EXP:Atwoodsche Fallmaschine

Mithilfe der Atwoodschen Fallmaschine soll die Einhaltung der Newtonsche Grundgleichung gezeigt werden. Die Newton’sche Grundgleichung wird dabei wie folgt formuliert:

Wenn die resultierende Kraft ${\overrightarrow{F}}_{res}$ während der Zeitspanne $\mathrm{\Delta }t$ auf einen Körper ausgeübt wird, dann beträgt die Impulsänderung $\mathrm{\Delta }\overrightarrow{p}={\overrightarrow{F}}_{res}\cdot \mathrm{\Delta }t.$

Abb.1: Aufbau einer Atwoodschen Fallmaschine.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Mithilfe dieses Experiments sollen die SuS an naturwissenschaftliches Arbeiten herangeführt werden. Dabei experimentieren die SuS selbstständig, vertiefen dabei ihr Wissen und im Plenum werden mögliche Fehlerquellen diskutiert. Zeitgleich wird den SuS hier ein Meilenstein unserer Kulturgeschichte gezeigt. Mit diesem Experiment war es im Jahr 1784 für George Atwood erstmals möglich die gleichmäßig beschleunigte Bewegung im Freien Fall genauer zu untersuchen, da hier auf eine einfach Art und Weise die Beschleunigung verringert werden konnte.

Nötige Vorkenntnisse

Damit dieses Experiment im Unterricht gewinnbringend eingesetzt werden kann muss zentral die Newton’sche Grundgleichung bereits bekannt sein, da diese hier genauer überprüft werden soll. Weitere Begriffe wie die Gewichtskraft mit $F_G=m\cdot g$, die Impulsänderung $\mathrm{\Delta }\overrightarrow{p}$ und die resultierende Kraft ${\overrightarrow{F}}_{res}$ sollten an der Stelle bekannt sein. Das Konzept der Kräfteaddition muss außerdem bekannt sein. Die Grundlegenden Begriffe wie Strecke oder Zeitspanne müssen vorausgesetzt werden. Um dieses Experiment im vollen Umfang zu verstehe muss den SuS das Prinzip einer festen Rolle als Umlenkrolle klar sein. Aus der Mathematik müssen die SuS an dieser Stelle das Umstellen von Gleichungen und den Umgang mit Brüchen beherrschen. Auch das muss möglicherweise zuvor nochmal wiederholt werden.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

• Die SuS sind vermutlich noch nicht geübt im Umgang mit Stativmaterial. Für das Auf- und Abbauen muss daher genügend Zeit eingeplant werden.
• Genau so verhält es sich beim Umgang mit einer Stoppuhr. Auch ihre Verwendung sollte noch einmal erklärt werden.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Die meisten SuS vereinen Kraft, Energie, Wucht und Schwung unter dem gemeinsamen Konzept der Kraft. Das Verständnis der Kraft der SuS überlappt dabei am ehesten mit der kinetischen Energie. Mit der Gleichung $F=m\cdot a$ physikalische Größen zu berechnen können die SuS dennoch. Auch wenn ihnen nicht klar ist, dass sich die physikalische Kraft und die Kraft aus der Alltagssprache grundlegend unterscheiden. Da in diesem Experiment die Kraft als Ursache einer Impulsänderung in Erscheinung tritt könnte dieses Experiment zu einer Klärung oder einer Festigung dieser Vorstellung beitragen.

Da in diesem Experiment das Prinzip der resultierenden Kraft benötigt wird kommt an dieser Stelle noch die Schülervorstellung Die stärkste Kraft gewinnt. in Spiel. Dabei gehen die SuS davon aus, dass immer die stärkste Kraft darüber entscheidet welcher Bewegung gefolgt wird und dass eine Kraft über einen Zeitraum aufgebraucht werden kann. Das Prinzip der resultierenden Kraft muss demnach zuvor eingehend wiederholt werden und muss in der Auswertung besprochen werden.

Für die Abschlussbesprechung kann ebenfalls relevant sein, dass SuS davon ausgehen, dass die Trägheit von Körpern überwunden werden kann. Sie wird von den SuS als Etwas angesehen, dass nur beim Start aus einer ruhenden Position heraus auftritt und nicht mehr bei schon einer bestehenden gleichmäßigen Bewegung. Die Trägheit wird damit dem ¨Ubergang von Haft- in Gleitreibung gleichgesetzt. Um dieses Diskussion und die Verwechslung mit dem Alltagsbegriff der Trägheit zu vermeiden kann schon im vorausgegangenen Unterricht stattdessen der Begriff Beharrungsprinzip eingeführt werden.

