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Seminar Fachdidaktik Physik E. Kneringer 25. 10. 2005.

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Präsentation zum Thema: "Seminar Fachdidaktik Physik E. Kneringer 25. 10. 2005."—  Präsentation transkript:

1 Seminar Fachdidaktik Physik E. Kneringer

2 2 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

3 3 1. Kran Diskussion der Funktionsweise  Gleichgewicht Modell

4 4

5 5 Liebherr - Kran

6 6 Heben: der Mensch als Kran

7 7 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

8 8 Hebelgesetz und Kran Interaktiv:

9 9 Wir bauen einen Kran

10 10 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, and für reibungsfrei gleitende Massen auf einer Luftkissenschiene und -0.06, and für Stahlkugeln (im Vergleich zum "idealen" Ergebnis von 0, 0, and 1). linklink (mit sound) Gibt‘s zu kaufen

11 11 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

12 12 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

13 13 Elastischer Ball mit Luftreibung Die Simulation Modell : Gravitationsfeld, elastischer Stoss mit dem Boden, Reibung  |v| x-y Bewegung ist gekoppelt Bälle können nicht rotieren! F = –b|v|F = –bv 2 Ausprobieren: Reibung  v 2

14 14 Luftreibung (viskose Strömungen) Wenn die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit eine gewisse Grenze überschreitet, 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 Kennzahl zur Charakterisierung von Flüssigkeitsströmungen ist die Reynolds-Zahl Re, die durch Re = 2r  v/  definiert ist, wobei v die mittlere Stömungsgeschw. der Flüssigkeit ist. typischer Radfahrer: laminar turbulent entgegengesetzt rotierende Wirbel alternierende Wirbelablösung

15 15 Neues Thema: Luftwiderstand  Beim Radfahren, beim Fussball schiessen  Heuristisches Modell  Auftrieb  Effet  Typen von Strömungen

16 16 Die Mathematik dahinter Newton'sche Bewegungsgleichung: ??? !!! 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

17 17 Geschwindigkeit Modell (SimulationModell (Simulation) x, aber auch t  Das reale Experiment

18 18 Die Geschwindigkeit |Betrag| Der Geschwindigkeitsprung am Boden zeigt, dass das Modell (mit Luftreibung) falsch ist! Formel = ? und daraus g (vgl. Luftkissenschiene)

19 19 Ausreisser Ausreisser treten auf, da bei der Reflektion am Boden grosse Beschleunigungen auftreten.

20 20 Beschleunigung: g 2% Fehler

21 21 Parabelfits

22 22 Ergebnis für g (=2*C) und systematischer Fehler 1. g = 9.96 ± g = ± g = ± 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 cm vor der Wand - Massstab bezogen auf die Wand  2.2% - 3.8% syst. Fehler Mittelwert: 3% 1 m wahre Fallstrecke wird gesehen als 1.03 m. 1 m


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