MECHANIK in der MECHANIK in der Unter – und Oberstufe und

MECHANIK in der
Unter – und Oberstufe
mit Hilfe des
NTL – Baukasten
Schulversuchspraktikum 2000
bei Mag. Monika TURNWALD
Günter EIBENSTEINER
Matrikelnummer 9856136 mit
Christian J. ZÖPFL
INHALTSV ER Z EICHNIS
1. Wann wird Mechanik in der Unter – und Oberstufe unterrichtet?
(Seite 3)
2. Was wird in der Unter – und Oberstufe in Mechanik
unterrichtet?
2.1 Unterstufe (Seite 3)
2.2. Oberstufe (Seite 3)
3. Einsatz des NTL – Baukastens für bestimmte physikalische
Themen aus der Mechanik in der Unter – und Oberstufe
3.1. Gewichtskraft (Seite 4)
3.2. Kraftmessung (Seite 8)
3.3. Hook’sches Gesetz (Seite 10)
3.4. Zusammensetzung von Kräften – Kräfteparallelogramm (Seite 13)
3.5. Trägheit (Seite 16)
3.6. Rückstoß (Seite 18)
Seite 2
1. Wa nn wird Me cha nik in d e r
Unte r – und Ob e rs tufe unte rrichte t?
Mechanik wird zum ersten Mal in der 2.Klasse Unterstufe unterrichtet. Das nächste Mal wird
es in der 5.Klasse Oberstufe unterrichtet.
2 . Wa s wird in d e r Unte r – und Ob e rs tufe in
Me cha nik unte rrichte t?
2.1. Unterstufe:
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Erkennen, dass Kräfte die Ursachen für Deformationen und Änderungen des
Bewegungszustandes sind
Schüler sollten in der Lage sein, Kräfte aufgrund ihrer Wirkung als physikalische Kräfte
zu erkennen
Erkennen von erwünschten und unerwünschten Auswirkungen der Reibung
Kräftefreie Bewegungsabläufe
Paarweises Auftreten von Kräften
Gewichtskraft als Wechselwirkung zweier Körper
Reibungskraft als Wechselwirkung zweier Körperoberflächen
Erkennen der unterschiedlichen Bedeutungen des Wortes Arbeit in Umgangs– und
Fachsprache
Arbeitsbegriff und Einheit der Arbeit
2.2. Oberstufe:
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Erkennen, dass Kräfte die Ursache von Bewegungs – und Formveränderungen sind
Kraft als Vektor darstellen
Grundgleichungen der Mechanik
Federkraft, Reibung, Gewichtskraft
Anwendung der Kenntnisse auf das Verkehrsverhalten
Mechanische Arbeit definieren und auf einfache Beispiele anwenden können
Hub–, Beschleunigungs– und Dehnungsarbeit
Impuls ist eine Erhaltungsgröße
Impulssatz qualitativ an einfachen Beispielen anwenden können
Stoßprozesse
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3 . Eins a tz d e s NTL – Ba uka s te ns fü r b e s timmte
phys ika l is che The me n a us d e r Me cha nik in d e r
Unte r – und Ob e rs tufe
3.1. Gewichtskraft
3.1.a. Lerninhalt
Unterstufe:
Die Gewichtskraft (das Gewicht) eines Körpers ist die Kraft, mit der er von der Erde
angezogen wird. Mit „schwer sein“ und „Gewicht haben“ drücken wir im täglichen
Sprachgebrauch diesen Sachverhalt aus. Schülern ist sicher bekannt, dass Raumfahrer
schwerelos sind. Sie schweben im Raumschiff, wenn sie sich nicht irgendwo festhalten.
Landen sie auf dem Mond, so wirkt auf sie wieder eine Gewichtskraft. Diese ist jedoch
kleiner als jene auf der Erde. Dies gibt einen Hinweis auf die Ursache der Gewichtskraft. Sie
entsteht, weil sich alle Körper gegenseitig anziehen. Allerdings wird dies erst merkbar, wenn
Körper mit außerordentlich großer Masse auf kleinere anziehend wirken, die ihnen nahe sind.
