„Und sie bewegt sich doch!“ Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön Didaktik der Physik
Dreht sich die Erde? Klar dreht sich die Erde! Drehen sich alle Planeten? Dreht sich der Mond?? Nein: er zeigt uns immer das gleiche Gesicht. Aber: weil er uns immer die gleiche Seite zeigt, dreht er sich: von ihm aus geschau,t verändert sich der Fixsternhimmel. Ja, der Mond dreht sich Standortfrage!!!!
Sonnenaufgang am Meer Was wir sehen: Die Sonne bewegt sich!!!! http://mypage.bluewindow.ch/sternfreunde/t_sab.jpg Sternfreunde Oberaargaun: Reise nach Teide (Teneriffa)
Sonnenuntergang Zwischen Sonnenaufgang und Sonneuntergang wandert die Sonne über den Himmel!! So regelmäßig, dass wir daraus Uhren machen!!! mypage.bluewindow.ch/sternfreunde/teide_su50.jpg
Sonnenuhr in der Grolmannstr. Die Sonnenbahn ist sehr genau bekannt. Weg der Sonne http://www.surveyor.in-berlin.de/sundials/indexd.html
Weg der Sonne über den Himmel W
Blick in den Sternenhimmel Experiment (( (a) Wunderkerze rotieren lassen)) (b) Kamera rotieren lassen, Deckenlampen im Blick Blick in den Sternenhimmel mypage.bluewindow.ch/sternfreunde/t_ro1b.jpg
Sternspuren www.mike-rupprecht.de/foto/galerie/sternspur.htm
Sternspuren mit Polarstern Ein Stern dreht sich nicht bzw. kaum: Der muß in Richtung der Drehachse liegen land.heim.at/yellowstone/230252/fotos/p1a03-16a_process.jpg Sternspuren mit Polarstern land.heim.at/yellowstone/230252/fotos/p1a03-16a_process.jpg
Die Erde dreht sich! Merken wir etwas davon??? Nein!!! Einmal in 24 Stunden rum, das ist doch sehr langsam! Der Zeiger der Uhr kriecht doch kaum merklich! Am Pol wäre das tatsächlich so: Wir drehen uns ( Drehung mit ausgebreiteten Armen langsam um die eigenen Achse!) in 24 Stunden einmal rum!! Globus in die Hand! Halt wir leben nicht am Pol sondern in Berlin, etwa hier!! Berlin wandert einmal in 24 Stunden rum. Berlin ist weit weg von der Drehachse! Auch die Spitze eines Uhrzeigers bewegt sich, bei kleinen Uhren unmerklich, bei einer Kirchturmuhr mit 5m langem Stundenzeiger immerhin schon mit 2,6 m/Stunde, der Minutenzeiger saust mit 31,4 m/Stunde. Berlin ist ungefähr 4000 km (3940km) von der Achse der Erde entfernt. Das ergibt eine Reisegeschwindigkeit von 1031km/h = 287 m/s in Richtung Ost!!!!!!!! Und das sollen wir nicht merken??!! Am Äquator rasen die Menschen mit etwa 1667 km/h= 463 m/s nach Osten, das ist Überschallgeschwindigkeit. Experiment: Ball fallen lassen!
Wir rasen Richtung Ost mit etwa 1000 km/h! Galilei und die Trägheit: Dialog über die hauptsächlichen Weltsysteme Freier Fall von Turm, vom Mast eines Schiffes, ... Newton: 1. Newtonsches Gesetz: Jeder Körper ... Übrigens: Weg um die Sonne: in 1 Jahr rum, im Abstand von 150 Mill. Km ergibt 29 km/s!!!! Auch gegen den Uhrzeigersinn (wenn man vom Polarstern her auf die Bahn der Erde schaut!)
Ostabweichung beim Freien Fall Freihand Experiment vom Lohse-Balkon: Lot halten, daneben Stahlkugel auf Blech fallen lassen. Absichtlich in Richtung Ost verschoben. Ergebnis nachrechnen!!!
Ostabweichung beim Freien Fall Rh h v = R cos R vh = (R + h) cos R vh = h cos Ergebnis der „Messung“ kann nicht sein! Effekt klein, und von Höhe abhängig!
