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Körper mit dem Kraftmesser ziehen – Gewichtskraft, Reibung und Federdehnung

NaturwissenschaftenKräfte und BewegungAlter 11–12Virtuelles Labor

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Ein Holzklotz auf einem Tisch wird mit einem Federkraftmesser gezogen. Die Lernenden ziehen am Haken des Kraftmessers (oder am Schieberegler), um die Zugkraft zu erhöhen: Die Feder dehnt sich proportional zur Kraft, und der Zeiger zeigt den Messwert; der Klotz beginnt erst zu gleiten, wenn die Zugkraft die maximale Haftreibung übersteigt. Ändern Sie die Masse, um zu sehen, wie die Gewichtskraft F_G = m·g und die Reibung mit ihr zunehmen; ändern Sie die Unterlage (Eis, Holz, Beton, Gummi), um die Rauigkeit zu vergleichen; Kraftpfeile zeigen, dass sich beide Kräfte das Gleichgewicht halten, solange der Klotz ruht.

Lektion: Kräfte und ihre Wirkungen; Federdehnung; Kraftmessung mit dem Kraftmesser; Gewichtskraft und Masse; Reibung

Was sie zeigt

Ein Kraftmesser funktioniert, weil die Dehnung seiner Feder proportional zur wirkenden Kraft ist (hookesches Gesetz); die Skala lässt sich daher in Newton angeben. Zieht der Kraftmesser an einem Block, der liegen bleibt, wächst die Haftreibung genau auf den Wert der Zugkraft an: Beide Kräfte sind im Gleichgewicht, und der Block bleibt in Ruhe. Erst wenn die Zugkraft die maximale Haftreibung μ·F_G übersteigt, beginnt der Block zu gleiten, und die Gleitreibung ist dann etwas kleiner. Die Gewichtskraft beträgt F_G = m·g mit g = 9,81 N/kg, deshalb braucht ein schwererer Block oder eine rauere Unterlage mehr Kraft zum Anfahren.

So funktioniert es

Wählen Sie die Masse des Körpers und eine Unterlage und ziehen Sie den Haken des Kraftmessers langsam nach rechts, während Sie die Anzeige und den Reibungspfeil beobachten. Notieren Sie die größte Kraft, bei der sich der Block noch nicht bewegt, und vergleichen Sie die vier Unterlagen bei gleicher Masse sowie eine Unterlage bei verschiedenen Massen. Lassen Sie Kraftpfeile anzeigen eingeschaltet, damit die Lernenden zwei gleich große, entgegengesetzte Kräfte am ruhenden Block sehen, und nutzen Sie Pause zum Ablesen.

Einstellbare Parameter

  • Masse des Körpers 0,2–5 kg
  • Unterlage Eis (sehr glatt), Holz, Beton, Gummimatte (sehr rau)
  • Anfängliche Zugkraft 0–50 N
  • Kraftpfeile anzeigen

Fragen zum Erkunden

  1. Sie ziehen mit 3 N, und der Block bewegt sich nicht. Wie groß ist die Reibungskraft, die auf ihn wirkt?
  2. Wie ändert sich die Kraft, die den Block auf Holz ins Gleiten bringt, wenn Sie die Masse verdoppeln?
  3. Auf welcher Unterlage genügt die kleinste Zugkraft zum Gleiten, und was sagt das über ihre Reibungszahl aus?

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