Physik – Mechanik – Kraft und Ausdehnung mit Sensoren

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Physik – Mechanik – Kraft und Ausdehnung mit Sensoren

Kraft und Ausdehnung mit Sensoren

Versuchsvideo (ohne Ton), © Alexander Küpper

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema Hooke’sche Gesetz
Klassenstufen 7 bis 8
Wer experimentiert? Schülerinnen und Schüler im Unterricht in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziele und Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler können:
  • das s-F-Diagramm unter Verwendung eines Abstands- und Kraftsensors aufnehmen.
  • aus dem s-F-Diagramm Rückschlüsse auf die Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzes ziehen.

Vorausgesetzte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler kennen bereits den Kraftbegriff und das Hooke’sche Gesetz.

Materialliste

je Versuchsgruppe:

  • Gummiband
  • Schraubenfeder
  • Abstandssensor
  • Kraftsensor
  • Wagen
  • Stativmaterial
  • Schirm auf Stativstange

Auf dem Tablet muss eine geeignete App für die Sensoren installiert sein.

Hinweise zur Vorbereitung

Text

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Der Versuch kann sowohl als Schüler- als auch als Demonstrationsexperiment durchgeführt werden.

Hinweise zur Auswertung

Der im Video verwendete Abstandssensor von Vernier liefert erst ab einem bestimmten Mindestabstand zuverlässige Messwerte. Liegt ein Objekt näher am Sensor, sind die Messungen ungenau oder nicht verwertbar. Deshalb beginnen die Messwerte im Diagramm erst bei einem Abstand von etwa 24 cm.

Trotz dieser Einschränkung lässt sich bei der Schraubenfeder, anders als beim Gummiband, ein linearer Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kraft im Diagramm deutlich erkennen. Das bedeutet: Wird die Kraft verdoppelt, verdoppelt sich auch die Ausdehnung der Feder. Dieses Verhalten entspricht dem Hooke’schen Gesetz und ist typisch für elastische Federn im linearen Bereich.

Außerdem zeigt das Diagramm, dass die Messwerte der Schraubenfeder beim Dehnen und beim Entspannen übereinstimmen. Der Weg, auf dem die Feder belastet wird, spielt also keine Rolle – die Feder verhält sich reversibel.

Beim Gummiband ist das anders: Hier verlaufen die Messkurven für das Dehnen und das Entspannen nicht deckungsgleich. Dieses Verhalten nennt man Hysterese. Es zeigt, dass beim Verformen des Gummibands ein Teil der Energie verloren geht, zum Beispiel durch innere Reibung im Material. Deshalb kehrt das Gummiband beim Entspannen nicht exakt entlang desselben Weges zurück wie beim Dehnen.

Downloads

Messdaten

 

Autor: Dr. Alexander Küpper