Allgemein

Klassenstufe	Klasse 9/10
Kategorie	Mechanik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Mechanik: Dynamik, Punkt 3.3.5.2 (2)

Klassifikation

Quantitativ/Qualitativ	Quantitativ
Demo-/Schülerexperiment	Beides möglich
Unterrichtsphase	Übungsphase
Einzelversuch/Versuchsreihe	Einzelversuch

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• 1 Stativstange, 1 m
• Tischklemme für Stativstangen
• 1 Doppelmuffe
• Muffe mit Haken
• Meterstab
• Umlenkrolle
• Schnur (inelastisch, ca. 1 m)
• verschiedene Massestücke
• 1 Stoppuhr

Versuchsaufbau

Zu Beginn wird eine Tischklemme am Tisch befestigt. In diese wird das untere Ende einer Stativstange eingeklemmt. Als nächstes wird eine Muffe mit Haken am oberen Teil der Stange angebracht. An diesen Haken wird die Umlenkrolle gehängt. Im nächsten Schritt wird ein Lineal zur Hand genommen, an dem man eine Linealhalterung befestigt. Dann wird eine Doppelmuffe an der Stativstange unterhalb der Muffe mit Haken angebracht. An dieser Doppelmuffe wird das Lineal mit Linealhalterung festgeschraubt. Hierbei sollte das Lineal den späteren Versuchsablauf nicht behindert. Es ist empfehlenswert das Lineal so wie auf den Fotos anzubringen. Als letztes wird eine Schnur benötigt, an deren beiden Enden jeweils eine Schlaufe gemacht wird. Diese hält man am besten in der Mitte fest, um an beiden Schlaufen jeweils ein 500 g Massestück einzuhängen. Danach wird die Schnur um die Umlenkrolle gelegt.

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Als erstes wird zusätzlich zu den bereits befestigten 500 g ein 20 g Massestück an einer der beiden Seiten angebracht. Danach sollte man diese Massestücke an den Anfang des Lineals bewegen. Sobald man die Massen loslässt, wird mit einer Stoppuhr die Fallzeit gemessen, die die Massestücke benötigen um von der 0 cm zur 50 cm Markierung zukommen. Idealerweise sollte dieses Schülerexperiment in zweier Teams durchgeführt werden. Somit kann einer der beiden SuS horizontal auf das Lineal schauen um möglichst exakt die Fallstrecke abzulesen. Der\die Partner\-in kann dann gleichzeitig die Zeitmessung starten bzw. beenden. Dieses Vorgehen wird danach für 30 g, 40 g und 50 g schwere Massestücke jeweils dreimal wiederholt.

Auswertung

Während der Durchführung des Schülerexperiments sollten die SuS ihre gemessenen Werte in einer Tabelle festhalten, wie z.B. in Tabelle 1.

Tabelle 1: Messwerte eines beispielhaften Demonstrationsexperiments

$m_1$ (kg)	$m_2$ (kg)	$\mathrm{\Delta }s$ (m)	$\mathrm{\Delta }{t}_1$ (s)	$\mathrm{\Delta }{t}_2$ (s)	$\mathrm{\Delta }{t}_3$ (s)	$\mathrm{\Delta }\bar{t}$ (s)
0,5	0,52	0,5	5,51	5,62	5,54	5,56
0,5	0,53	0,5	2,98	2,82	2,93	2,91
0,5	0,54	0,5	2,04	2,19	2,16	2,13
0,5	0,55	0,5	2,03	2,07	1,98	2,03

Hierbei wird die angehängte Masse von 500 g auf beiden Seiten der Schnur mit $m_1$ bezeichnet. Mit $m_2$ wird die Masse $m_1$ plus die zusätzlich angehängte Masse benannt. Außerdem steht $\mathrm{\Delta }s$ für die gefallene Strecke und $\mathrm{\Delta }\bar{t}$ für die gemessene Fallzeit, wobei dieser Wert der berechnete Mittelwert aus den drei durchgeführten Messungen ist. Der Mittelwert wird mit

$\mathrm{\Delta }\bar{t}=\frac{\mathrm{\Delta }{t}_1+\mathrm{\Delta }{t}_2+\mathrm{\Delta }{t}_3}{3}$

berechnet. Danach wird aus den Messwerten die Beschleunigung der fallenden Massestücke auf zwei verschiedene Weisen berechnet. Zunächst wird dafür die Formel für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung

$\mathrm{\Delta }s=\frac{1}{2}\cdot a_1\cdot (\mathrm{\Delta }\bar{t}{)}^2$

verwendet.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

• Wichtig ist hierbei, dass wenn man dieses Experiment als Schülerversuch durchführen möchte, dann sollte man anstatt den hier verwendeten 500 g lieber maximal 200 g Massestücke verwenden. Für einen Demonstrationsversuch sind 500 g jedoch auch erlaubt.

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0