MINT lernen

Textaufgaben: Experimente

Videoanalyse und Versuchsplanung — mit gestuften Hinweisen und Erwartungshorizont.

Zum NachschlagenZurück zur ErklärungExperimente zur Überprüfung — Versuchsaufbauten, digitales Labor und Fehlerarten nachlesen.
Fortschritt
0 / 0 Aufgaben

Zwei Sachaufgaben mit Erwartungshorizont

1

Videoanalyse eines Fadenpendels

AFB II

Eine Lerngruppe filmt ein Fadenpendel (Pendelkörper m = 0,200 kg) mit 240 Bildern pro Sekunde und wertet das Video digital aus. Aus jedem Bild werden die Höhe über der tiefsten Stelle und die Geschwindigkeit bestimmt (M1). Es gilt g = 9,81 m/s².

M1Auszug aus der Videoauswertung
Positionh in mv in m/s
Umkehrpunkt links0,1800,00
auf halbem Weg0,0901,31
tiefste Stelle0,0001,85
Umkehrpunkt rechts0,1710,00
  1. Berechnen Sie für alle vier Positionen die Lageenergie und die Bewegungsenergie sowie deren Summe.
  2. Auswerten Sie die Ergebnisse im Hinblick auf den Energieerhaltungssatz.
  3. Erklären Sie, warum der rechte Umkehrpunkt niedriger liegt als der linke.
  4. Beurteilen Sie, ob der Versuch geeignet ist, den Energieerhaltungssatz zu überprüfen.
Hinweis zu Aufgabe a)
Epot = m · g · h und Ekin = ½ · m · v². Legen Sie eine Tabelle mit drei Spalten an.Rechnen Sie auf drei Nachkommastellen — die Werte sind klein.
Hinweis zu Aufgabe b)
Vergleichen Sie die vier Summen miteinander. Sind sie gleich? Wenn nicht: Wie groß ist der Unterschied?„Auswerten“ heißt: die Einzelwerte in Beziehung setzen und eine Gesamtaussage formulieren.
Hinweis zu Aufgabe c)
Überlegen Sie, was zwischen dem linken und dem rechten Umkehrpunkt passiert ist.„Erklären“: die Ursache benennen, nicht nur den Unterschied feststellen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Denken Sie an die Genauigkeit der Videoauswertung und an die Frage, ob ein Versuch einen Satz überhaupt beweisen kann.„Beurteilen“ verlangt ein begründetes Urteil mit Nennung von Kriterien.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Umkehrpunkt links: Epot = 0,2 · 9,81 · 0,180 = 0,353 J; Ekin = 0 J; Summe 0,353 J.

Halber Weg: Epot = 0,2 · 9,81 · 0,090 = 0,177 J; Ekin = ½ · 0,2 · 1,31² = 0,172 J; Summe 0,349 J.

Tiefste Stelle: Epot = 0 J; Ekin = ½ · 0,2 · 1,85² = 0,342 J; Summe 0,342 J.

Umkehrpunkt rechts: Epot = 0,2 · 9,81 · 0,171 = 0,336 J; Ekin = 0 J; Summe 0,336 J.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die vier Summen betragen 0,353 J, 0,349 J, 0,342 J und 0,336 J. Sie sind annähernd gleich: Der gesamte Abfall beträgt 0,017 J, also rund 4,8 % des Anfangswerts.

Während die einzelnen Anteile stark schwanken (Epot fällt von 0,353 J auf 0, Ekin steigt von 0 auf 0,342 J), bleibt die Summe nahezu konstant. Genau das sagt der Energieerhaltungssatz voraus. Zusätzlich fällt auf, dass die Summe stets abnimmt und nie zunimmt — ein Hinweis auf einen systematisch wirkenden Verlust, nicht auf zufällige Streuung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Auf dem Weg vom linken zum rechten Umkehrpunkt wirkt Reibung: Luftwiderstand am Pendelkörper und Reibung in der Aufhängung. Ein Teil der mechanischen Energie wird dabei in thermische Energie umgewandelt und steht nicht mehr zur Verfügung.

Da der Pendelkörper am Umkehrpunkt still steht, ist dort die gesamte verbliebene Energie Lageenergie. Weniger Energie bedeutet folglich weniger Höhe — deshalb 0,171 m statt 0,180 m. Der Pendelkörper schwingt nie höher, als er gestartet ist.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Geeignet, mit Einschränkungen.

Dafür spricht: Der Versuch liefert zu mehreren Positionen gleichzeitig Höhe und Geschwindigkeit, sodass man den Verlauf beider Energieformen verfolgen kann — nicht nur Anfang und Ende. Die Summen stimmen auf wenige Prozent überein, und die Abweichung zeigt in die physikalisch erwartete Richtung.

