Physik-Praktikum: Analyse von Bewegung, Kraft und Energie

Grundlagen der Bewegungsanalyse und Zeitmessung

Datenerfassung und Geschwindigkeitsberechnung

Die Datenerfassung (Mapping) erfolgt, um eine Tabelle von Delta-x und Zeitpunkten t(n) zu erstellen. Die Momentangeschwindigkeit (Vm) wird für jedes Intervall berechnet: Vm = (xf - xi) / (tf - ti). Die Unsicherheit der Geschwindigkeit (V) wird in einer Tabelle V(t) festgehalten. Die grafische Darstellung der Bewegung erfolgt oft über die Steigung: (y2 - y1) / (x2 - x1). Eine halbe Linie des Graphen und die Beschleunigung werden analysiert. Die Unsicherheit der Beschleunigung (Delta a) wird berechnet, wobei alle relevanten Unsicherheiten (z.B. Delta v, Delta t) berücksichtigt werden.

Bestimmung der Erdbeschleunigung (g)

Ziel und Methodik

Das Ziel dieses Experiments ist die Bestimmung der lokalen Erdbeschleunigung g. Dazu werden mit einem Maßband fünf Punkte (Delta x) markiert. Die Durchschnittsgeschwindigkeit (Vm) wird als Vm = Delta x / Delta t ermittelt, wobei das Zeitintervall (Delta t) gegeben ist. Die Momentangeschwindigkeit (Vinst) wird durch Subtraktion von Zeitintervallen bestimmt, z.B. 0,05 s von 0,10 s. Eine Tabelle der Momentangeschwindigkeit (Vinst) in Abhängigkeit von der Zeit t (s) wird für den freien Fall erstellt, um diesen grafisch darzustellen. Es wird auch ein Pendel verwendet, um die Schwingungsdauer zu messen und daraus g zu bestimmen.

Analyse der Kreisbewegung

Untersuchung der Geschwindigkeit und Beschleunigung

Das Ziel ist es, die Eigenschaften der Geschwindigkeit (V) eines Körpers zu untersuchen, der sich in einer gleichförmigen Kreisbewegung (MCU) befindet. Die Durchschnittsgeschwindigkeit (Vm) wird als Vm = Delta x / Delta t berechnet, wobei Delta t gegeben ist. Es wird untersucht, wie der Vektor der Geschwindigkeit durch die Dreisatzrechnung bestimmt wird. Die Unsicherheit der Durchschnittsgeschwindigkeit (dVm) wird berechnet, wobei die relativen Unsicherheiten von Delta x und Delta t berücksichtigt werden. Nach der Messung von Delta V wird überprüft, ob der Wert aus der Dreisatzrechnung mit den vorherigen Ergebnissen übereinstimmt. Die Gesamtunsicherheit der Beschleunigung wird ermittelt. Schließlich wird die Zentripetalbeschleunigung a als a = V² / R berechnet und grafisch dargestellt.

Experimentelle Überprüfung von F = ma

Beziehung zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung

Das Ziel ist es, die experimentelle Beziehung zwischen der auf einen Körper angewendeten Kraft (F) und seiner Masse (m) sowie der daraus resultierenden Beschleunigung (a) zu überprüfen.

Teil 1: Beschleunigung bei konstanter Masse und variabler Kraft

Es werden zwei Wegstrecken (Delta x1 und Delta x2) und die zugehörigen Zeitintervalle (Delta t1 und Delta t2) gemessen. Daraus werden die Geschwindigkeiten V1 und V2 bestimmt, unter Berücksichtigung der Unsicherheit (S). Die mittleren Zeitpunkte t'1 und t'2 werden als Delta t / 2 berechnet, und die Beschleunigung a wird als a = (V2 - V1) / (t'2 - t'1) ermittelt. Anschließend wird die Beschleunigung a in Abhängigkeit von der variablen Kraft F (erzeugt durch Gewichte) grafisch dargestellt.

Teil 2: Beschleunigung bei konstanter Kraft und variabler Masse

Es werden Delta x1 und Delta x2 sowie die Masse gemessen. V1 und V2 werden bestimmt, ebenfalls unter Berücksichtigung der Unsicherheit. Danach werden t'1 und t'2 als Delta t / 2 und die Beschleunigung a als a = (V2 - V1) / (t'2 - t'1) berechnet. Eine grafische Darstellung von a in Abhängigkeit von der Masse m sollte eine Hyperbel ergeben. Anschließend wird a in Abhängigkeit von 1/m geplottet, was eine lineare Beziehung zeigen sollte.

Analyse der Zusammengesetzten Bewegung (Wurfparabel)

Untersuchung des horizontalen Projektilwurfs

Das Ziel ist die Untersuchung der Bewegung eines horizontal abgeschossenen Projektils unter Bedingungen, bei denen der Luftwiderstand keine messbaren Auswirkungen hat. Auf einem Messband werden ein Quadrat und ein Kreuz markiert, und eine Linie wird durch alle relevanten Punkte gezogen. Der vertikale Abstand (Delta y) zwischen den Punkten wird gemessen.

Untersuchung der Wechselwirkung zwischen zwei Körpern

Analyse von Kollisionen

Das Ziel ist die Untersuchung der Kollision zwischen zwei Körpern, die sich beide vor der Interaktion in Bewegung befanden.

Erhaltung der Mechanischen Energie

Studie eines Feder-Masse-Systems

Ziel ist eine Studie über die Erhaltung der mechanischen Energie in einem vertikal schwingenden Feder-Masse-System.