So ein Körper mit großer Masse ist unsere Erde, eine Riesenkugel. Sie zieht alle Körper, die
sich auf ihrer Oberfläche befinden, mit großer Kraft an. Sie bewirkt an ihnen, dass sie fallen
und dabei beschleunigt werden oder auf ihre Unterlage drücken. Der Mond hat weniger
Masse als die Erde. Er zieht daher Gegenstände an seiner Oberfläche mit geringerer Kraft an
sich. Die Gewichtskraft ist auf dem Mond sechsmal kleiner als auf der Erde. In großer
Entfernung von Erde oder Mond ist die Anziehungskraft sehr klein und kaum nachzuweisen.
Dies führt dann fast zur Schwerelosigkeit.
Als Einheit verwenden wir jene Kraft, mit der ein Wägestück von etwa 100g (genau 102g)
von der Erde angezogen wird. Wir nennen diese Kraft ein Newton (N). Der Name wurde zu
Ehren des englischen Physikers ISAAC NEWTON (1643 – 1727) gewählt. Demnach übt die
Erde auf einen Körper mit der Masse 1 kg eine Kraft von ziemlich genau 10 N aus. Die
Gewichtskraft ist ortsunabhängig, die Masse eines Körpers ist hingegen überall gleich.( z.B.
Eine Tafel Schokolade wiegt auf dem Mond weniger, als auf der Erde. Trotz des geringeren
Gewichts ist aber auf dem Mond in derselben Tafel auch dieselbe Menge Schokolade
enthalten wie auf der Erde, sie besitzt die selbe Masse.
Oberstufe:
In der Oberstufe werden natürlich viele physikalische Begriffe aus den vorhergegangenen
Jahren vorausgesetzt. (hier z.B. gleichmäßig beschleunigte Bewegung, freier Fall usw.)
Zwischen der Erde und den in ihrer Nähe befindlichen Körpern besteht offenbar eine
Wechselwirkung, die wir als Massenanziehung oder als Gravitation bezeichnen. Die auf
einen Körper von der Erde ausgeübte Gravitationskraft bezeichnen wir als das Gewicht ,
Gewichtskraft oder als Schwerkraft dieses Körpers. Das Gewicht ist eine Kraft. Um das
Gewicht eines Körpers zu messen, müssen wir daher nach der dynamischen Kraftdefinition
(F=m*a) feststellen, wie stark dieser frei bewegliche Körper durch die Erdanziehung
beschleunigt wird. Wir müssen also die Bewegung dieses Körpers beim „freien Fall“
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untersuchen. Der frei fallende Körper führt eine gleichmäßig beschleunigte Translation mit
der sogenannten Erdbeschleunigung g = 9.81 m/s2 aus. Auf den frei fallenden Körper wirkt
daher eine konstante Kraft G = m*g (Gewicht des Körpers). Das Gewicht des Körpers
ändert sich bei geringem Höhenunterschied nicht messbar und ist von der Geschwindigkeit
des Körpers unabhängig. Der ruhende Körper hat daher dasselbe Gewicht wie der
fallende Körper. Am selben Ort erfahren alle frei fallenden Körper dieselbe
Erdbeschleunigung g. Der Wert der Erdbeschleunigung hängt etwas von der geographischen
Lage ab. Als Normwert der Erdbeschleunigung wird die in Sevres bei Paris herrschende
Erdbeschleunigung definiert. Jeder Ort mit demselben Betrag der Erdbeschleunigung heißt ein
Normort. gn = 9.80665 m/s2 wird als Normwert der Erdbeschleunigung bezeichnet.Wir
haben in der Unterstufe das Gewicht des kg – Stückes am Normort als Krafteinheit 1kp
(technisches Maßsystem) definiert. Es gilt nun für das kg – Stück am Normort:
G = m*gn = 1kg*9.81 m/s2 = 9.81 kgm/s2 = 9.81 N = 1kp
Die Masse haben wir als Maß für die Trägheit eingeführt, sie hatte mit dem Gewicht nichts zu
tun. Das die Gravitationskraft zur Masse proportional ist, ist daher keine
Selbstverständlichkeit, sondern ein fundamentales Naturgesetz. Es bewirkt, dass der Quotient
g = G/m am selben Ort für alle Körper gleich ist., weil eben auf einen Körper doppelter
Masse genau die doppelte Gravitationskraft wirkt. Das ist uns aus dem Alltag so vertraut, dass
wir es nicht als Grundgesetz erkennen, dass wir zwischen Masse und Gewicht oft kaum
unterscheiden.