Dagegen spricht: Die Videoauswertung liefert die Geschwindigkeit nur indirekt aus Ortsdifferenzen zwischen zwei Bildern; kleine Ablesefehler wirken sich in Ekin wegen des Quadrats doppelt aus. Außerdem ist die Reibung hier nicht vernachlässigbar klein, sodass der Satz nur in seiner idealisierten Form bestätigt wird.

Fazit: Der Versuch stützt den Energieerhaltungssatz überzeugend. Beweisen kann er ihn nicht — ein Experiment kann eine Aussage nur widerlegen oder mit ihr verträglich sein.

2

Einen Versuch selbst planen

AFB III

Eine Lerngruppe möchte den Energieerhaltungssatz an einer Federschleuder überprüfen: Eine gespannte Feder (D = 24 N/m) schießt einen Wagen (m = 0,300 kg) über eine waagerechte Fahrbahn; am Ende der Bahn steht eine Lichtschranke. Zur Verfügung stehen außerdem ein Maßband und eine Luftkissenfahrbahn.

  1. Beschreiben Sie, welche Größen gemessen und welche daraus berechnet werden müssen.
  2. Berechnen Sie, welche Endgeschwindigkeit bei einer Auslenkung von s = 12 cm zu erwarten ist.
  3. Erläutern Sie, warum die Gruppe die Auslenkung planmäßig verändern sollte, statt nur einmal zu messen.
  4. Beurteilen Sie, welchen Vorteil die Luftkissenfahrbahn gegenüber einer gewöhnlichen Tischplatte hat.
Hinweis zu Aufgabe a)
Gehen Sie die Kette durch: Was liefert das Maßband, was die Lichtschranke, und was rechnet man daraus?„Beschreiben“: strukturiert und fachsprachlich, am besten getrennt nach gemessen und berechnet.
Hinweis zu Aufgabe b)
Setzen Sie ESpann = Ekin an und stellen Sie nach v um. 12 cm sind 0,12 m.Zwei Schritte: erst gleichsetzen, dann umstellen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Überlegen Sie, was eine einzelne Übereinstimmung beweist und was eine ganze Messreihe zeigt.„Erläutern“: mit Beispiel oder Bezug verständlich machen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Energieform entsteht auf einer normalen Tischplatte zusätzlich?„Beurteilen“ verlangt ein Urteil mit Begründung, nicht nur eine Feststellung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Gemessen werden: die Auslenkung s der Feder (Maßband) und die Verdunkelungszeit t der Lichtschranke. Zusätzlich müssen die Masse m des Wagens, die Federkonstante D und die Breite d der Unterbrecherfahne bekannt sein.

Berechnet werden: aus s und D die Spannenergie ESpann = ½ · D · s²; aus d und t die Geschwindigkeit v = d : t; daraus Ekin = ½ · m · v². Verglichen werden dann ESpann und Ekin.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

ESpann = ½ · 24 N/m · (0,12 m)² = ½ · 24 · 0,0144 = 0,1728 J.

Bei vollständiger Umwandlung gilt Ekin = 0,1728 J, also
v = √((2 · 0,1728) : 0,300) = √1,152 ≈ 1,07 m/s.

Antwortsatz: Zu erwarten ist eine Endgeschwindigkeit von rund 1,07 m/s.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Eine einzelne Übereinstimmung könnte Zufall sein: Auch ein falscher Zusammenhang trifft an einer einzelnen Stelle einmal zu. Erst wenn man die Auslenkung planmäßig verändert — etwa 4, 6, 8, 10 und 12 cm — und die Vorhersage jedes Mal stimmt, ist der Zusammenhang belegt.

Zusätzlich lässt sich die Messreihe grafisch auswerten: Trägt man Ekin über ESpann auf, muss eine Ursprungsgerade mit der Steigung 1 entstehen. Aus einem einzelnen Punkt lässt sich keine Gerade und damit auch keine Steigung bestimmen. Eine Messreihe deckt außerdem systematische Fehler auf, weil diese mit wachsender Energie größer werden.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Auf einer gewöhnlichen Tischplatte wirkt Gleitreibung zwischen Wagen und Unterlage. Ein Teil der Spannenergie wird dadurch schon auf dem Weg zur Lichtschranke in thermische Energie umgewandelt; die gemessene Bewegungsenergie fällt systematisch zu klein aus, und zwar umso mehr, je länger der Weg ist.

Die Luftkissenfahrbahn hält den Wagen auf einem dünnen Luftpolster und verringert diese Reibung auf einen sehr kleinen Rest. Damit kommt der Versuch der Voraussetzung des Energieerhaltungssatzes — keine Reibung — deutlich näher, und die verbleibende Abweichung lässt sich eher der Messungenauigkeit als der Reibung zuschreiben.

Urteil: Für diese Fragestellung ist die Luftkissenfahrbahn klar vorzuziehen. Sie beseitigt genau den systematischen Fehler, der das Ergebnis sonst verfälschen würde — der höhere Aufwand ist dadurch gerechtfertigt.