EXP:Flugbahn beim Verlassen einer Kreisbewegung & Haftreibungskoeffizient
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
Bewegt sich ein Objekt im Kreis, dann prägt sich diese Bewegungsform dem Objekt ein. Sie klingt erst allmählich aus, wenn der Kreis verlassen wird.[1]
Dieser verbreiteten Schülervorstellung wollen wir mit diesem Experiment entgegen wirken und zeigen, was tatsächlich mit einem Objekt geschieht, dass die Kreisbahn verlässt.
Theoretische Zusammenfassung
Damit ein Objekt auf einer rotierenden Kreisscheibe (in der x-y-Ebene) liegen bleibt muss eine Zentripetalkraft auf diesen Körper wirken. Als wirkende Zentripetalkraft wird hier die Haftreibungskraft des Objekts auf die Kreisscheibe betrachtet. Der Haftreibungskoeffizient hängt dabei von den Materialien des Objekts und der Kreisscheibe und der Beschaffenheiten der beiden Grenzflächen ab. Wenn das Objekt die Kreisscheibe verlässt reicht die Haftreibungskraft als Zentripetalkraft nicht mehr aus um das Objekt auf der Kreisscheibe zu halten. Der Haftreibungskoeffizient kann dann aus dem Vergleich der beiden Formeln zum Zeitpunkt der größtmöglichen Haftreibungskraft kurz vor dem Abflug des Objekts von der Kreisscheibe bestimmt werden. Dazu muss die Rotationsgeschwindigkeit der Kreisscheibe zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden. Es folgt dann:
- .
Dabei ist die Normalkraft des Objekts auf die Oberfläche der Kreisscheibe. Zum Zeitpunkt des Abflugs des Objekts von der rotierenden Kreisscheibe greift nur noch die Gewichtskraft an dem Objekt an. In Flugrichtung oder senkrecht dazu und parallel zur Kreisscheibe greift keine Kraft mehr am Objekt an. Nach dem 1. Newtonschen Gesetz (Beharrungsprinzip) verbleibt der Körper in der x- und y-Richtung also in einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung. Da in z-Richtung die Gewichtskraft auf das Objekt wirkt wird das Objekt in dieser Richtung immer schneller. Zusammen mit der gleichförmigen geradlinigen Bewegung in der x-y-Ebene legt das Objekt Richtung Boden eine parabelförmige Flugbahn zurück:
Klassenstufe | Klasse 9/10 |
---|---|
Kategorie | Mechanik:Dynamik |
Einordnung in den Bildungsplan von BW | Kapitel, Abschnitt 3.3.5.2 (5) |
Quantitativ/Qualitativ | Qualitativ (Quantitativ möglich) |
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Demo-/Schülerexperiment | Beides möglich |
Unterrichtsphase | Vertiefungsphase |
Einzelversuch/Versuchsreihe | Einzelversuch |
Didaktischer Rahmen
Fachdidaktische Zielsetzung
Anhand dieses Experiments sollen die SuS zunächst ihre eigenen Hypothesen zu physikalischen Fragestellungen formulieren und dann das Experiment zielgerichtet beobachten und ihre Beobachtungen beschreiben. In der Nachbesprechung sollen die SuS dann Hypothesen anhand der Ergebnisse von Experimenten beurteilen können.
Nötige Vorkenntnisse
Dieses Thema ist der letzte Abschnitt der Newtonschen Mechanik in den Klassen 9/10. Die SuS sollten bis dahin also die Begriffe Kraft
und Impuls
verinnerlicht haben. Es muss hier unbedingt bekannt sein, dass sowohl der Impuls als auch die Kraft jeweils einen Betrag und eine Richtung haben. Zudem muss klar sein, dass die Kraft als Änderung des Impulses definiert werden kann mit . Zusätzlich wurde das Kräftegleichgewicht
und die Kräfteaddition
besprochen. Direkt vor diesem Experiment wurde nun besprochen, dass eine Zentripetalkraft
nötig ist um einen Körper auf einer Kreisbahn zu halten.
Mögliche Schülerschwierigkeiten
- Aus der seitlichen Perspektive der Schülerinnen und Schüler auf das Experiments ist die parabelförmige Flugbahn des Objekts nach dem Verlassen der Kreisbahn zu erkennen. Es bietet sich daher an mit den SuS diese unterschiedliche Sichtweise ausführlich zu besprechen. Um das Ergebnis des Demonstrationsexperiments deutlich zeigen zu können bietet es sich an eine Kamera (Dokumentenkamera) senkrecht über dem Experiment zu platzieren und das Bild über einen Beamer an eine Wand zu übertragen. So ist das Ergebnis deutlich für alle SuS zu erkennen.
Schülervorstellungen, die hier relevant werden
Versuchsanleitung
Benötigtes Material
Alle nötigen Versuchsmaterialien befinden sich im Schülerlabor.
- Drehachse mit Wellrad und Ringmutter
- Elektromotor mit Antriebsrad und Stromkabel
- Zahnriemen
- Labornetzgerät mit Netzkabel
- Flugobjekt (Knetmasse / 20-Cent-Münze)
- Lochrasterplatte
Versuchsaufbau
Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.
- Schritt 1
- BlaBla.
- Schritt 2
- Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.
Versuchsdurchführung
Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?
Auswertung
Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>
-Tag initiiert:
Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref>
auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.[3]
Fehlerabschätzung
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.
Sicherheitshinweise
Verletzungsgefahr durch einen umkippenden Versuchsaufbau und umherfliegende Objekte. Es kann leider nicht vorhergesagt werden in welche Richtung das Objekt fliegen wird.
Fotos
Literatur
- ↑ Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit, Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH, S. 69.
- ↑ Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH, S. 69.
- ↑ Website Abteilung Physik und ihre Didaktik Abgerufen am 31.08.2021