Physik-Versuche

Der Energieerhaltungssatz kann wie folgt relativ gut veranschaulicht werden. Zunächst wird ein Video zum Beispiel von einem Trampolinspringer gezeigt (zum downloaden auf der Linkebene); dabei auftretende Energieumwandlungen besprechen; gefärbte Flüssigkeit als Energie; 3 Schüler stehen vorne und haben jeweils ein Becherglas in der Hand (1x Spannenergie; 1x Höhenenergie; 1x Bewegungsenergie) und auf dem Tisch vor ihnen eine Wanne; Video so stoppen, dass der Springer sich auf maximaler Höhe befindet; komplette Flüssigkeit in den Becher mit der Aufschrift “Höhenenergie”; dann Video starten und erneut anhalten; Schüler müssen die Flüssigkeit entsprechend umschütten; usw. …; komplette Flüssigkeit in die Wanne; Energie kann nicht mehr genutzt werden, aber geht nicht verloren; wird während dem Vorgang von außen nochmal Flüssigkeit dazugegeben in einen Becher, so kann der Begriff “Arbeit” thematisiert werden.

Material:

-          Batterie (z.B. Babyzelle)

-          Spannungsmessgerät

-          Strommessgerät

-          Schiebewiderstand oder einige Festwiderstände im Bereich < 10 Ω

-          Steckbrett bzw. Verkabelung

U₀:       Spannung der idealen Batterie ohne Innenwiderstand

R_i:       Innenwiderstand                  

R_a:       Außenwiderstand

U_K:      Klemmenspannung

Reihenschaltung

U₀ = U_i + U_K  →  U_K = U₀ – U_i

und

R = U/I    →     U_i = R_i * I

U_K  = U₀ – I * R_i

U_K (I) = – R_i * I  +  U₀

Auftragen einer I – U_K – Linie liefert den Innenwiderstand R_i als Steigung dieser linearen Funktion.

Widerstände R_a  > 20 Ω sind bei einer Babyzelle nicht sinnvoll, weil sich in diesem Bereich U_k kaum ändert.

Beispielmessreihe mit einer Babyzelle:

Schüler mit Kopf gegen Wand stellen/setzten, Pendel bis vor die Nase halten und lsoschwingen lassen -> wenn Pendel bis kurz vor die Nase zurückschwingt, fühlt man sich wohl .

Pendel aus Schülersicht

Mithilfe dieses Versuchs kann der Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie E_kin und der Geschwindigkeit v hergeleitet werden. Am Faden eines Pendels befindet sich ein zylinderförmiger Körper. Dessen Geschwindigkeit im tiefsten Punkt wird dadurch bestimmt, indem mit einer Lichtschranke die entsprechende Verdunklungszeit gemessen wird. Aus dieser Zeit t und dem Durchmesser d des Zylinders wird die Geschwindigkeit v berechnen (“nur” mittlere Geschwindigkeit). Mithilfe eines Lineals wird das Pendel nun unterschiedlich stark ausgelenkt und eine Wertetabelle mit der entsprechenden Höhe h und der Verdunklungszeit t aufgenommen. Diese Tabelle zeigt, dass eine Vervierfachung der Höhe zu einer Verdopplung der Geschwindigkeit führt. Der Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie und der Geschwindigkeit ist somit nicht linear, sondern: E_kin ~ v².

Die Abhängigkeit von E_kin von m kann gezeigt werden, indem am Pendel ein Körper mit gleichem Durchmesser und unterschiedlicher Masse befestigt wird. Werden die beiden Körper gleich weit ausgelenkt, so wird trotz unterschiedlicher Masse dieselbe Geschwindigkeit bestimmt.

Tipp:

Das Handling für die Durchführung des Versuchs wird deutlich vereinfacht, indem man die Auslenkhöhe nicht mithilfe eines Lineals sondern mit Büchern festgelegt (siehe Abbildungen). 4 Bücher, also vierfache Höhe, führen zu einer verdopplung der Geschwindigkeit.