TP Fadenpendel

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ENERGIESATZ BEIM FADENPENDEL
1) EINFÜHRUNG
In einem energetisch abgschlossenen System bleibt die Summe der mechanischen Energien
konstant, solange die mechanischen Vorgänge reibungsfrei ablaufen. Energie geht hierbei
weder verloren, noch entsteht sie neu; sie wandelt sich nur von der einen in eine andere
mechanische Energieform um.
Bei allen Versuchen bleibt die mechanische Energie nur annähernd erhalten, die Endenergie
bleibt stets etwas kleiner als die Anfangsenergie. Dies ist aber kein Widerspruch zum
Erhaltungssatz der mechanischen Energie. Denn normalerweise tritt bei mechanischen
Vorgängen eine weitere Energie auf, die durch die mechanische Energie nicht erfasst wird.
Die Körper verrichten in jedem Fall auch noch Reibungsarbeit; dadurch wird ein Teil der
mechanischen Energie in eine Energieform umgewandelt, aus der sie nicht in mechanische
Energie zurückgewandelt werden kann, sondern als innere Energie an die Körper bzw. an die
Umgebung abgegeben wird.
2) VERSUCHSAUFBAU
3) VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
 Wir bauen den Versuch nach Abbildung auf und befestigen zusätzlich am oberen Bolzen die
halbkreisförmige Winkelscheibe !
 Die Pendellänge soll etwa 70-80 cm betragen !
 Markiere die Lage des Schwerpunkts auf der Mantelfläche des Pendelkörpers !
 Richte die Lichtschranke so aus, dass für den ruhenden Pendel Schwerpunkt und Lichtstrahl
auf einer Höhe liegen !
 Bestimme die Pendellänge l, den Durchmesser d und die Masse m des Pendelkörpers !
 Lenke nun den Pendelkörper um den Winkel  aus der Ruhelage aus, gib ihn frei und lies
am Zeitmesser die Durchlaufzeit t1 beim Durchgang durch die Lichtschranke ab.
Wiederhole die Messung noch viermal  t2, t3, t4, t5 . t ergibt sich als Durchschnitt der
fünf Messwerte !
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 Aus dem Schema zum Versuch lässt sich die Höhe h in Funktion der Amplitude 
ausdrücken. Leite diese Beziehung her !
 Leite die Formel für die berechnung der Geschwindigkeit v des Pendelkörpers beim
erstmaligen Schwingen durch die Lichtschranke her !
4) ENERGIEERHALTUNG BEIM FADENPENDEL
Da der Pendelkörper vom Start in A bis zum erstmaligen Schwingen durch die Lichtschranke in
B nur eine sehr kleine Strecke durchläuft, kann der Einfluss der Reibung vernachlässigt
werden. Schreibe den Satz der Erhaltung der mechanischen Energie unter seiner allgemeinen
Form an:
............................................................. = ..................................................................
Welcher reduzierter Energiesatz ergibt sich für das System? Begründe die vorgenommenen
Vereinfachungen !
reduzierter Energiesatz :
......................... = ...........................
[1]
4.1 ERGEBNISTABELLE
l = .......... mm
h (mm)

t1 (ms)
t2 (ms)
d = .......... mm
t3 (ms)
t4 (ms)
m = ......... g
t5 (ms)
t (ms)
v (m/s)
0°
5°
10°
15°
20°
25°
30°
4.2 AUSWERTUNG
 Welches Schaubild ist zu zeichnen um den Zusammenhang zwischen der
Geschwindigkeit v und der Höhe h zu bestimmen ? Begründe !
 Zeichne das geforderte Schaubild auf Millimeterpapier !
 Welche Proportionalität [2] ergibt sich zwischen den beiden Größen? Begründe !
(Verwende die Schreibweise in der eine der beiden Größen im Quadrat erscheint)
 Schreibe die Proportionalität [2] mit Hilfe der Konstanten k an :
......... = ..........
[3]
 Welche Einheit ergibt aus Formel [3] für die Konstante k ?
Demnach hat die Konstante k die Dimension (Einheit) einer ............................... !
 In welchem Schaubild würde die Beziehung [3] eine Nullpunktgerade ergeben ?
............................................................................................................................
 Zeichne nun auch dieses Schaubild !
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 Bestimme aus dem Schaubild den Betrag der Konstanten k !
 Aus dem Betrag und der Dimension der Konstanten k lässt sich ihre physikalische
Bedeutung herleiten. Es gilt :
k
=
............
[4]
 Setze Formel [4] in Formel [3] ein. Es folgt :
......... = .................
[5]
 Wir multiplizieren Formel [5] beidseitig mit dem Faktor m/2
Endformel :
................
und erhalten die
= .................
Schreibe diese Formel mit Ausdrücken der Energie :
.................
=
.................
Was stellt diese Formel dar ?
...........................................................................................................................
5) BERICHT

Der Bericht muss folgende Teile beinhalten :
o separates Titelblatt mit Name, Vorname, Klasse, Datum des Praktikums, Titel
des Praktikums
o Versuchsziel (2-3 Sätze maximal)
o Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
o Ergebnistabelle(n)
o Auswertung wie in der Angabe vorgeschrieben (Reihenfolge nicht ändern)
o Schlussfolgerung oder Kommentar

