2 Digitale Analyse von Messwerten

Wie auch Galileo Galilei wollen wir unsere Erkenntnisse von der geneigten Ebene dafür nutzen, den freien Fall näher zu verstehen.

Deine Aufgabe in diesem Kapitel

Für die im Folgenden beschriebenen Versuchsaufbauten gibt es viele Möglichkeiten, geeignete Messdaten aufzunehmen. Erkundige dich bei deiner Lehrkraft, welche Experimentiergeräte dir zur Verfügung stehen und somit erlaubt sind. Denkbar sind Lichtschranken, ein Bewegungssensor oder eine Handy-App (z. B. Phyphox etc.).

Bei jedem der folgenden Experimente ist es deine Aufgabe, ein Versuchsprotokoll anzulegen. Falls du den Aufbau eines Protokolls nicht mehr im Kopf hast, orientiere dich an den Überschriften des vorherigen Abschnittes.
Tipp: Für die Auswertung der Versuche können Screenshots aus Berechnungen in Tabellenkalkulationsprogrammen, einer App etc. eine tolle Ergänzung sein. Vergiss nicht, regelmäßig welche anzufertigen.

WICHTIG: Falls dein Handy als Experimentiergerät zum Einsatz kommt, achte auf die Gefahrenhinweise in der Beschreibung, damit dein Handy keinen Schaden nimmt.

Und nun viel Spaß beim Experimentieren!

Experiment 1 – Rollendes Objekt

Setze den Versuch zur geneigten Ebene aus dem ersten Abschnitt mithilfe eines geeigneten rollenden Objekts um.

Vergleiche und diskutiere die Daten mit jenen aus dem ersten Abschnitt und fertige ein Messprotokoll an.
Ergänze die Versuchsreihe um mindestens einen weiteren Winkel größer als 45° und halte deine Beobachtungen fest.

Wir merken uns

Vergrößert man den Neigungswinkel der geneigten Ebene zunehmend, stellt die Verwendung von Sensoren ein geeignetes Mittel dar, Messdaten zu ermitteln, die den Bewegungsablauf gut beschreiben.

Experiment 2 – Freier Fall

Galileo Galileis Gedanke, den freien Fall zunächst mithilfe der geneigten Ebene zu untersuchen, war so einfach und dennoch genial. Ihm fehlten schlichtweg die Messgeräte, geeignete Daten aufzuzeichnen. Auch dir sollte aufgefallen sein, dass die Messmethode aus dem ersten Abschnitt für größer werdende Winkel und insbesondere für den Spezialfall (90°) keine hinreichend guten Messergebnisse liefert.

„Akustische Stoppuhren“ (z. B. kostenlos über die App „Phyphox“ verfügbar) oder Lichtschranken bieten die Möglichkeit, für die vergleichsweise schnell ablaufende Bewegung möglichst genaue Daten zu ermitteln.

Dauer eines Falles mit dem Smartphone messen

Urheber: http://phyphox.org

http://phyphox.org

Cc4

Aufgabe

Überlege dir einen Versuchsaufbau mit den dir zur Verfügung stehenden Experimentiergeräten, mithilfe dessen du Messdaten zur Erstellung eines s(t)- und v(t)-Diagramms für den freien Fall ermitteln kannst. Führe mehrere Versuchsreihen durch und bestimme die Beschleunigung, die auf den fallenden Gegenstand wirkt.

Wir merken uns

Der freie Fall stellt eine beschleunigte Bewegung mit der Beschleunigung g = 9,81 m/s² dar.

Dieser Wert stellt lediglich einen Mittelwert dar. So würde man an verschiedenen Orten auf der Erde, sogar innerhalb Deutschlands, kleine Abweichungen feststellen. In München (550 m über den Meeresspiegel) liegt der Wert bei 9,806987 m/s², wobei man in Braunschweig 9,812394 m/s²als Wert ermittelt. Für Experimente, wie du sie durchgeführt hast, spielt dies keine Rolle. Möchte man aber eine sehr präzise Messung durchführen, sind derartige Abweichungen jedoch von Bedeutung.

Zusatzexperiment – Die Fallschnur

Super, dass du noch Lust hast, ein wenig weiter zu experimentieren. Der folgende Versuch wird dir den Zusammenhang zwischen der Fallzeit und dem zurückgelegten Weg bei einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung verdeutlichen.

Materialien

Aufbau

Durchführung

Lege folgende Materialien bereit:

Langer/dünner Faden (z. B. Anglerschnur etc.),
12–16 Schraubmuttern (oder Ähnliches),
Blechdose,
Schere,
Maßband,
Klebefilm

Es werden zwei Fallschnüre zum direkten Vergleich angefertigt. Für die erste Fallschnur wird zunächst eine Schraubmutter an eines der beiden Enden geknotet. Im Anschluss folgen weitere Muttern, wobei deren Abstände im Verhältnis 1:3:5:7:... stehen. Für einen beispielhaften Abstand von 5 cm zwischen den ersten beiden Muttern würden sich folgende Abstände ergeben:

5 cm + 15 cm + 25 cm + 35 cm + 45 cm + 55 cm + ... = 180 cm + ...

Der Platz, der dir zur Verfügung steht, legt die Länge deiner Fallschnüre fest. Lässt du diese in einem Treppenhaus fallen, können sie deutlich länger sein als in einem Klassenzimmer. Die zweite Fallschnur hat dieselbe Länge und soll mit derselben Anzahl wie die erste bestückt sein, wobei hier die Schraubmuttern in gleichen Abständen angebracht werden.

Die Schnüre werden so hoch in die Luft gehalten, dass die erste Schraubmutter gerade noch die Blechdose, welche unter der Schnur positioniert wurde, berührt. Lasst nun die Schnüre nacheinander los.

Materialien

Aufbau

Durchführung

Aufgabe

Führt das Experiment durch, haltet eure Beobachtungen fest und findet eine Erklärung für diese.