusetzen?)
Kreisbewegung:
Verwenden Sie den Aufbau des Zentrifugalkraftgerätes gemäß der Gerätebeschreibung und messen
Sie die Zentripetalkraft F = m · r · ω².
Drehimpulserhaltung:
Auf eindrucksvolle Weise erlebt eine auf einem Drehschemel sitzende Versuchsperson die Gültigkeit
des Satzes von der Drehimpulserhaltung. Überlegen Sie, wie sich die Rotationsenergie des Systems
Drehschemel und Versuchsperson (mit Fahrradkreisel) bei diesen Versuchen ändert.
Kreiselversuche:
Alle Kreiselversuche sind mit größter Vorsicht durchzuführen, da abrollende Kreisel 100 km/h auf
Experimentiertisch oder Boden erreichen können.
Demonstrieren Sie die Reaktionskräfte, die bei Richtungsänderung einer Kreiselachse auftreten. Eine
gute anschauliche Erklärung dafür findet sich im Lehrbuch von Grimsehl.
Vorbereitungsstoff:
Mechanik; insbesondere Erhaltungssätze bei Translation und Rotation, einfache Kreiselgesetze, Bedeutung der Stoßprozesse in der modernen Physik. Funktionsweise und physikalische Grundlagen
der verwendeten Geräte. Kenntnis der ausgegebenen Gerätebeschreibungen.
Verwendete Geräte:
Schwefelspurenplatte mit Vorschaltwiderständen, Kraftmesser, Fahrbahn und Zubehör, Ultraschallecholot, Analog-Digitalwandler, Kurzzeitmesser, Stroboskop, Fallmaschine, Zentrifugalkraftgerät,
Kreisel, Drehschemel, ULAB, LoggerPro
Literatur:
Universitätslehrbücher über Physik
für den Kreisel besonders: Grimsehl
zum Schwefelstaubverfahren: Praxis der Naturwissenschaften 1, (1952) S. 6