Fallbeschleunigung

Lernziele

  • Mit Ihrem Smartphone können Sie zu Hause die Fallbeschleunigung auf zwei Arten bestimmen.

  • Sie lernen dabei, wie Sie mit allfälligen, experimentelle Schwierigkeiten umgehen können.

Benötigte App: Phyphox

Für die Durchführung der Experimente brauchen Sie ein Smartphone. Installieren Sie die frei verfügbare App «Phyphox»:

Messung der Fallbeschleunigung durch einen freien Fall

Dafür wird nebst Ihrem Smartphone zusätzliches Material benötigt:

  • ein frei fallender Gegenstand (Murmel, Stahlkugel, kleiner Stein, etc.)

  • ein Messband (für die Bestimmung der Fallhöhe h)

  • einen Massstab und einen Stift für den Auslösemechanismus

Idee

Wird ein Körper aus der Ruhe fallen gelassen und ist er hinreichend schwer und klein, so dass man den Luftwiderstand vernachlässigen kann, fällt er mit der Beschleunigung g zu Boden. Für die Fallbeschleunigung gilt:

Dabei ist t die Fallzeit. Mit der Messung von h und t beim freien Fall kann man also g bestimmen. Wählen Sie unterschiedlich hohe, horizontale Flächen (Stuhl, Tisch, Pult, Fenstersims, Kleiderschrank, etc.), legen Sie den Massstab darauf und bestimmen Sie die Fallhöhe (Abstand von der Oberkante des Massstabes bis zum Boden). Anschliessend legen Sie den Fallgegenstand auf den Massstab und lösen das Experiment mit einem Schlag gegen das Lineal aus.

Die Fallzeit lässt sich mit der akustischen Stoppuhr mit «Phyphox» messen. Das Prinzip sehen Sie in der abgebildeten Animation. Beim Schlagen mit dem Stift gegen den Massstab ertönt ein Knall, der die Stoppuhr startet. Sobald die Kugel unten auftrifft, knallt es erneut und die Stoppuhr stoppt. Sehen Sie sich dazu auch das offizielle Video an. Sie finden darin den experimentellen Aufbau sowie die Messung schön dargestellt. Sie brauchen nur das erste, einfache Experiment nachzubauen.

Wer Lust und Freude hat, darf das Experiment, wie im Video gezeigt wird, natürlich auch mit dem Luftballon durchführen.

Aufgabe

Für mindestens 3 unterschiedliche Fallhöhen bestimmen Sie auf die oben beschriebene Art und Weise mehrmals die Fallzeit und berechnen daraus die Fallbeschleunigung. Protokollieren Sie Ihren Aufbau (Sie dürfen auch Bilder machen) und zeigen Sie exakt, von wo bis wo Sie die Fallhöhe gemessen haben. Tabellarisch halten Sie Ihre Ergebnisse fest. In einer abschliessenden Diskussion können Sie auf allfällige Messfehler eingehen.

Messung der Fallbeschleunigung mittels Fadenpendel

Nebst Ihrem Smartphone brauchen Sie jetzt noch Schnur und eine Rolle WC-Papier.

Idee

Im Unterricht wurde die Pendelbewegung nur kurz bei der Einführung in die Energieerhaltung gezeigt. Wie wir später noch sehen werden hängt die Schwingungsdauer eines idealen Fadenpendels nur von der Fadenlänge l und der Fallbeschleunigung g ab:

Um die Fallbeschleunigung zu bestimmen müssen Sie also die Schwingungsdauer eines Fadenpendels bestimmen. Wenn Sie Ihr eigenes Smartphone schwingen lassen, kann Ihnen «Physphox» dabei helfen, diese Schwingungsdauer zu messen. Damit Ihr Handy sich bei der Schwingung nicht um die Längsachse dreht, können Sie mit der WC-Papierrolle eine einfache Konstruktion aufbauen. Im anhängten Ausschnitt aus dem offiziellen Video sehen Sie, wie das geht:

Befestigen Sie die Ihr «Handy-Fadenpendel» beispielsweise an eine Wäscheleine und bestimmen Sie die Länge des Pendels (Drehpunkt bis Mitte des Smartphones). Diese Länge können Sie in der App im Experiment «Fadenpendel» im Reiter «G» eintragen. Standardmässig ist dort eine Länge von 50 cm vorgegeben.

Anschliessend wählen Sie im ⋮ - Menü den Punkt «Zeitautomatik». Die 3 Sekunden Vorlaufzeit geben Ihnen Zeit, das Experiment zu starten, das Pendel auszulenken und noch vor der Messung loszulassen. Den Wert können Sie natürlich anpassen.

Aufgabe

Bestimmen Sie mit dem «Handy-Fadenpendel» den Ortsfaktor für zwei unterschiedliche Pendellängen. Auch hier erwarte ich von Ihnen eine Skizze (oder Bild) des experimentellen Aufbaus und tabellarisch Ihre Ergebnisse. Welche der Methoden (freier Fall oder Fadenpendel) hat die besseren Ergebnisse geliefert? Können Sie sich die Unterschiede erklären?

Geben Sie Ihre Protokolle bis Freitag 8. Mai, 12.00 Uhr ab. Sie haben also 2 Wochen Zeit dafür. Ich erwarte dieses Mal von allen ein Protokoll.

Ausblick

Beim nächsten Heimpraktikum arbeiten Sie zu zweit (virtuell oder falls Sie sich eh schon getroffen haben auch reell). Ich werde Ihnen zudem Material zukommen lassen. Die Gruppenbildung finden Sie auf der Startseite des Praktikums.