10. – 13. Schuljahr

Michael Barth

Experimente und Apparaturen zum Thema Drehbewegung

Tipps und Hinweise für den Unterricht

Die bekannten, einfachen Einstiegsexperimente zum Thema werden hier nicht näher erläutert bis auf auf ein recht verbreitetes. Dieses wird im Folgenden eingehender diskutiert, da es immer wieder zu Problemen führt.
Ein Einstiegsexperiment mit Problemen
Man fordert die Lerngruppe auf, einen Kreis zu bilden und einen Ball auf eine Kreisbahn zu lenken. Dies soll als Einstieg empirisch zeigen, dass für die Bewegung auf einer Kreisbahn (konstante) Kräfte in Richtung des Kreismittelpunktes erforderlich sind; dafür muss man in radialer Richtung kurz gegen den Ball schlagen.
Allerdings geben dabei einzelne Schülerinnen und Schüler dem Ball eine Drehung mit, so dass er eine krumme Bahn erhält. Dies ist zwar bei einem rollenden Ball durchaus sinnvoll, hier aber natürlich nicht gewünscht.
Gibt der Lehrer deshalb vor, dies zu unterlassen und nur kurze Stöße einzusetzen, gelingt allenfalls eine schlingernde, kreisähnliche Bahn, weil die Stöße nicht gleichmäßig sind und zudem die Reibung die Bewegung beeinflusst. Besser geht es deshalb mit einem Luftkissen-Puk. Das Video unter https://youtu.be/SQGWjn8AP70 [13.11.2019] zeigt zudem eine erfolgreiche Ausführung des Versuchs mit einem Hammer.
Didaktische Beurteilung des Versuchs
Dennoch: Um den Versuch als Einstiegsexperiment erfolgreich durchzuführen, muss man bereits vorher wissen, wie man den Ball zu behandeln hat. Wenn jedoch das Experiment dazu dienen soll, die für eine Kreisbewegung nötige Richtung der Zentripetalkraft selbstständig aufzufinden, erscheinen zu viele Vorab-Informationen letztlich kontraproduktiv.
Aus meiner Sicht kann dieser Versuch daher die bei einem Einstiegsexperiment gewünschte Erfahrung nicht wirklich vermitteln. Er kann jedoch gut zu einem Gedankenexperiment anregen, das die konstante Zentralkraft idealisierend vorhersagt und damit als Ausgangspunkt für eine sich anschließende experimentelle Analyse dient.
Experimentelle Analyse von Kreisbewegungen
Es geht bei diesem Experiment um den Nachweis der Beziehung FZ = mω²r (s. a. die Messreihen dazu im Artikel „Keine Zentrifugalkraft; dort Kasten 1.1 und AB3), die man – bis auf das Quadrat bei ω – aus Vorversuchen vermuten kann. Man hat hier den im Schulunterricht seltenen Fall, dass man drei Variablen systematisch variieren muss; dies sollte man auch seiner Lerngruppe deutlich machen. Wenn mehrere Apparaturen vorhanden sind, bietet sich hier auch ein arbeitsteiliges Schülerexperiment mit anschließenden Experimentalvorträgen an.
Die typischen Demonstrationsapparaturen (genannt „Zentralkraftgerät oder leider auch „Fliehkraftgerät) messen die Zentripetalkraft FZ. ω wird mit einem Antriebsmotor variiert und z.B. über einen Riemen mit Tachogenerator, mit einer Lichtschranke oder anders gemessen.
Apparaturen von Lehrmittelherstellern
Eine verbreitete und für die Lerngruppe sehr gut überschaubare Apparatur (z.B. Phywe 1108.88, in Abb. 1 vorne; als Schülerexperimentiersatz z.B. NTL Fuhrmann P9902-4Z) bestimmt FZ an der Drehachse mit einem Federkraftmesser (s. Abb. 1). Dafür muss der Kraftmesser in Richtung der Drehachse befestigt sein, und man muss ein Verdrillen des Haltefadens unterbinden.
Letzteres leistet ein Entkopplungshaken (s. Pfeil in Abb. 1); als preisgünstigen Ersatz kann man auch einen sog. Wirbel (Angelzubehör) nutzen.
Beim Einsatz eines Federkraftmessers steigt durch dessen Auslenkung auch der Radius r, sobald man ω erhöht. Man muss also nachjustieren, wenn man r konstant halten will, was jedoch auch während der Drehung gelingt. Nutzt man statt eines Federkraftmessers zur Bestimmung der Kraft den CASSY-Kraftsensor (s. Pfeil in Abb. 1), so entfällt dieser Nachteil, den modernere Apparaturen vermeiden, indem sie alternative Kraftmesser verwenden, die mit vernachlässigbaren Auslenkungen auskommen (z.B. Leybold Nr. 34722 und 34721, Phywe Nr. 02417.04)....

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