Versuch 1: Aufbau und Durchführung

Eine Feder (Feder 1) wird zunächst nur durch eine Scheibe, die ein leichtes Ablesen der Verlängerung zulässt, belastet. Anschließend werden jeweils Körper mit der Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\) an die Feder gehängt.

Hinweis: Die erste Aufnahme zeigt den kompletten Versuchsaufbau, die nächsten 5 Aufnahmen zeigen Detailaufnahmen. Die Fotos sind jeweils aus der Perspektive aufgenommen, aus der man an der Scheibe sauber ablesen kann, dadurch sind Beleuchtung und Lage des Maßbands auf den Fotos unterschiedlich.

 Bild 1

a)

Entnimm den Aufnahmen 2 bis 6 die Position \(x\) der Ablesescheibe, die Verlängerung \(\Delta x\) der Feder sowie die Gesamtgewichtskraft \(F\) der angehängten Körper (1 Körper hat die Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\)) und trage diese in die folgende Tabelle ein. 

\(x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 10        
\(\Delta x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 0        
\(F\;{\rm{in}}\;{\rm{N}}\) 0        
\(\frac{F}{{\Delta x}}\;{\rm{in}}\;\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{cm}}}}\)          

b)

Erstelle ein geeignetes skaliertes und beschriftetes Koordinatensystem, trage darin die Wertepaare \(\left( {\Delta x|F} \right)\) mit grüner Farbe ein und interpretiere den Verlauf der Messwerte. Tipp: Rechtsachse: \(1{\rm{cm}}\) in der Zeichnung entspricht \(2{\rm{cm}}\) Dehnung; Hochachse: \(4{\rm{cm}}\) in der Zeichnung entsprechen \(1{\rm{N}}\))

c)

Berechne jeweils aus den Werten \(F\) und \(\Delta x\) die Werte \(\frac{F}{{\Delta x}}\), trage diese ebenfalls in die Tabelle aus Aufgabenteil a) ein und interpretiere die berechneten Werte.

Versuch 2: Aufbau und Durchführung

Eine zweite Feder (Feder 2) wird wieder zunächst nur durch eine Scheibe, die ein leichtes Ablesen der Verlängerung zulässt, belastet. Anschließend werden jeweils Körper mit der Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\) an die Feder gehängt.

Hinweis: Die erste Aufnahme zeigt den kompletten Versuchsaufbau, die nächsten 5 Aufnahmen zeigen Detailaufnahmen. Die Fotos sind jeweils aus der Perspektive aufgenommen, aus der man an der Scheibe sauber ablesen kann, dadurch sind Beleuchtung und Lage des Maßbands auf den Fotos unterschiedlich.

 Bild 1

a)

Entnimm den Aufnahmen 2 bis 6 die Position \(x\) der Ablesescheibe, die Verlängerung \(\Delta x\) der Feder sowie die Gesamtgewichtskraft \(F\) der angehängten Körper (1 Körper hat die Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\)) und trage diese in die folgende Tabelle ein. 

\(x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 10        
\(\Delta x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 0        
\(F\;{\rm{in}}\;{\rm{N}}\) 0        
\(\frac{F}{{\Delta x}}\;{\rm{in}}\;\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{cm}}}}\)          

b)

Trage die Wertepaare \(\left( {\Delta x|F} \right)\) in das Koordinatensystem aus Versuch 1 mit gelber Farbe ein und interpretiere erneut den Verlauf der Messwerte und vergleiche ihn mit dem Verlauf der Messwerte in Versuch 1.

c)

Berechne wieder jeweils aus den Werten \(F\) und \(\Delta x\) die Werte \(\frac{F}{{\Delta x}}\), trage diese ebenfalls in die Tabelle aus Aufgabenteil a) ein, interpretiere die berechneten Werte und vergleiche sie mit den entsprechenden Werten aus Versuch 1.

Versuch 3: Aufbau und Durchführung

Schließlich wird ein Gummi wieder zunächst nur durch eine Scheibe, die ein leichtes Ablesen der Verlängerung zulässt, belastet. Anschließend werden jeweils Körper mit der Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\) an den Gummi gehängt.

Hinweis: Die erste Aufnahme zeigt den kompletten Versuchsaufbau, die nächsten 5 Aufnahmen zeigen Detailaufnahmen. Die Fotos sind jeweils aus der Perspektive aufgenommen, aus der man an der Scheibe sauber ablesen kann, dadurch sind Beleuchtung und Lage des Maßbands auf den Fotos unterschiedlich.

 Bild 1

a)

Entnimm den Aufnahmen 2 bis 6 die Position \(x\) der Ablesescheibe, die Verlängerung \(\Delta x\) des Gummis sowie die Gesamtgewichtskraft \(F\) der angehängten Körper (1 Körper hat die Gewichtskraft \(0,5{\rm{N}}\)) und trage diese in die folgende Tabelle ein. 

