Vorschaubild Akustische Bestimmung der Erdbeschleunigung
Unterrichtsbaustein

Akustische Bestimmung der Erdbeschleunigung

SchülerInnen entwickeln einen Versuchsaufbau zur Bestimmung der Erdbeschleunigung über die akustische Bestimmung der Fallzeit (App Phypox).

Arne Sorgenfrei
Ole Koch
15. November 2018
15.11.2018

1. Einstieg

Ziele

Dieser Baustein beinhaltet die Durchführung und Auswertung eines funktionsfähigen Versuchs zur akustischen Bestimmung der Erdbeschleunigung sowie die experimentelle Anwendung des Strecke-Zeit-Gesetzes der gleichmäßig beschleunigten Bewegung.

Fachkompetenzen

Experimentieren (Versuch funktionsfähig aufbauen, durchführen, auswerten)
Bewerten (Fachwissenschaftlich argumentieren)

Kompetenzen in der digitalen Welt
  • Auswerten und Bewerten
  • Werkzeuge bedarfsgerecht einsetzen
Medienausstattung

Für diesen Unterrichtsbaustein sollte für eine Kleingruppe 1 Gerät (Smartphones oder Tablets inkl. der App phyphox oder ein PC/Laptop mit dem Programm Audacity) vorhanden sein.

2. Details

Informationen zum Unterrichtsgegenstand

Unterrichtsgegenstand ist der "freie Fall" bzw. die Bewegungsgesetze der gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Das Strecke-Zeit-Gesetz für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung lautet s = 1/2 a t² bzw. hier s = 1/2 g t². g ist dabei die hier zu bestimmende Erdbeschleunigung von 9,81 m/s². Durch Umstellen der Bewegungsgleichung lässt sich g über die experimentell zu ermittelnden physikalischen Größen Strecke s und Zeit t rechnerisch bestimmen.

Beschreibung des Unterrichtsbausteins

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln einen Aufbau zur Bestimmung der Erdbeschleunigung und führen diesen durch. Dabei wird jeweils mithilfe von akustischen Signalen die Fallzeit einer Kugel aus einer bestimmten Höhe bestimmt. Mithilfe des Strecke-Zeit-Gesetzes und der bestimmten Fallzeit und Fallhöhe wird die Erdbeschleunigung bestimmt. Um die genaue Start- und Endzeit des Falls zu dokumentieren, bedient man sich akustischer Signale zu Beginn und zum Ende des Falls. Diese Signale werden über das Smartphone (App Phyphox) oder über das Mikrofon eines Laptops/PCs (Programm Audacity) aufgenommen. Die Signale können über verschiedene Aufbauten sinnvoll erzeugt werden:
1. Man hängt das Massestück an einen Luftballon, der an Stativmaterial fixiert ist. Durch Platzen des Luftballons (erstes akustisches Signal) fällt das Massestück herunter. Der Aufprall auf den Boden liefert das zweite akustische Signal. Um das Signal beim Aufprall zu verstärken, kann man die Kugel auf einer Metallplatte aufkommen lassen. Das Mikrophon sollte in der Mitte der Fallhöhe liegen, um Messfehler bzgl. der Schallgeschwindigkeit gering zu halten.
2. Man kann eine Kugel zu Beginn des Versuchs an den Rand der Tischkante legen und durch einen Stoß mit einer zweiten Kugel (akustisches Signal) vom Tisch befördern. Schwierigkeiten bei diesem Aufbau könnten sein, dass das Signal des Stoßes zu leise für die Aufnahme ist, man die erste Kugel mit der zweiten verfehlt oder dass letztlich beide Kugel vom Tisch herunterfallen und so mehrere Signale erfolgen, die man in der Auswertung einordnen muss.
3. Man kann den Aufbau so wählen, dass ein Lineal mit einem kleinen Loch so auf den Tisch gelegt wird, dass das Lineal inkl. Loch wie eine Art Sprungbrett über den Tisch hinausschaut. Die Kugel wird in das Loch des Lineals gelegt, sodass sich die Kugel in einer bestimmten Höhe über dem Boden befindet. Nun kann man das Lineal z.B. mithilfe eines Stifts anstoßen (akustisches Signal), sodass sich die Kugel aus dem Loch löst und herunterfällt.
4. Wenn man der digitalen Auswertung einer analogen gegenüberstellen möchte, könnte man den Versuch mit Tennisball, Maßband und Stoppuhr im Treppenhaus durchführen.

Bildungsplanbezug

Die Schülerinnen und Schülern erläutern den Begriff „freier Fall“. Die Schülerinnen und Schülern unterscheiden gleichförmige und beschleunigte Bewegung. Die Schülerinnen und Schülern stellen die Bewegungsgleichungen s = 1⁄2 at² und v = at dar.

Möglichkeiten der Differenzierung / Individualisierung

Der Arbeitsauftrag ist offen formuliert. Es sind verschiedene Versuchsaufbauten als Lösung möglich. QR-Codes dienen der individuellen Hilfestellung. Es können unterschiedlich komplexe Programme genutzt werden (Audacity oder Phyphox). Der Versuchsaufbau kann bei gleichen Messinstrumenten variiert und auf seine Eignung bewertet werden (siehe methodische Hinweise).