Abgabetermin :
o spätestens am darauffolgenden Montag um 9h55 beim Lehrer (bei Feiertag,
Ferien gilt der nächste Schultag)
o bei Nichtabgabe des Berichts zum angegebenen Zeitpunkt wird der Bericht
zwar verbessert, aber es erfolgen folgende Punktabzüge :
 Abgabe noch am gleichen Tag : 25%
 Abgabe am darauffolgenden Tag : 50%
 noch später : 100%
o

bei Abwesenheit durch Krankheit verschiebt sich der Abgabetermin um die
Dauer der Abwesenheit
Fehlt ein Schüler am Tag des Praktikums, so muss er sich die Resultate bei seinem
üblichen Partner besorgen und den Bericht trotzdem schreiben. Ansonsten gelten die
obenstehenden Regeln !
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ENERGIE BEIM FEDERPENDEL
1) Einführung
Bewegt sich ein Körper im Schwerefeld um eine Strecke h vertikal nach unten, so verringert
sich dabei seine Lageenergie um den Betrag
 m g h
EPOT
Ist der Körper an einer Schraubenfeder befestigt, die er – wenn er freigegeben wird – unter
Einwirkung seiner Lageenergie um die Strecke s = h auslenkt, nimmt die Feder Spannenergie
ES auf. Bei Vernachlässigung der Reibungsverluste kann man Energieerhaltung voraussetzen,
d.h. es gilt

ES , B
EPOT , A
mit Punkt A : Position des unteren Hakens der Feder im ungedehnten Zustand
Punkt B : Position des unteren Hakens der Feder bei Maximalauslenkung
Nullpunkt der Lageenergie im Punkt B gewählt
In diesem Fall können also schreiben :
mit
ES
m
s
ES

ES , B
ES

m g  s

m g h
da
hs
Spannenergie der Feder
Masse des Körpers
Maximalauslenkung des unteren Hakens der Schraubenfeder
2) Versuchsdurchführung
2.1 Teilversuch A

Man hängt die Schraubenfeder an den an der Stativstange befestigten Bolzen mit
Haken. Zu Beginn ist die Feder unbelastet. Der obere Schieber zeigt auf das untere
Ende der Schraubenfeder.

Man hängt den Gewichtsteller (m = 10 g) in den unteren Haken der Feder ein und
hält ihn so, dass die Feder gerade noch nicht gedehnt wird.

Dann gibt man den Gewichtsteller frei und markiert mit dem unteren Schieber die
sich ergebende Maximalauslenkung s der Feder. Am Maßstab liest man dann die
Strecke s ab, die das Federende zurückgelegt hat. Meistens sind mehrere Versuche
nötig um die Maximalauslenkung genau zu bestimmen.

Man erhöht nun die Masse des Gewichtstellers um jeweils 10 g bis zu einer Gesamtmasse von 60 g.
2.2 Teilversuch B
Teilversuch B dient zur Bestimmung der Federhärte D der verwendeten Schraubenfeder
mittels des Gesetzes von Hooke. Verwende dazu die Anleitung im Ordner !
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3) Auswertung
3.1 Teilversuch A
 Fertige eine Tabelle <A> an mit folgenden Größen: m, s, ES !
 Welches Diagramm ist zu zeichnen um den Zusammenhang zwischen Spannergie und
Maximalauslenkung zu bestimmen ? Zeichne dieses Diagramm !
 Welche Proportionalität <A> ergibt sich aus dem Diagramm zwischen Spannenergie und
Maximalauslenkung ? Schreibe sie unter der Form ES = k .... !
 Welche Dimension hat die Proportionalitätskonstante k in diesem Beispiel ?
 Zeichne auch das Diagramm in dem die Proportionalität <A> eine Nullpunktgerade ergibt
(eventuell Tabelle <A> erweitern) und bestimme aus dem Graphen den Betrag der
Proportionalitätskonstanten k !
3.2 Teilversuch B
 Fertige eine Tabelle <B> an mit folgenden Größen: m, F und l !
 Stelle die Messwerte graphisch im Diagramm F = f (l ) dar !
 Bestimme aus dem Diagramm die Härte der Feder !
3.3 Schlussfolgerung
Vergleiche die Werte der Proportionalitätskonstanten k und der Federhärte D ! Welche Formel
ergibt sich für die Spannenergie ? Schlussfolgere !

Alle Lösungsschritte sind zu erklären und zu begründen !

4) Bericht
 Der Bericht umfasst :
 Versuchsziel
 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung (für beide Teilversuche)
 alle zum Verständnis notwendigen Formeln und Erklärungen
 Auswertung wie oben beschrieben
 Kommentar
 Lehne dich bei der Verfassung des Berichtes und bei der Auswertung an das Praktikum zum
Energiesatz beim Fadenpendel an !
 Abgabetermin : siehe Praktikum zum Energiesatz beim Federpendel