3.1.b. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen
1.Versuchsaufbau:
Der Aufbau wird gemäß der Abbildung durchgeführt.
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1.Versuch: Es werden der Reihe nach die Massen 20g, 100g und 200g an den Kraftmesser
gehängt. Dann wird das Gewicht am Kraftmesser abgelesen. Das Gewicht wird in der Einheit
1 Newton (1N) angegeben. Die Ergebnisse werden notiert. Nun berechne man aus den
Messergebnissen die Gewichtskraft, die von der Masse 1 kg bewirkt wird.
Erkenntnisse aus dem 1.Versuch: 1 kg Masse bewirkt auf der Erdoberfläche die
Gewichtskraft 10 Newton. Die Gewichtskraft 1 N entsteht an der Erdoberfläche durch die
Masse 100g.
Kommentare zum 1.Versuch: Der Versuchsaufbau ist nicht kompliziert und kann relativ
schnell erfolgen. Das einzige Problem, das auftreten könnte, ist das genaue Ablesen der Skala
des Kraftmessers. Die Schüler müssen auf jeden Fall direkt vor dem Versuchsaufbau stehen,
da sie von ihren Plätzen aus nichts sehen können beziehungsweise ablesen können. Ansonsten
ist die Durchführung des Versuchs kein Problem. Der Versuch kann sowohl in der Unterstufe
als auch in der Oberstufe durchgeführt werden.
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2.Versuchsaufbau: Aufbau gemäß der Abbildung
2.Versuch: Eine sehr einfache und genaue Messung der Erdbeschleunigung ermöglicht die
Formel für die Schwingungsdauer eines Fadenpendels!
Die Pendellänge entspricht dem Abstand vom Lagerbolzen bis zum Schwerpunkt der
angehängten Masse. Zuerst werden zwei Schlitzgewichte mit 50g auf den Teller für
Schlitzgewichte gelegt. Der Schwerpunkt der Masse liegt ungefähr in der Mitte zwischen den
beiden Schlitzgewichten. Die Pendellänge soll ungefähr 70 – 90 cm betragen!
Die Pendellänge wird auf mm genau gemessen!
Nun wird die Zeitdauer für 10 Schwingungen gemessen und daraus Schwingungsdauer T für
eine Schwingung berechnet!
Aus der Formel für die Schwingungsdauer
T = 2*π*√l/g
Erhält man die Erdbeschleunigung g mit
g = (4*π2*l)/T2
Dieser Versuch wird für verschiedene Pendellängen durchgeführt!
Erkenntnisse aus dem 2.Versuch: Den Schülern soll bewusst werden, dass mit Hilfe eines
Fadenpendels mit bekannter Pendellänge ebenfalls die Erdbeschleunigung berechnet werden
kann! Der genaue Wert beträgt 9.81 m/s2
Kommentare zu dem Zweiten Versuch: Dieser Versuch kann nur in der Oberstufe
durchgeführt werden. Aber auch die Schüler aus der Oberstufe benötigen für diesen Versuch
ein gewisses Vorwissen bezüglich Schwingungen (Schwingungsdauer,......).Der Aufbau und
die Durchführung des Versuchs ist relativ einfach aber wirkungsvoll.
Zu beachten ist nur, dass man für die Messung der Schwingungsdauer eine genaue Stoppuhr
verwendet!