\(x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 10        
\(\Delta x\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}\) 0        
\(F\;{\rm{in}}\;{\rm{N}}\) 0        
\(\frac{F}{{\Delta x}}\;{\rm{in}}\;\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{cm}}}}\)          

b)

Trage die Wertepaare \(\left( {\Delta x|F} \right)\) in das Koordinatensystem aus Versuch 1 mit roter Farbe ein und interpretiere erneut den Verlauf der Messwerte und vergleiche ihn mit dem Verlauf der Messwerte in den Versuchen 1 und 2.

c)

Berechnen wieder jeweils aus den Werten \(F\) und \(\Delta x\) die Werte \(\frac{F}{{\Delta x}}\), trage diese ebenfalls in die Tabelle aus Aufgabenteil a) ein, interpretiere die berechneten Werte und vergleiche sie mit den entsprechenden Werten aus den Versuchen 1 und 2.

1. Versuchsziel:
Untersuchung der Dehnung eines Drahtes

2. Versuchsgeräte:

  • 1 Kupferdraht (ca. 0,4 mm Durchmesser)
  • 1 Waagschale
  • 1 Satz Massenstücke
  • 1 Messzeiger mit a1 : a2 = 1 : 30
  • 1 Lineal mit Messschnabel

3. Versuchsaufbau:

3. Versuchsdurchführung:

  • Der Draht wird mit dem einen Ende z.B. an der Zimmerdecke befestigt, mit dem anderen Ende am Messzeiger angeschraubt.
  • Der Messzeiger dient dazu, die kleinen Längenänderungen des Drahtes in einen gut ablesbaren größeren Ausschlag am Lineal zu "übersetzen". Bei einem Verhältnis von a1 : a2 = 1 : 30  entspricht einem Zeigerausschlag von 30 mm eine Dehnung des Drahtes um 1mm.
  • Die Waagschale wird in 2-N-Schritten immer stärker belastet und der zugehörige Zeigerausschlag notiert.

4. Versuchsergebnis:      

ΔF in N
0
2,0
4,0
6,0
8,0
10
12
14

16

Δx in cm
0
1,5
3,3
4,5
6,1
8,3
12,6
13,8
14,9

Hinweis: Die wahre Längenänderng des Drahtes ist Δx : 30!

  • Man sieht, dass der Draht vom Ursprung bis zum Punkt P näherungsweise dem Gesetz von Hooke gehorcht.
  • Dann erreicht man mit kleinen Kraftzuwächsen relativ große Dehnungen, der Draht verhält sich ähnlich einer zähen Flüssigkeit, er fließt (zwischen P und F).
  • Schließlich folgt eine Phase, in der sich der Draht nur schwer dehnen lässt, um schließlich abzureißen.

1. Versuchsziel:
Untersuchung der Längenänderung eines Gummiringes in Abhängigkeit von der Belastung.


2. Versuchsgeräte:

  • 1 relativ starker Gummiring
  • 1 kleines Wassereimerchen (Fassungsvermögen ca. 1 l)
  • 1 Messbecher

3. Versuchsvorbereitung und -durchführung:

  • Der Gummiring wird mit einem Ende an einer Türklinke oder an einem belastbaren Haken befestigt.
  • An das andere Ende des Ringes wird ein nicht zu schweres Gefäß (z.B. Eimerchen) angebunden.
  • Am Gummiende bringt man in der Nähe des Eimers eine gut sichtbare Markierung M an.
  • An der Wand befestigt man zusätzlich ein Stück Papier und hält darauf die sich ändernde Lage von M fest.
  • Nun schüttet man eine definierte Portion P Wasser, die man mit dem Messbecher abmisst, in den Eimer und erhöht damit die Belastung des Gummis. Die neue Lage von M wird angezeichnet und beschriftet (z.B. 1P).
  • Nun schüttet man eine weitere Wasserportion in den Eimer, markiert die neue Lage der Marke und beschriftet z.B. mit 2P.
  • Man fährt solange fort, bis sich der Gummi bei weiterer Belastung kaum mehr dehnt.

Hinweise:

  • Um eventuellen Ärger zu vermeiden, lege unter den Eimer sicherheitshalber ein saugfähiges Wischtuch.
  • Zur Berechnung der Masse einer Wasserportion aus dem Volumen, musst du über die Dichte Bescheid wissen.
  • Zur Berechung der Gewichtskraft der Wasserportion P aus der Masse kannst du näherungsweise von g = 10 m/s2 ausgehen.

4. Dokumentation der Messergebnisse:
Zunächst schreibt man alle zusammengehörigen Messergebnisse in Form einer Tabelle auf.

Δl in cm
0
.
,
.
.
       
Zahl der Portionen P
0
.
.
.
.
.      
ΔFg in N
0
.
.
.
.
.      

 

5. Graphische Darstellung:
Die Messwertpaare aus der Tabelle überträgt man nun in ein Koordinatensystem, auf dessen Rechtswertachse die Längenänderung Δl abgetragen wird. An der Hochwertachse trägst du die jeweilige Zunahme der Gewichtskraft ΔFg (bezogen auf den Zustand ohne Wasserfüllung) an (Δl-ΔFg-Diagramm). Der Maßstab ist so zu wählen, dass das Zeichenblatt gut ausgenutzt wird.

