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Versuche

Freier Fall für Fortgeschrittene (Smartphone-Experiment mit phyphox)

Das Ziel des Versuchs

Mit deinem Smartphone kannst du im Unterricht oder zu Hause die Fallbeschleunigung bestimmen. Die App auf deinem Smartphone bestimmt dabei die Zeitspanne \(t\), die ein Körper für den Fall aus einer bestimmten Höhe \(h\) benötigt. Hieraus lässt sich dann die Fallbeschleunigung \(g\) berechnen.

HTML5-Canvas nicht unterstützt!
Abb. 1 Aufbau und Durchführung des Versuchs zur Untersuchung des freien Falls mit Hilfe eines Smartphones und der App phyphox

Notwendiges Vorwissen

Um dieses Experiment zum freien Fall verstehen zu können solltest du ...

  • ... das Zeit-Weg-Gesetz \(s = \frac{1}{2} \cdot a \cdot {t^2}\) einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung kennen.
  • ... Wertetabellen bzw. Graphen zu Funktionen mit \(y=x^2\) linearisieren können.

Hinweis: Informationen hierzu findest du über die Linkliste am Ende des Artikels.

Benötigte Materialien

  • Smartphone oder Tablet mit der App phyphox

Für die einfache Version

  • Kugel (möglichst aus Metall)
  • Lineal und Stift (beide möglichst aus Metall)

Für die anspruchsvollere Version

  • Massestück mit Haken (möglichst aus Metall)
  • mehrere Luftballons mit passender Halterung und eine Nadel
  • eine Metallplatte

Aufbau und Durchführung

In dem folgenden Video stellt dir Sebastian vom phyphox-Team die wichtigsten Schritte zum Aufbau und zur Durchführung des Experiments vor.

Aufnahme der Messwerte mit phyphox

Die "Akustische Stoppuhr" von phyphox startet und stoppt den Timer des Smartphones, wenn über das eigebaute Mikrofon Geräusche empfangen werden, die lauter als eine zuvor eingestellte Schwelle sind. Damit ein etwas längeres Geräusch den Timer nicht direkt nach dem Start wieder stoppt, kann man ein Mindestverzögerung angeben. Während dieser Zeit nach dem Start wird ein zweites Geräusch nicht als Stoppsignal gedeutet. Im Reiter "EINFACH" kannst du diese Einstellungen vornehmen und die gemessene Zeitspanne zwischen den beiden Geräuschen ablesen.

Hilfen zur Durchführung

Die Messung wird um so genauer, je größer die Höhe ist, aus der die Kugel fällt.

Wenn du das Smartphone auf der halben Fallhöhe platzierst, hebt sich der Einfluss der Schallgeschwindigkeit aus der Messung heraus.

Aufgabe

Bestimmung der Fallbeschleunigung

Verändere die Höhe \(h\), aus der die Kugel fallen gelassen wird und miss jeweils mit phyphox die Fallzeit \(t\), die die Kugel vom Start der Bewegung bis zum Aufprall auf dem Boden benötigt.

Halte die verschiedenen Werte von \(h\) und \(t\) in einer Tabelle fest und trage anschließend die Messwerte in einem \(t\)-\(h\)-Diagramm auf.

Linearisiere das \(t\)-\(h\)-Diagramm und bestimme mit diesem linearisierten Diagramm einen Wert für die Fallbeschleunigung \(g\).

Lösung

freier_fall_phyphox_t-h-diagramm.svg
Abb. 2 \(t\)-\(h\)-Diagramm

Sebastian hat bei der Vorstellung der anspruchsvolleren Version des Experiments folgende Messwerte und das nebenstehende Diagramm erhalten.

\(t\;{\rm{in}}\;{\rm{s}}\) \(0{,}382\) \(0{,}434\) \(0{,}488\) \(0{,}539\) \(0{,}586\) \(0{,}629\) \(0{,}660\) \(0{,}702\)
\(h\;{\rm{in}}\;\rm{m}\) \(0{,}70\) \(0{,}95\) \(1{,}20\) \(1{,}45\) \(1{,}70\) \(1{,}95\) \(2{,}20\) \(2{,}45\)
 

freier_fall_phyphox_t2-h-diagramm.svg
Abb. 3 \(t^2\)-\(h\)-Diagramm

Der Graph lässt sich entsprechend dem Zusammenhang \(h = \frac{1}{2} \cdot g \cdot t^2\) linearisieren, indem man auf der horizontalen Achse statt der Größe \(t\) die Größe \(t^2 \) aufträgt. Man erhält so folgende Wertetabelle und das nebenstehende Diagramm.

\(t\;{\rm{in}}\;{\rm{s}}\) \(0{,}382\) \(0{,}434\) \(0{,}488\) \(0{,}539\) \(0{,}586\) \(0{,}629\) \(0{,}660\) \(0{,}702\)
\(t^2\;{\rm{in}}\;{\rm{s^2}}\) \(0{,}146\) \(0{,}188\) \(0{,}238\) \(0{,}291\) \(0,{,}343\) \(0,{,}396\) \(0{,}436\) \(0,{,}493\)
\(h\;{\rm{in}}\;\rm{m}\) \(0{,}70\) \(0{,}95\) \(1{,}20\) \(1{,}45\) \(1{,}70\) \(1{,}95\) \(2{,}20\) \(2{,}45\)
 

Die Wertepaare liegen mit einem Korrelationskoeffizienten nahe \(1\) auf einer Geraden mit dem Steigungsfaktor \(k = 4,98\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}\); damit beträgt die Fallbeschleunigung wegen \(h = \frac{1}{2} \cdot g \cdot {t^2}\)\[g = 2 \cdot k = 2 \cdot 4,98\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}} = 9,96\frac{{\rm{m}}}{{{{\rm{s}}^{\rm{2}}}}}\]Die möglichen Ursachen für die Abweichung vom Literaturwert erläutert Sebastian im Video.


Über phyphox

Die App phyphox wird von der RWTH Aachen entwickelt und steht allen Interessierten kostenlos zur Verfügung. phyphox ermöglicht es dir, mit den Sensoren deines Smartphones zu experimentieren, Messwerte aufzunehmen und auszuwerten.

Hier geht es zur Website des Projektes / phyphox für iOS / phyphox für Android