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3.2. Kraftmessung
3.2.a. Lerninhalt:
Unterstufe:
Wer hat die größere Kraft? Schüler wollen feststellen, wer stärker ist. Sie diskutieren folgende
Verfahren: Kräftevergleich durch Anschieben eines Autos, durch Heben von Wägestücken,
durch Dehnen eines Expanders. Welcher der Vorschläge ist am besten? Wie ermittelt man
jeweils den Sieger? Beim Anschieben eines Autos könnte man die Zeiten vergleichen, die
beide zum Beschleunigen auf 20 km/h brauchen. Ob das zu schaffen ist? Beim
„Gewichtheben“ wäre der Sieger aufgrund der gestemmten Wägestücke festzustellen. Hier
spielt aber neben der Kraft auch die Geschicklichkeit eine große Rolle! Beim Expander ist der
Vergleich einfach. Wer mehr Kraft hat, kann die Gummiseile weiter dehnen. Mit dem
Expander kann man die Kräfte zwar bequem vergleichen, aber nicht messen. Zum Messen
braucht man Kraftmesser. Die den Schülern schon bekannte Federwaage ist so ein
Kraftmesser. Auch die Skala kann verwendet werden, denn ganz allgemein werden Kräfte in
Newton gemessen. Zur Dehnung einer Feder ist eine Kraft erforderlich. Sie wird mit Hilfe
eines Kraftmessers gemessen. Je weiter die Feder gedehnt wird, desto mehr Kraft ist
erforderlich. Die Ausdehnung ist zur Kraftzunahme proportional. Die weichere Feder dehnt
sich bei gleicher Belastung mehr aus als die härtere. Aber kommt es immer nur auf die Größe
der Kraft an? Zwei Schüler sollen einen festsitzenden Haken aus der Wand ziehen. Der
Stärkere zieht mit aller Kraft nach unten und verbiegt den Haken. Der Schwächere zieht
senkrecht zur Wand und löst die Aufgabe ohne größere Kraftanstrengung. An diesem Beispiel
wird deutlich, dass es nicht nur auf die Größe einer Kraft ankommt, sondern auch auf ihre
Richtung. Einzelne Kräfte unterscheiden sich durch Größe, Richtung und Angriffspunkt.
Diese Unterscheidungsmerkmale lassen sich durch Pfeile darstellen. Die Pfeillänge
kennzeichnet die Größe, die Pfeillage die Richtung und der Pfeilanfang den Angriffspunkt der
Kraft. Eine Größe wie die Kraft, bei der es auch auf die Richtung ankommt, bezeichnet der
Physiker als Vektor.
Oberstufe:
Zusätzlich dem Lerninhalt aus der Unterstufe, gibt es in der Oberstufe noch physikalisch
tiefergehende Erklärungen!
Die Größe einer Kraft kann stets nur an ihren Wirkungen beurteilt werden. Bei der
Kraftmessung mit der Federwaage haben wir die Verformung eines elastischen Körpers als
Maß der Kraft benutzt. Man bezeichnet diese Kraftmessung als eine statische Kraftmessung.
Bei der Wechselwirkung zwischen Körpern war stets etwas wirksam, das wir als Kraft
bezeichnen (elastische Kraft, magnetische Kraft......). Als Wirkung dieser Kraft haben wir
aber nicht die Verformung eines Körpers beobachtet (wie bei der statischen Kraftmessung),
sondern eine Beschleunigung der in Wechselwirkung stehenden Körper. Kraft ist die Ursache
der bei jeder Wechselwirkung zwischen Körpern auftretenden Beschleunigung. Bei jeder
Wechselwirkung zwischen Körpern ist an jedem der Körper eine Kraft wirksam.
Die auf einen Körper wirkende Kraft F ist das Produkt aus der Masse des Körpers und
der an ihm erzielten Beschleunigung: F = m*a
dynamische Kraftdefinition
Nach dieser Definition ist die Kraft ein Vektor: Die Richtung der Kraft ist die Richtung der
Beschleunigung, der Betrag der Kraft ist m – mal so groß wie der Betrag der Beschleunigung.
Für das Rechnen mit Kräften gelten die Regeln der Vektorrechnung.
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3.2.b. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen
Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung
Versuch: Wir messen die Kraft, die für die Verformung eines elastischen Körpers
aufzuwenden ist. Der Kraftmesser wird an einem Ende der Feder eingehängt. Das andere
Ende der Feder muss festgehalten werden. Dann zieht man am Kraftmesser und liest ab, wie
viel Kraft für die Dehnung der Feder aufzuwenden ist. Die Ergebnisse werden notiert.
Erkenntnisse aus dem Versuch: Zur Dehnung einer Schraubenfeder ist eine Kraft
erforderlich. Sie wird mit Hilfe eines Kraftmessers gemessen. Je weiter die Feder gedehnt
wird, desto mehr Kraft ist dazu erforderlich.
Kommentare zum Versuch: Der Aufbau des Versuchs geht sehr schnell. Das einzige
Problem liegt bei der Anbringung der Marken.
Dafür gibt es drei Möglichkeiten:
1. Auf Tischstativ
2. Auf der Stativschiene
3. Auf einem Blatt Papier
Versuch kann in der Ober – und Unterstufe durchgeführt werden.