Ostabweichung beim Freien Fall s = vh tFall s = h cos tFall Wenn man noch genauer hinschaut: Korrektur mit h = 1/2 g tFall² s = ½ cos g tFall³ s = 0,2 mm
Ostabweichung beim Freien Fall Grosse Fallzeit = große Höhe: Benzenberg s = ½ cos g tFall³ mit Korrektur: s = 1/3 cos g tFall³
Fallversuche von Benzenberg
Ergebnisse der Fallversuche Mittelwert Es kommt auf die Fallzeit an. Das hat schon Galilei anders gelöst! Fallrinne statt freier Fall Atwood: Fallmaschine:
Galilei: Versuche mit der Fallrinne
Atwoodsche Fallmaschine Nord West Ost Süd Drehung gegen den Uhrzeigersinn Horizontale Kraftwirkung in Richtung Ost auf fallenden Körper www.ph-weingarten.de/homepage/faecher/physik/muckenfuss/ gebiete/Wetter/08Dynamik/Druckzentren.pdf Horizontale Kraftwirkung in Richtung West auf steigenden Körper F v - v -F
Rotationsdrehwaage nach Schmelting (Kassel) Fallstrecke 2,67 m Fallzeit (21,4 ± 0,4) s Fallzeit (9,8 ± 0,5) 10-³ ms-² Radius der Laufrolle 10 mm Masse beider Fallkörper 0,845 kg Breitengrad Kassel 51,31° Drehwinkel Messung 3,82 ± 0,19° Theorie 3,58 ± 0,54° Schnitt!! Experiment: Wurf nach Süden (Norden)! Absichtlich nach Westen (Osten) abweichend werfen! Nicht getroffen! Warum?? Breitenkreis im Süden länger, zwar gleiche Drehung (in 24 h einmal rum) aber dort etwas schneller unterwegs. Treffer etwas westlich! Breitenkreis im Norden etwas kürzer, dort also langsamer. Unser Ball eilt voraus, trifft östlich vom Ziel auf.
Wie bewegt sich die Umgebung? Berlin Adlershof
Wie schnell ist die Umgebung? Die Erde dreht sich um Adlershof! N + 1° 111km Breitenkreis Adlershof Experiment: Drehscheibe mit Berlin Drehung gegen den Uhrzeigersinn Können wir etwas davon merken??!! - 1° S
Die Erde dreht sich um Adlershof! v = 23 km/h 111km Breitenkreis Adlershof + 1° - 1° Geschwindigkeit im Norden (+1°) = 1054 km/h Geschwindigkeit im Süden (-1°) = 1077 km/h Experiment: Drehscheibe mit Berlin Drehung gegen den Uhrzeigersinn Können wir etwas davon merken??!! Ein Tiefdruckgebiet über Berlin: Luft strömt aus der Umgebung in das Zentrum des Tiefdruckgebietes. Wir haben einzelne Luftmoleküle hier (Kugeln). Sie laufen von außen genau in Richtung Berlin (blanke Kugel starten!) Bahn verfolgen mit Schwärzung! (berußte Kugel starten!) Ergebnis gekrümmte Bahn, Ablenkung nach rechts. Zeigen über Video oder hochheben! Alle Luft zusammen bewirkt einen Wirbel gegen den Uhrzeigersinn! = 12 °/h
Tiefdruckgebiet über Berlin Hochdruck von innen nach außen: Experiment: Mit Stiften auf drehender Platte!!
Wetterkarte mit Hoch- und Tiefdruckgebiet Experiment: Hochdruckgebiet Scheibe dreht sich gegen den Uhrzeigersinn! Hochdruck: Luft strömt aus dem Zentrum heraus Auf neuem Bogen Papier: mit Stift Linie zeichnen Gekrümmte Linien Hochzeigen oder Video
Zyklonen-Wirbel auf der Südhalbkugel
Der Strudel in der Badewanne f Text lesen! Falsch!! Schilderung: Bei Wetter in großen Dimensionen gilt das, aber nicht bei der Badewanne. Hier gibt es viel zu viel Störungen!!! Asymmetrisch, .... Forscher mit großer, runder Wanne hat nach großen Mühen den Effekt zeigen können. Experiment: Wanne auslaufen lassen Tropfen reinfallen lassen im Video zeigen Drehsinn nur zufällig. Experiment: Wanne auf Drehtisch-Berlin Experiment wiederholen Tropfen Video -------------------- Kann man nicht doch hier auf der Erde in Berlin die Drehung spüren oder direkt zeigen? Drehschemelversuch. Präsident nach vorn?? Der Physiker HAGEN hat sich am Anfang des Jahrhunderts einen Versuch ausgedacht: Erkannte einen beliebten Versuch aus der Anfängervorlesung Physik: Drehung auf dem Drehschemel! Experiment: Drehschemel Zuhörer nach vorn holen Klassischen Drehschemelversuch machen. Was hat das mit dem Versuch von Hagen zu tun?? nächste Folie!!
