Seminar Fachdidaktik Physik

E. Kneringer25. 10. 2005

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Übersicht Organisatorisches

Lehrplan Physik AHS (s. home page) Termine für die Vorträge Einzelne Vorträge in einer Schule? Aktionstage Junge Uni

Galton-Brett, chaotisches Pendel, Belusov-Zhabotinsky Reaktion

Hauptteil: Beispiele Kran

Kräftegleichgewicht, Hebelgesetz Pendelkette

Impulserhaltung Elastischer Ball

Bewegungsgleichung

Moderierter Dialog

Bezug zum Alltag

Modellbildung

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1. Kran

Diskussion der Funktionsweise Gleichgewicht

Modell

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Liebherr - Kran

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Heben: der Mensch als Kran

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Hebelgesetz Ein Hebel ist einer der wichtigsten Kraftwandler. Er

dient, wie alle mechanischen Maschinen dazu Arbeit zu erleichtern, nicht zu sparen. Denn die zu leistende Arbeit bleibt nach der Formel: Arbeit = Kraft * Weg

Das heißt, eingesparte Kraft geht auf Kosten des Weges und die Arbeit wird keineswegs weniger.

Wählt man den Lastarm entsprechend kurz gegenüber dem Kraftarm, so ist man mit einem Hebel in der Lage, große Lasten mittels einer vergleichsweise geringen Kraft zu bewegen.

Anwendungen des Hebelprinzips: Zange, Brechstange, Nussknacker, Schraubenschlüssel,

Locher, Türklinke

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Hebelgesetz und KranInteraktiv:

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Wir bauen einen Kran

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2. Pendelkette Versuch vorzeigen

Fragen stellen (vorher) 2 Bälle, 3 Bälle Ball links und rechts auslenken Erster Ball doppelt so schwer

– Nur ein Ball fliegt weg?– Zwei Bälle fliegen weg?

Erster und letzter Ball schwerer Experimentell überprüfen

WWW

Experimentelle Überprüfung: Flansburg und Hudnut [1979] haben im Experiment (und mittels mathematischer Modellierung) gefunden,dass der erste Ball sich ein wenig rückwärts bewegt. Die typischen Endgeschwindigkeiten der drei Bälle sind -0.12, +0.15 and +0.98 für reibungsfreigleitende Massen auf einer Luftkissenschiene und -0.06, +0.09 and +0.97 für Stahlkugeln (im Vergleich zum "idealen" Ergebnis von 0, 0, and 1).

link (mit sound)

Gibt‘s zu kaufen

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Wozu kann dieses Experiment dienen? Beispiel für Impulserhaltung Ausschliessung von Möglickeiten durch

Verlangen von Energieerhaltung Oberflächlich betrachtet scheint dieses

Experiment einfach zu erklären zu sein Bei genauerem Hinsehen wird es recht schwierig

Wenn man sich z.B. überlegt, was bei den Stössen genau passiert

link

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3. Elastischer Ball Was passiert, wenn ein Ball auf den Boden fällt?

Warum erreicht er nicht mehr die ursprüngliche Höhe? Wo geht Energie verloren? Wo tritt Reibung auf?

Luftreibung? Am Boden?

Find mit Hilfe eines Experimentes die Erklärung.

Videos

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Elastischer Ball mit LuftreibungDie Simulation

Modell :Gravitationsfeld,elastischer Stoss mit dem Boden,Reibung |v|

x-y Bewegungist gekoppelt

Bälle können nicht rotieren!

F = –b|v| F = –bv2

Ausprobieren: Reibung v2

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Luftreibung (viskose Strömungen)

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit eine gewisse Grenzeüberschreitet, dann geht die laminare in eine turbulente Strömung über.Diese kritische Geschwindigkeit hängt von der Dichte und der Viskosität der Flüssigkeit sowie vom Radius r der Röhre ab. Eine wichtige Kennzahlzur Charakterisierung von Flüssigkeitsströmungen ist die Reynolds-Zahl Re,die durch Re = 2rv/ definiert ist, wobei v die mittlere Stömungsgeschw.der Flüssigkeit ist.

typischer Radfahrer:

vrF 6

221 vAcF w

vF 4103.1 23.0 vF

laminar

turbulent

entgegengesetzt

rotierende Wirbel

alternierende Wirbelablösung

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Neues Thema: Luftwiderstand

Beim Radfahren, beim Fussball schiessen Heuristisches Modell Auftrieb Effet Typen von Strömungen

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Die Mathematik dahinter Newton'sche Bewegungsgleichung:

vbF

mgbvFymbvFxm

yy

xx

2vbF

vvbF

???

!!!

mgyyxbFym

xyxbFxm

y

x

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Diese Differentialgleichungen sind gekoppelt.

Code im Physlet:document.Animator.setForce(ball,"–vx*(vx^2+vy^2)^(1/2)*"+b, –vy*(vx^2+vy^2)^(1/2)*"+b+"–9.8", –15,5,v0x,v0y);

Diese Differentialgleichungen sind nicht gekoppelt.

b ist hier eine Variable und strings werden mit dem "+" Zeichen zusammengefügt

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Geschwindigkeit

Modell (Simulation)x, aber auch t

Das reale Experiment

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Die Geschwindigkeit |Betrag|Der Geschwindigkeitsprung am Boden zeigt,dass das Modell (mit Luftreibung) falsch ist!

Formel = ?und daraus g(vgl. Luftkissenschiene)

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Ausreisser

Ausreisser treten auf, da beider Reflektion am Boden grosse Beschleunigungen auftreten.

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Beschleunigung: g

2% Fehler

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Parabelfits

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Ergebnis für g (=2*C) und systematischer Fehler

1. g = 9.96 ± 0.0482. g = 10.06 ± 0.0303. g = 10.16 ± 0.042

Genauigkeit: bis zu 3 Promille!

1.6% zu gross 2.6% zu gross 3.6% zu gross

Systematik:- in 8-9 m Abstand gefilmt- Ball 20-30 cm vor der Wand- Massstab bezogen auf die Wand

2.2% - 3.8% syst. FehlerMittelwert: 3%

1 m wahre Fallstrecke wird gesehen als 1.03 m.

1 m