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3.3. Hook’sches Gesetz
3.3.a. Lerninhalt
Unterstufe:
Der Begriff Hook`sches Gesetz wird in der Unterstufe noch nicht verwendet.
Oberstufe:
Solange man eine gewisse Dehnung ∆x der Feder nicht überschreitet, liegen die Messpunkte
sehr genau auf einer Geraden. Das bedeutet:
Bei nicht zu großer Dehnung ist die elastische Kraft der Schraubenfeder zur Dehnung
proportional:
F = - k*∆x
HOOK`SCHES GESETZ
Lineares Kraftgesetz
Der Proportionalitätsfaktor k heißt Federkonstante.
Das Minuszeichen besagt, dass die Federkraft der Dehnung entgegengerichtet ist.
Die Federkonstante k gibt die zur Dehnung um 1 m nötige Kraft an und charakterisiert so die
Stärke der Feder.
3.3.b. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen
1.Versuchsaufbau : Aufbau gemäß der Abbildung
Wir wollen den Zusammenhang zwischen Dehnung einer Feder und aufgewendeter Kraft
herausfinden!
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1.1.Versuch:
Zuerst wird ein Schlitzgewicht 50g aufgelegt und dann zwei Schlitzgewichte 50g. Die
Zunahme der Gewichtskraft beträgt 0.5 bzw 1N. Die Messergebnisse werden aufgeschrieben.
1.2.Versuch:
Jetzt wird der 1.Versuch mit einer härteren Schraubenfeder wiederholt. Die Ergebnisse
werden wieder aufgeschrieben und mit denen vom ersten Versuch verglichen.
Erkenntnisse aus den Versuchen: Die Ausdehnung ist zur Kraftzunahme proportional. Die
weiche Feder dehnt sich bei gleicher Belastung weiter aus als die härtere Feder.
Kommentare zu den Versuchen: Der Aufbau ist sehr einfach und geht relativ rasch. Es
können auch kaum Probleme auftreten! Man muß nur darauf achten, dass das Stativ den
Schülern nicht die Sicht auf die Feder versperrt!
2.Versuchsaufbau: Aufbau gemäß der Abbildung
Zur herkömmlichen Bestimmung der Federkonstanten mit Hilfe der Formel k =
F/Längenänderung, wird mit diesem Versuch eine andere Möglichkeit gelehrt die
Federkonstante zu bestimmen!
2.Versuch: Auf den Lagerbolzen wird zuerst die „harte“ Feder gehängt. Am unteren Ende der
Feder wird der Teller für die Schlitzgewichte aufgehängt. Auf den Teller werden nun 3
Schlitzgewichte mit je 50g gelegt. Die Gesamtmasse beträgt daher 160g = 0.16kg.
Nun messen wir die Zeitdauer für 10 Schwingungen und berechnen daraus die
Schwingungsdauer T des Federpendels. Wir notieren die Ergebnisse!
Mit Hilfe der Formel
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T = 2*π*
m
k
m.....Masse
k......Federkonstante
erhalten wir die Federkonstante k.
k = (4*π2*m)/T2
k = .......N/m
Jetzt wiederholen wir den gleichen Versuch, aber mit einer „weichen“ Feder!
Auf den Teller für Schlitzgewichte wird aber nur 1 Schlitzgewicht mit 50g aufgelegt!
Die Werte werden wieder notiert, und die Federkonstante bestimmt.
Erkenntnisse aus dem 2.Versuch: Den Schülern soll mit diesem Versuch klargemacht
werden, dass die Federkonstante aus der Schwingungsdauer eines Federpendels bestimmt
werden kann.
Kommentare zu dem 2.Versuch: Der Aufbau und die Durchführung sind sehr einfach. Man
braucht lediglich beim Zählen der Schwingungen aufpassen, dass man sich nicht verzählt!
Auch eine genaue Stoppuhr ist erforderlich. Dieser Versuch ist jedoch nur für die Oberstufe
geeignet, da die Schüler in der Unterstufe noch nicht konfrontiert werden mit dem Begriff
Federkonstanten!
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3.4. Zusammensetzung von Kräften –
Kräfteparallelogramm
3.4.a. Lerninhalt
Unterstufe:
Da die Schüler in der 2.Klasse noch nichts über Vektorrechnung in Mathematik gelernt haben
kann in der Unterstufe nur sehr physikalisch oberflächlich auf das Thema Zusammensetzung
von Kräften eingegangen werden.