Nachweis mit: Isotomeograph Beschreibung de Versuches und Vergleich mit Drehschemelversuch. Aber: Versuch sehr, sehr empfindlich! Klappt nur mit Speziellen Aufbauten. Experiment: Kippstange? Auf Drehtisch Schon älterer bekannter Versuch: Foucaultsches Pendel.
Ebenes Pendel r = L FB FF Fg FB = Fg sin FF = Fg cos
Leon Foucaults Pendelversuch 1851 im Pantheon zu Paris Pendel starten! Experiment: Großes Foucaultpendel Aufbau erläutern Kamera auf die Kugel richten Pendel starten Stimmgabel aufstellen als Signal für Drehung Die Idee hatte vermutlich schon Galilei. Zumindest sein Schüler Viviani hat ein Pendel benutzt um die Erddrehung nachzuweisen, allerdings erfolglos! Was ist das Besondere am Pendel? Experiment: Pendel in der Hand Pendel schwingen lassen und spazieren gehen. Schwingungsrichtung bleibt erhalten! Schwingungsrichtung ist träge! Newton ergänzen: 1. Newton... Experiment: Modell-Pendel auf Drehscheibe Anstoßen, Scheibe gegen den Uhrzeigersinn drehen Pendel dreht sich für Beobachter auf der Scheibe im Uhrzeigersinn! -------------------- Kurzes Pendel starten. Elliptische Bahn dreht sich!! In beide Richtungen. Sphärisches Pendel
Der kleine Prinz Antoine de Saint-Exupery Was hat der kleine Prinz mit dem Foucaultpendel zu tun? Der kleine Prinz lebt auf dem Asteroiden B 612. Er kannte seinen ganzen Planeten sehr gut, denn denn sein Planet war so klein, dass er die Rundung direkt sah. Er konnte es direkt ausprobieren, wie es ist, wenn man auf der anderen Seite des Planeten ist, ob man da runter fällt. ..... FOLIE
Pendel-Wanderung geradeaus Mit Pendel in der Hand auch gehen!
Pendel-Wanderung im Kreis Mit Pendel in der Hand auch gehen! Komme ich nach einem langen Weg über unseren Traumplaneten zurück zum Ausgangspunkt und das Pendel schwingt in der gleichen Richtung wie beim Start, dann ist unser Planet eine Scheibe!! ---------------- Was passiert, wenn ich nicht auf der Ebene sondern auf einem Kegel marschiere? Experiment: Kegel aus Papier Kegel ausschneiden!
Pendel-Wanderung auf der Kugel Weg = Breitenkreis Pol „Gerade“ = Großkreis d d A B Richtung bei Ankunft Auf der Kugel sind die kürzesten Verbindungen nicht die Breitenkreise sondern die sog. Großkreise! Wenn das Pendel auf dem Weg um unseren Traumplaneten gerade in der richtigen Weise von der ursprünglichen Richtung abweicht, und bei der Rückkehr zum Startpunkt nicht in der Richtung wie beim Start schwingt, dann ist der Planet keine Scheibe sondern gekrümmt, und vermutlich eine Kugel. d < d = 2 sin Äquator
Freier Fall vom Turm Pol Weg = Breitenkreis v d „Gerade“ = Großkreis A B Auf der Kugel sind die kürzesten Verbindungen nicht die Breitenkreise sondern die sog. Großkreise! Wenn das Pendel auf dem Weg um unseren Traumplaneten gerade in der richtigen Weise von der ursprünglichen Richtung abweicht, und bei der Rückkehr zum Startpunkt nicht in der Richtung wie beim Start schwingt, dann ist der Planet keine Scheibe sondern gekrümmt, und vermutlich eine Kugel. Äquator
Sphärisches Pendel Präs = a b / L² L b a Experiment: Kugelschale mit Stahlkugel Experiment: Pendeltablett b a
Dämpfung der elliptischen Schwingung Reibung Charronring Hinweis auf unsere Aufhängung!
Foucaultpendel im Dom zu Magdeburg
Danke! Pascal Guderian Götz Wogenstein und meine Arbeitsgruppe