Kraft und Masse – Kraft und Ausdehnung mit Sensoren – Cornelsen

Kraft und Ausdehnung mit Sensoren

Versuchsvideo © 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 F-s-Diagramm unter Verwendung eines Abstands- und Kraftsensors aufnehmen. aus dem F-s-Diagramm Rückschlüsse auf die Gültigkeit des Hooke’schen Gesetzes ziehen. Die SuS können das F-s-Diagramm einer Feder mit dem F-s-Diagramm eines Gummibands vergleichen.

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

Sichten Sie bereits vor der Stunde die zu den Sensoren passende App und informieren Sie sich insbesondere darüber, wie man die Größen auf den Achsen festlegen kann.

Testen Sie das Experiment möglichst vor der Durchführung im Unterricht. Wählen Sie möglichst identische Gummis bzw. Federn. So können Sie den Lernenden bereits vorab schon einen geeigneten Messbereich für die gemessene Kraft vorgeben. Achten Sie auch darauf, dass der Messbereich für den Abstand sinnvoll gewählt ist. Bei der zu den Sensoren im Video passenden App wurde hier ein Messbereich von mehrere Metern angegeben, der zunächst auf das Intervall [0m;0,5m] angepasst werden musste.

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Messungen mit einem nicht gespannten Gummi bzw. einer gespannten Feder ergeben teilweise wenig sinnvolle, für die Schülerinnen und Schüler nicht nachvollziehbare Messwerte. Es bietet sich daher an bereits mit einem leicht gespannten Gummi bzw. einer leicht gespannten Feder zu starten.

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.

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