Wann befinden sich Kräfte im Gleichgewicht?
Ziehen zum Beispiel zwei Mannschaften beim Seilziehen gleich stark, so sagen wir es
herrscht Kräftegleichgewicht!
Wirken auf einen ruhenden Körper zwei gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kräfte,
bleibt er in Ruhe. Am Körper herrscht Kräftegleichgewicht.
Was versteht man unter Kraft und Gegenkraft?
Wenn zwei Schüler an einem Seil ziehen, dann überträgt das Seil Kräfte zwischen den beiden
Schülern. Bewirkt es am einen Schüler eine Kraft, so tritt gleichzeitig am anderen eine
entgegengesetzt gerichtete gleichgroße Kraft auf.
Kraftwirkungen zwischen Körpern sind wechselseitig: Kraft und Gegenkraft sind gleich
groß.
Oberstufe:
In der Oberstufe sind die Schüler mehr oder weniger vertraut mit der Vektorrechnung!
Wirken auf einen Massenpunkt (Körper) der Masse m mehrere Kräfte ein, so erfährt er durch
jede eine Beschleunigung. Die Summe der Kräfte
F1 + F2 + F3 + ....... = m*a1 + m*a2 + m*a3 + ..... = m*(a1 + a2 + a3 + ......)
ist dann Null, wenn die resultierende Beschleunigung a1 + a2 + a3 + ..... = 0
ist. Der Massenpunkt verharrt dann in Ruhe oder gleichförmiger Translation.
Wir sagen: Es herrscht statisches Gleichgewicht.
Verharrt ein Massenpunkt in Ruhe oder gleichförmiger Translation, so halten die an
ihm angreifenden Kräfte einander das statische Gleichgewicht.
Bild:
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Man überzeugt sich experimentell, dass die aus den Kräften F1 und F2 nach der
Parallelogrammregel gezeichnete resultierende Kraft zu F3 entgegengesetzt gleich ist, sodaß
die Summe aller Kräfte Null ist. Das bestätigt, dass Kräfte tatsächlich nach der
Parallelogrammregel (wie Schiebungen) addiert werden.
In der Versuchsanordnung im Bild a stellt sich bei gegebenen Betrag der Kräfte F1, F2 und F3
der Punkt P so ein, dass die Summe dieser Kräfte verschwindet.
Im Bild b sind die Kräfte nebenbei durch Aneinanderfügen addiert: Das Vektoreck ist
geschlossen, die Gesamtkraft (Resultierende) ist also Null.
Jede Kraft kann nun, wie jeder Vektor, auf vielerlei Art in Teilkräfte (Summanden
Komponenten) zerlegt werden.
3.3.d. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen:
Versuchsaufbau: Aufbau gemäß der Abbildung!
Versuch: Wir wollen ermitteln, welche dritte Kraft zwei gegebenen Kräften das
Gleichgewicht hält!
Die Haken der Kraftmesser werden zusammengehängt. In dieser Position werden die
Kraftmesser abgelesen, und die Werte werden als Leerwerte notiert. Sie müssen dann von den
angezeigten Kraftwerten abgezogen werden. In die Haken der Kraftmesser wird der Teller für
Schlitzgewichte mit einem Schlitzgewicht 50g eingehängt.
Nun wird der Reiter mit der Stativstange solange verschoben, bis der Winkel zwischen den
beiden Kraftmessern 90 Grad beträgt. (Kontrolle mit Zeichendreieck oder einem Blatt Papier)
Jetzt werden die von den Kraftmessern angezeigten Kräfte abgelesen und die Leerwerte
werden abgezogen. Die lotrecht nach unten wirkende Kraft beträgt 0.6N (Teller und ein
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Schlitzgewicht). Mit diesen Messergebnissen wird nun ein Kräfteparallelogramm gezeichnet
(1 cm entspricht 0.2N). Vergleiche Bild oben. Wir vergleichen die Diagonale des
Kräfteparallelogramms mit der nach unten wirkenden Kraft.
