M2-10 · Auswertung eures Realexperiments
Kräfte an der schiefen Ebene 1
Prüft eure Messungen und entdeckt, welcher Kraftanteil zum Verhältnis von Höhe und Rampenlänge passt.
Größen klar unterscheiden: Die Gewichtskraft heißt F_G und wird in Newton (N) angegeben. Die Masse heißt m und wird in Kilogramm (kg) oder Gramm (g) angegeben. Es gilt F_G = m · g mit g = 9,8 N/kg; für die Rechnung eine Masse in Gramm zuerst durch 1000 teilen.
1 · Eure Rampenmessungen auswerten
Tragt für jede Messung die zusätzliche Masse, die Zugkraft parallel zur Schiene, die Hubhöhe h und die Rampenlänge s ein. s verläuft entlang der Schiene, nicht waagerecht darunter. Beim Versuchsset ist s oft 100 cm; prüft euren Aufbau.
Ändert sich die Nullanzeige nach dem Verstellen der Rampe, korrigiert sie am Gerät vor jeder Messreihe. Das gemeinsame Korrekturfeld gilt nur, wenn dieselbe Abweichung für alle hier eingegebenen Messungen gilt.
Typische Fehler schnell finden
- Wagen vergessen: Zur Gesamtgewichtskraft gehören Wagen, Stift und Zusatzmassen. Gramm sind noch keine Newton.
- Kraftmesser schräg: Faden und Kraftmesser müssen parallel zur Schiene ausgerichtet sein.
- Nullstellung verändert: Kontrolliert den Nullpunkt nach jeder neuen Neigung in der tatsächlichen Messlage.
- Wagen noch in Bewegung: Lasst ihn vorsichtig etwas hin und her schwingen und lest erst ab, wenn er zur Ruhe kommt. Sichert ihn gegen Herabfallen.
- Falsche Höhe oder Länge: h ist der senkrechte Höhenunterschied über die betrachtete Rampenlänge s. Messt beide zwischen passenden Endpunkten. Nicht die Basis b für s einsetzen.
- Reibung: Räder müssen frei rollen; nichts darf schleifen. Ein Unterschied zwischen Messung und Rechnung ist ein Anlass zum Prüfen, kein Grund zum Ersetzen der Messwerte.
2 · Tragt eure Messpunkte ins Diagramm ein
Wählt eine ausgefüllte Tabellenzeile. Berechnet die angezeigten Koordinaten und setzt den Punkt durch Klicken oder Tippen ins Diagramm. Ihr könnt ihn danach ziehen oder seine Koordinaten unten genau eingeben. Eure Messwerte in der Tabelle bleiben dabei unverändert.
Gefüllte Kreise sind eure eingezeichneten Punkte. Kleine Kreuze sind die optionalen Kontrollpunkte aus der Tabelle. Die Kontrollpunkte zeigen eure Messungen, keine idealen Theoriewerte.
Eine eigene Vergleichsgerade legen
Legt eine Gerade durch eure Messpunkte. Die Steigung und den Achsenabschnitt könnt ihr verändern. Die Gerade verändert eure Messwerte nicht.
Sichert das Diagramm mit Achsenbeschriftungen, Messwerttabelle und eurer Vergleichsgeraden per Screenshot.
3 · Ein Zusammenhang für verschiedene Lasten
Berechnet F_G = F_G,0 + m · g mit g = 9,8 N/kg. Durch F / F_G könnt ihr Messungen mit verschiedenen Lasten vergleichen. Welche Steigung hat eure Gerade? Passt ein Achsenabschnitt von 0?
Erst auswerten, dann vergleichen: Kraftanteil und Neigung
Ohne Reibung gilt F / F_G = h / s. Kraftanteil F / F_G und Neigungsverhältnis h / s sind direkt proportional. Im ersten Diagramm passt daher idealerweise eine Gerade durch den Ursprung mit Steigung 1.
Bei gleicher Gewichtskraft und gleicher Rampenlänge ist F direkt proportional zur Hubhöhe h. Bei gleicher Hubhöhe und gleicher Gewichtskraft dagegen ist F umgekehrt proportional zur Rampenlänge s. Das sind unterschiedliche Vergleiche.
Weniger Kraft braucht mehr Weg
Formt euren Zusammenhang um: F · s = F_G · h. Wer dieselbe Last auf dieselbe Höhe hebt, braucht auf einer längeren Rampe weniger Kraft. Der längere Weg gleicht diese Kraftersparnis aus.
In der zweiten Darstellung vergleicht ihr den Wegfaktor s / h mit dem Kraftfaktor F_G / F. Ideal sind beide Faktoren gleich. Dabei muss die gemessene Kraft größer als 0 sein.
Notiert: Welche Werte lassen einen Nullpunktfehler vermuten? Welche eher eine schiefe Zugrichtung oder Reibung? Eine Abweichung kann mehrere Ursachen haben: Prüft eure Vermutung mit einer erneuten Messung.