Zweites Newtonsches Gesetz – Ziehen eines Klotzes auf einer Unterlage
PhysikKräfte und DynamikAlter 15–16Virtuelles Labor
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Als Nächstes in Kräfte und Dynamik
Ziehen Sie einen Klotz der Masse m mit der Kraft F über eine waagerechte oder geneigte Unterlage mit der Reibungszahl μ. Beobachten Sie die Kraftvektoren (F, F_G, N, F_R), die Beschleunigung a = (F − F_R − F_G·sinα)/m und ein v(t)-Diagramm in Echtzeit. Verschieben Sie den Regler F direkt in der Simulation oder ziehen Sie den Klotz an eine andere Stelle. Zwei weitere Ansichten: ein Wagen, der über eine Rolle von angehängten Massestücken gezogen und mit zwei Lichtschranken gemessen wird (a in Abhängigkeit von F bei konstanter Masse und von 1/m bei konstanter Kraft, mit a-F- und a-1/m-Diagramm), und ein Vergleich von Roll- und Gleitreibung mit dem Federkraftmesser.
Lektion: Zweites Newtonsches Gesetz, Reibung, Bewegung auf der schiefen Ebene
Was sie zeigt
Das zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass die Beschleunigung gleich der resultierenden Kraft geteilt durch die Masse ist, a = ΣF/m. In der ersten Ansicht wird ein Klotz über eine waagerechte oder geneigte Fläche gezogen: Zugkraft F, Gewichtskraft F_G, Normalkraft N und Reibung F_R = μN wirken, und das v(t)-Diagramm zeigt, dass die Kraft die Beschleunigung bestimmt, nicht die Geschwindigkeit. Der Wagenversuch prüft das Gesetz mit angehängten Massen und zwei Lichtschranken: a ∝ F bei konstanter Masse, a ∝ 1/m bei konstanter Kraft. Die dritte Ansicht zieht Klotz, Walze und Wagen gleicher Gewichtskraft mit einem Federkraftmesser: Rollreibung ist viel kleiner als Gleitreibung.
So funktioniert es
Ändern Sie in Klotz ziehen F und den Winkel α und vergleichen Sie die Steigungen von v(t). Setzen Sie in Wagen und Rolle ein Häkchen bei Reibung kompensiert (Bahn geneigt), wählen Sie die 20-g-Massestücke am Haken und klicken Sie auf Loslassen; wiederholen Sie mit anderen Massen, legen Sie dann 250-g-Massestücke auf den Wagen und wechseln Sie zum Diagramm a – 1/m. Wählen Sie in Rollen und Gleiten Körper und Unterlage, klicken Sie auf Langsam ziehen und lesen Sie den Federkraftmesser ab.
Einstellbare Parameter
- Zugkraft F (parallel zur Unterlage) 0–50 N
- Masse des Klotzes 0,5–10 kg
- Reibungszahl μ 0–1
- Neigungswinkel α 0–45 Grad
- Ansicht Klotz ziehen, Wagen, Rolle und Lichtschranken, Roll- und Gleitreibung
- Anzahl 20-g-Massestücke am Haken 0–8
- Anzahl 250-g-Massestücke auf dem Wagen 0–4
- Reibung kompensiert (Bahn geneigt)
- Gezogener Körper Holzklotz, Walze, Wagen mit Kugellagern
- Unterlage Holzbrett, Glasplatte, Stoff
- Zusätzliche 1-N-Gewichte 0–3
- Federkraftmesser 0–5 N, 0–1 N
Fragen zum Erkunden
- Warum ist die Normalkraft N auf der schiefen Ebene kleiner als die Gewichtskraft F_G?
- Welche Zugkraft ist mindestens nötig, damit der Klotz mit konstanter Geschwindigkeit hangaufwärts gleitet?
- Wie ändert sich die Beschleunigung ohne Reibung, wenn m und F beide verdoppelt werden?
Ideen für den Unterricht
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