Erkenntnisse aus dem Versuch: Den Schülern soll mit diesem Versuch klar werden, dass
zwei Kräfte zu einer resultierenden Kraft zusammengesetzt werden, indem man die Diagonale
im Kräfteparallelogramm konstruiert. Die dritte Kraft, die den beiden Kräften das
Gleichgewicht hält, ist die Gegenkraft zur Resultierenden.
Kommentare zu dem Versuch: Der Aufbau dieses Versuchs ist relativ einfach, man muß
nur darauf achten, dass man den Schülern nicht durch irgendein Stativ die Sicht auf den
Versuch versperrt. Auch die Durchführung des Versuchs benötigt nicht viel Zeit.
Dieser Versuch kann in der Unter – und Oberstufe durchgeführt werden.
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3.5. Trägheit
3.5.a. Lerninhalt
Unterstufe:
Ein beladener Wagen widersetzt sich der Bewegungsänderung beim Losfahren stärker als ein
unbeladener. Der Physiker sagt, er ist träger. Die Eigenschaft eines Körpers, sich
Bewegungsänderungen zu widersetzen, nennt man Trägheit. Statt von der Trägheit eines
Körpers spricht man auch von dessen Masse (Trägheit = Masse). Versuche und tägliche
Erfahrungen zeigen uns, dass alle Körper bestrebt sind, ihren Bewegungszustand
beizubehalten.
Die Einheit der Masse ist durch eine internationale Vereinbarung festgelegt. Sie ist gleich der
Masse eines in Paris aufbewahrten Vergleichskörpers. Dieser hat die Form eines Zylinders,
hergestellt aus den Materialien Platin und Iridium, und ist so beschaffen, dass seine Masse
fast genau jener Masse entspricht, die ein Liter Wasser bei der Temperatur von 4°C hat.
Die Einheit der Masse (m) ist ein Kilogramm (kg) . 1kg = 100dag = 1000g, 1000kg = 1
Tonne (1t).
Bei einer Wägung wird die unbekannte Masse (Trägheit) mit der Masse der Wägestücke eines
Wägesatzes verglichen.
Oberstufe:
Da ein Körper ohne Wechselwirkung (also von selbst, ohne Kraft) seine Geschwindigkeit nie
ändert, also stets in Ruhe oder gleichförmiger Bewegung verharrt, sagt man:
Jeder Körper hat Trägheit, Beharrungsvermögen oder Masse.
Die Masse wird als dritte Basisgröße eingeführt!
Wie vergleicht man (wie misst man) die Masse (die Trägheit) von Körpern?
Die Antwort ist naheliegend:
Man ordnet einem Körper umso größerer Masse (Trägheit) zuschreiben, je schwerer man ihn
aus der Ruhe in Bewegung setzen kann, je kleiner also seine Geschwindigkeitsänderung bei
einer Wechselwirkung ist.
Zwei Körper bilden ein abgeschlossenes System, wenn sie nur miteinander (also mit
keinem dritten Körper) in Wechselwirkung treten können.
Definition der Massengleichheit: Zwei Körper haben gleiche Massen, wenn sie bei
Wechselwirkung gegengleiche Geschwindigkeitsänderungen (Beschleunigungen) erfahren.
Definition der Massenvielfachheit: Ein Körper hat die 2, 3, 4, ....fache Masse eines
Vergleichskörpers, wenn er bei einer Wechselwirkung mit diesem nur 1/2, 1/3, 1/4,......so
große Geschwindigkeitsänderung (Beschleunigung) erfährt.
Definition der Masseneinheit: Die Einheit der Masse ist 1 Kilogramm (1kg). 1kg ist die
Masse des Internationalen Kilogrammprototyps.
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3.5.b. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen:
Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung
Mit diesem Versuch will man die Begriffe Massengleichheit, Massenvielfachheit zeigen!
Versuch a: Zwischen den beiden völlig gleich gebauten Wägelchen ist eine Blattfeder
gespannt. Nach dem Durchbrennen eines Fadens, der die beiden Wägelchen zusammenhält,
bewegen sich die beiden Körper in entgegengesetzten Richtungen. Die beiden Körper
erfahren durch die Wechselwirkung offenbar gegengleiche Geschwindigkeitsänderungen.
Man sagt daher: Diese Körper sind gleich träge, sie haben die gleichen Massen. Da die
gegengleichen Geschwindigkeitsänderungen in derselben Zeit erfolgen, müssen auch die
Beschleunigungen der Körper gegengleich sein. Durch diesem Versuch wird versucht , den
Schülern den Begriff Massengleichheit näher zubringen!
