Stun­den 2-5

Hin­füh­rung und Be­stä­ti­gung der NBG

Kraft und Zu­satz­ge­schwin­dig­keit

Hier wird pro­pä­deu­tisch ent­wi­ckelt, wel­che Fak­to­ren das Maß der Zu­satz­ge­schwin­dig­keit be­ein­flus­sen. An­hand des Ar­beits­blatts Kraft und Ge­schwin­dig­keits­än­de­rung wer­den mit den ent­spre­chen­den Ver­su­chen erste je-desto-For­mu­lie­run­gen für das Maß der Zu­satz­ge­schwin­dig­keit Δv im Zu­sam­men­hang mit der Kraft F, der Ein­wirk­dau­er Δt und der Masse m des Kör­pers her­aus­ge­stellt. Hier wer­den nun be­wusst an­de­re For­men der Ein­wir­kung ge­wählt.

Schü­ler sol­len nun gemäß der durch­ge­führ­ten Ex­pe­ri­men­te, die Bah­nen der Ku­geln, bzw. der Bälle ein­tra­gen. Falls kein Ex­pe­ri­men­tier­ma­te­ri­al vor­liegt, ste­hen auch kurze Filme zu den Ver­su­chen be­reit.

Das Hin­ter­ein­an­der­hal­ten von zwei Haar­trock­nern wird ver­mut­lich nicht so­fort als ein Ver­grö­ßern der Ein­wirk­dau­er in­ter­pre­tiert, son­dern viel­leicht als ein Er­hö­hen der Kraft. Um die Ku­gel­bah­nen bes­ser sehen zu kön­nen, bie­tet sich auch der Ein­satz einer Ka­me­ra an.

Eine Li­nea­ri­sie­rung zur pro­pä­deu­ti­schen Be­trach­tung wäre auch denk­bar. Man könn­te hier an das Ex­pe­ri­men­tie­ren mit Fe­der­kraft­mes­ser und Ex­pe­ri­men­tier­wa­gen den­ken. Um die An­ti­pro­por­tio­na­li­tät zwi­schen Δv und m zu sehen, könn­ten zwei Kraft­mes­ser ge­kop­pelt wer­den und Ex­pe­ri­men­tier­wa­gen un­ter­schied­li­cher Masse an­ge­hängt wer­den.

Fahr­bahn­ver­such

Das Ex­pe­ri­ment wird le­dig­lich mit Ver­dop­peln der ein­wir­ken­den Kraft bei glei­cher Masse und Ver­dop­peln der Masse bei glei­cher Kraft durch­ge­führt.

Für die Aus­wer­tung des Fahr­bahn­ver­suchs ist ei­gens ein Ar­beits­blatt vor­ge­se­hen. Hier müs­sen die SuS ent­de­cken, dass die t-v-Dia­gram­me für Δt = const. ver­ti­kal ge­le­sen wer­den kön­nen. Dann ist die Pro­por­tio­na­li­tät zwi­schen F und Δv, bzw. die An­ti­pro­por­tio­na­li­tät zwi­schen Δv und m ein­fach her­aus­zu­le­sen.

Eine schö­ne kon­text­be­zo­ge­ne Va­ri­an­te des Fahr­bahn­ver­suchs be­steht darin, mit Luft­kis­sen­bäl­len der Firma Pearl zu ex­pe­ri­men­tie­ren. Die Luft­kis­sen­bäl­le kön­nen mit­hil­fe eines sich auf­rol­len­den Maß­ban­des be­schleu­nigt wer­den. Die Be­we­gung wird dann mit einem US-Sen­sor auf­ge­nom­men und aus­ge­wer­tet.

Aus­wer­tung, Auf­stel­len der New­ton­schen Be­we­gungs­glei­chung (NBG) und erste Fol­ge­run­gen

Die be­stä­tig­ten Pro­por­tio­na­li­tä­ten füh­ren zu­nächst zu fol­gen­der Be­zie­hung:

Δv = c·F·Δt·m ^-1

Das Ein­set­zen von Grö­ßen­wer­ten zeigt, dass die Kon­stan­te c gleich 1 ge­setzt wer­den kann. Die etwas um­ständ­li­che aus­se­hen­de For­mel Δv = c·F·Δt·m ^-1 lässt sich nun durch Um­sor­tie­ren hand­li­cher ma­chen: m·Δv = c·F·Δt. Die SuS sehen ein Um­sor­tie­ren der Glei­chung un­mit­tel­bar ein, nach­dem das Pro­dukt aus Masse und Ge­schwin­dig­keit schon als Im­puls be­kannt ist. Des Wei­te­ren wird der Schritt von der be­ob­acht­ba­ren Größe Δv hin zur kör­per­ei­ge­nen Größe Δp ge­macht. Die SuS er­ler­nen hier auch eine neue Ein­heit für den Im­puls: 1 Ns. Die NBG wird auch in Vek­tor­schreib­wei­se fest­ge­hal­ten: m·Δ v = c· F ·Δt.

Ein Ta­fel­bild hier­zu könn­te wie folgt aus­se­hen:

Tafel I:

Tafel II:

 

Wei­ter mit Stun­de 6