 

6. Auswertung der Graphik:

  • Prüfe, ob es in der Graphik einen Bereich gibt, in dem die Messpunkte annähernd auf einer Geraden liegen. Zeichne das Geradenstück ein.
  • Ermittle die Steilheit (Steigung) des Geradenstückes. Dividiere dazu die "Vertikalausdehnung" des Geradenstückes ΔF*g durch die "Horizontalausdehnung" des Geradenstückes Δl* und vergiss dabei die Einheiten nicht.
  • Überlege dir, was man mit dem oben berechneten Quotienten aussagen kann.

1. Versuchsziel:
Untersuchung der Längenänderung eines Gummibandes in Abhängigkeit von der Belastung.


2. Versuchsgeräte:
Hosengummi Länge ca. 1m
Klebeband
Draht zum biegen eines Hakens
Gewichtstücke (z.B. große Schraubenmuttern, die im Foto gezeigten 20mm Muttern wiegen jeweils 50 g)
glatte Wand (z.B. Tür)
Papier
 

3. Versuchsvorbereitung und -durchführung:

  • Der Hosengummi wird mit einem Ende mit Klebeband an der Wand (Tür) befestigt (siehe Bild).
  • An das andere Ende des Hosengummis wird ein Drahthaken zum Aufnehmen der Gewichte angebunden.(siehe Fotos)
  • Am Gummi bringt man mit Filzstift unten eine gut sichtbare Markierung an.
  • An der Wand befestigt man zusätzlich kariertes Papier oder mm-Papier.
  • Nun belastet man den Gummi mit den Gewichtstücken und markiert auf dem Papier die zugehörige Lage der Markierung (siehe Fotos).


4. Arbeitsauftrag:

  • Kurze Versuchsbeschreibung mit eigenen Worten.
  • Erstellung einer Kraft - Dehnungs - Tabelle
  • skizzieren eines Dehnungs - Kraft - Diagramms (Δl-ΔF-Diagramm)
  • Kurze Erläuterung, in welchem Bereich der Hosengummi dem Hookeschen Dehnungsgesetz folgt?

1. Versuchsziel
Bei verschiedenen elastischen Körpern soll der Zusammenhang zwischen der dehnenden Kraft (-zunahme) ΔF und der Dehnung (Längenänderung) Δx untersucht werden.


2. Versuchsgeräte

  • 1 große Feder
  • 1 kleine Feder
  • 1 Haushaltsgummi
  • 1 Satz Massenstücke
  • 1 Lineal
  • verschiedenes Stativmaterial (vgl. Skizze)

3. Versuchsaufbau und -durchführung

  • Stelle den Maßstab so ein, dass die Ablesescheibe bei einer "glatten" Marke (z.B. 60 cm) steht und die Maßstabswerte nach unten zunehmen (Waagschale ist bereits angehängt).
  • Lege Stücke bekannter Masse in die Waagschale und notiere in der Tabelle die zugehörigen ΔF-Δx-Wertepaare. Gehe näherungsweise von g = 10 m/s2 aus.
  • Hinweis zum Versuch mit dem Gummiband:
    Steigere zunächst die Belastung von 0 N auf 2 N schrittweise und notiere dabei die Verlängerungen in der oberen grünen Zeile der Tabelle. Reduziere nun die Belastung schrittweise von 2 N auf 0 N und schreibe abermals die Verlängerungen auf (untere grüne Zeile der Tabelle).

     

 
ΔF in N
0,00
0,50
1,0
1,5
2,0
kleine Feder
Δx in mm
.
.
.
.
.
große Feder
.
.
.
.
.
Gummiband
.
.
.
.
.
.
.
.

4. Aufgabe

  • Bestimme jeweils den Quotienten ΔF/Δx.
  • Lege ein Δx-ΔF-Koordinatensystem an und zeichne die Ergebnisse der drei Messreihen in verschiedenen Farben ein. Wähle den Maßstab so, dass das Koordinatensystem etwa eine halbe DIN-A4-Seite einnimmt.
  • Vergleiche die drei Messwerte-Tabellen und Graphen untereinander und versuche Gemeinsamkeiten und Unterschiede herauszuarbeiten.

Diese Aufgabe stammt aus einem Artikel von R. Duit in UP 67/2002; Seite 7 und stammt von H. Schecker

Baue einen möglichst empfindlichen Kraftmesser mit einer geeigneten Skala. Du kannst folgende Materialien benutzen:

  • Büroklammern,
  • Trinkhalme,
  • Lineal,
  • Pappstreifen,
  • Wäscheklammern,
  • Papier,
  • Klebstoff,
  • Wägestücke,
  • Bindfaden
  • Gummibänder.

Gib an, in welchem Bereich man damit Kräfte messen kann und wie vertrauenswürdig die Messergebnisse sind.

 

1 Dehne und komprimiere Federn, um den Zusammenhang zwischen Kraft, Federkonstante, Federlänge und potenzieller Energie zu finden. Untersuche, was passiert wenn zwei Federn hintereinander oder parallel geschaltet werden.