Autoschiebeversuch

Ein Beitrag von Nils Kern (Lehrer an der Freien Waldorfschule Freiburg St. Georgen)

Experiment zum Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung

Benötigt werden:

  • 1 Auto
  • ca. 6 Stoppuhren (zur Not erfüllen auch Smartphones mit Stoppuhrfunktion den Zweck)
  • Maßband
  • Kreide
  • mindestens 12m freie, ebene Bahn zum Auto anschieben (und abbremsen)
  • viele Schüler.

Entlang einer 8 bis 10m langen, geraden und ebenen Strecke (z.B. auf einem Parkplatz) werden mit Kreide in Abständen von 1 bis 2m Markierungen angebracht. Einer der leichtesten Schüler der Klasse setzt sich hinter das Steuer des Autos.

Man wählt aus der Klasse drei etwa gleich kräftige Schüler aus, die das Auto anschieben sollen, zunächst einer, dann zwei, dann alle drei. Wichtig dabei ist, dass mit vollem, konstantem Krafteinsatz geschoben wird, ohne nachzulassen, wenn das Auto rollt! Nur so kann eine näherungsweise konstante Beschleunigung erzielt werden.

Man vereinbart eine Stelle des Autos (z.B. die Hinterachse), die zu Beginn auf dem Nullpunkt der Strecke stehen muss. Auf ein Zeichen beginnt der Schüler das Auto anzuschieben und die Schüler an den Streckenmarkierungen starten ihre Stoppuhren. Wenn die Hinterachse an den Markierungen angelangt ist, stoppen die dort wartenden Schüler die Zeit, die das Auto bis dorthin benötigt hat.

Anschließend wird das Auto wieder an den Start zurückgerollt und das Gleiche mit zwei bzw. drei schiebenden Schülern wiederholt.

Im zweiten Teil des Versuches steigen, soweit möglich, alle bisher unbeschäftigten Schüler in das Auto ein. (Bequemlichkeit ist unwichtig - Masse zählt!). Dann wird der gleiche Versuch nochmals durchgeführt, mit ein, zwei und drei schiebenden Schülern.
Die gemessenen Zeiten werden selbstverständlich sorgfältig protokolliert. Der Automotor bleibt während des gesamten Experimentes ausgeschaltet.

Im vorangegangenen Unterricht wurde im Zusammenhang mit der gleichmäßig beschleunigten Bewegung die Formel erarbeitet. Mit dieser wird nun für jede Messung die Beschleunigung errechnet. Man wird schnell bemerken, dass innerhalb eines Versuchsteils die meisten Werte nur wenig voneinander abweichen; evtl. muss man auch „grobe Ausreißer" eliminieren, bevor man die Mittelwerte bildet. Man erhält dann eine Tabelle ähnlich der folgenden:

Wenn die Messwerte kein exaktes Ergebnis ermöglichen, ist das nicht schlimm: Man kann an dieser Stelle vortrefflich über die möglichen Fehlerquellen diskutieren - der Weg von einem Experiment zum physikalischen Gesetz benötigt immer Idealisierungen!

Nun benötigt man noch das Leergewicht des Autos (steht im Fahrzeugbrief) samt Fahrer sowie das Gesamtgewicht der transportierten Schüler (evtl. schätzen - nicht jeder Schüler möchte sich vor versammelter Mannschaft auf eine Badezimmerwaage stellen).

 

Auswertung:

Bei den Messwerten für das leere Auto stellen wir - im Rahmen der Messgenauigkeit - fest:

Verdoppelung der Kraft -> Verdoppelung der Beschleunigung

Verdreifachung der Kraft -> Verdreifachung der Beschleunigung

Das Gleiche kann (mit Einschränkungen) auch beim vollen Auto bemerkt werden.

 

Es gilt also:

Kraft ist proportional zur Beschleunigung.

Außerdem berechnen wir das Verhältnis der Masse von leerem und vollem Auto und stellen fest, dass bei gleich bleibender Kraft die Beschleunigung im gleichen Maß abnimmt wie die Masse zunimmt.

 

Es gilt also:

1. Beschleunigung                  2. Masse

____________________     =   ____________

2. Beschleunigung                  1. Masse

 

bzw.

1. Beschleunigung • 1. Masse = 2. Beschleunigung • 2. Masse

Zusammenfassend können wir also folgende Gesetzmäßigkeit formulieren:

Kraft = Masse • Beschleunigung.

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