Versuch b: Nun wird eines der Wägelchen mit einem Zusatzkörper versehen. Es wird ihm die
doppelte Masse des leeren Wägelchens zugeordnet! Es wird beobachtet, was passiert!
Mit diesem Versuch wird den Schülern der Begriff Massenvielfachheit nähergebracht.
Erkenntnisse aus den beiden Versuchen: Die Schüler verstehen die Begriffe
Massengleichheit und Massenvielfachheit besser!
Kommentare zu den beiden Versuchen: Der Versuch ist leicht durchzuführen, und auch der
Aufbau ist unkompliziert. Man muss nur darauf achten, dass man genügend Schlingen, für
eine mehrmalige Vorführung, vorbereitet! Denn das Anfertigen von Schlingen kostet
wertvolle Unterrichtszeit. Es ist auch von Vorteil, wenn man die Schnur durchbrennt und
nicht durchschneidet! Dieser Versuch ist für die Unter – und Oberstufe sehr angepasst! Für
die Schüler auch leicht verständlich.
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3.6. Rückstoß
3.6.a. Lerninhalt
Unterstufe:
Kraftwirkungen zwischen Körpern sind wechselseitig: Kraft und Gegenkraft sind gleich groß.
Auch der Rückstoß ist eine Gegenkraft. Vielleicht hat der eine oder andere schon einmal
beim Rasenspritzen oder Autowaschen versehentlich den Schlauch losgelassen. Was ist
passiert? Die Spritzdüse fuhr wild herum. Das Wasser wird mit großer Kraft aus der Düse
gedrückt, die Gegenkraft wirkt auf den Schlauch und drückt ihn nach oben. Wie müsste der
Versuch aussehen, wenn statt Wasser Luft verwendet wird? Ein Fön hängt an einem langen
Faden. Er ist mit einem Kraftmesser verbunden! Wir schalten den Fön ein. Was ist zu
beobachten? Im Moment des Einschaltens setzt sich der Fön in Bewegung, und zwar in die
dem Luftstrom entgegengesetzte Richtung. Der Kraftmesser zeigt eine Kraft an, solange der
Fön bläst. Sie entsteht dadurch, dass Luft durch eine Kraft mit großer Geschwindigkeit
ausgestoßen wird. Die Gegenkraft dazu ist dem Luftstrom entgegen, also nach rückwärts
gerichtet. Sie heißt Rückstoß.
Oberstufe:
Kräfte treten immer paarweise auf. Sie sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet.
Fortbewegung durch Rückstoßkräfte:
Ein Mann sitzt in einem Boot und schleudert Steine nach hinten. Er muss zu dem Zweck eine
Kraft auf die Steine ausüben. Die Steine wiederum wirken mit einer gleich großen Gegenkraft
auf den Mann zurück und treiben ihn mit dem Boot nach vorn. Auf diesem Sachverhalt
beruhen die Raketen. Sie stoßen sich gewissermaßen an ihren Verbrennungsgasen ab und
können sich dadurch auch im leeren Raum beschleunigt fortbewegen. Auch bei Schusswaffen
machen sich die Rückstoßkräfte bemerkbar.
Kraftstoß = F*∆
∆t
3.6.b. Durchgeführte Versuche, Versuchsaufbauten und Kommentare
zu den Versuchen
1. Versuchsaufbau:
Der Aufbau wird gemäß Abbildung durchgeführt.
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Versuch: Der Luftballon wird aufgeblasen und mittels einem Auslassventil auf dem Wagen
befestigt. Durch die ausströmende Luft wird der Wagen in Bewegung gesetzt.
Erkenntnisse aus dem Versuch: Den Schülern soll gezeigt werden, dass sich im Moment
des Ausströmen der Luft sich der Wagen in Bewegung setzt, und zwar in die dem Luftstrom
entgegengesetzte Richtung.
Kommentare zum Versuch: Der Versuchsaufbau ist unkompliziert. Man muss darauf
achten, dass man keinen alten, schrumpeligen Luftballon verwendet. Auch sollte die
Verbindung zwischen Ausströmventil und Luftballon dicht sein. Ansonsten ist der Versuch
für die Durchführung kein Problem.
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