Physikalisches Anf¨ angerpraktikum der Universit¨ at Heidelberg - Praktikum I Versuch 15 Schiefe Ebene
Versuch 15 Schiefe Ebene
Abbildung 1: Aufbau des Versuchs schiefe Ebene.
I Messaufbau
• h¨ohenverstellbare Rollbahn
• Lichtschranken mit Steuerger¨at
• Wasserwaage
• Lineal
• Rollk¨orper
– Vollzylinder (Aluminium, ρ = 2, 70 g/cm
3) – Hohlzylinder (Messing, ρ = 8, 44 g/cm
3)
– Verbundzylinder: Mantel aus Aluminium, Kern aus Messing.
• Schieblehre
• Waage
II Literatur
• W. Walcher, Praktikum der Physik, B.G.Teubner Stuttgart,
• Standardwerke der Physik: Gerthsen, Bergmann-Sch¨afer, Tipler.
• Homepage des Praktikums:
http://www.physi.uni-heidelberg.de/Einrichtungen/AP/.
III Vorbereitung
Bereiten Sie sich auf die Beantwortung von Fragen zu folgenden Themen vor:
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Gewichtskraft, Gleitreibung, Rollrei- bung, Drehmoment, Drehimpuls, Tr¨agheitsmoment, Impuls, Impulserhaltung, mechanische Energieformen, Energieerhaltung.
Verst¨ andnisfragen:
1. Berechnen Sie das Tr¨agheitsmoment f¨ ur folgende K¨orper, die um ihre Sym- metrieachse rotieren.
• Vollzylinder
• Hohlzylinder
• Verbundzylinder: Mantel und Kern aus unterschiedlichen Materialien F¨uhren Sie die Rechnung durch Integration aus der allgemeinen Definition des Tr¨agheitsmoments durch.
2. Ein
” reibungsfreier“ Quader, ein Vollzylinder, ein Hohlzylinder und eine Vollkugel mit jeweils gleichen Radien, gleiten bzw. rollen eine geneigte Ebe- ne hinunter. Vergleichen Sie die Bewegungen miteinander. Welcher K¨orper kommt als erstes
” unten“ an?
3. Ein
” reibungsbehafteter“ Quader soll durch Oberfl¨achenbehandlung so ge- trimmt werden, dass seine Beschleunigung an einem um 10
◦gegen die Ho- rizontale geneigten Hang genauso groß ist wie die eines Vollzylinders. Auf welchen Wert m¨usste man die Gleitreibungszahl dann einstellen? (Tipp:
neben der Hangabtriebskraft wirkt auf den Quader die Gleitreibungskraft.)
c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anf¨angerpraktikum - V. 0.1 Stand 07/2011
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Physikalisches Anf¨ angerpraktikum der Universit¨ at Heidelberg - Praktikum I Versuch 15 Schiefe Ebene
IV Aufgaben
• Bestimmung der Beschleunigung auf einer schiefen Ebene f¨ur verschiedene Rollk¨orper.
• Untersuchungen zum Energieerhaltungssatz
V Grundlagen
f
r F
rF
HAbbildung 2: Zur Herleitung der Beschleunigung auf der schiefen Ebene.
Die Reibungskraft F
r(Haftreibungskraft) eines Rollk¨orpers am ” Hang“bewirkt am Radius r das Drehmoment
M = F
R· r = I dω
dt . (1)
Dabei ist ω die Winkelgeschwindigkeit und I das Tr¨agheitsmoment des rollen- den K¨orpers. Mit der Rollbedingung v
s= rω, wobei der Index ” s“ auf den Schwerpunkt verweist, l¨asst sich diese Gleichung wie folgt umformen:
M = F
R· r = I r
dv
sdt = I
sr · a
s(2)
und somit
F
R= I
r
2· a
s. (3)
Auf den Schwerpunkt des rollenden K¨orpers wirken Hangabtriebskraft F
Hund Reibungskraft in entgegen gesetzte Richtung:
ma
s= mg sin ϕ − F
R(4)
Die Gleichungen (3) und (4) erlauben die Eliminierung der Reibungskraft:
ma
s= mg sin ϕ − I
r
2· a
s(5)
und man erh¨alt f¨ ur die Beschleunigung des Schwerpunkts:
a
s= mg sin ϕ m +
rI2. (6)
VI Durchf¨ uhrung des Versuchs
Machen Sie sich zun¨achst mit der Zeit-Messtechnik vertraut. Schließen sie den am Startmechanismus angebrachten Schalter an den Starteingang der Uhr an.
Die Stopp-Eing¨ange der Uhr werden durch die vier Lichtschranken geschaltet.
Die Lichtschranken bestehen jeweils aus einem Sender (Infrarot-Leuchtdiode) und einem Empf¨anger (Infrarot-Photodiode), die beide jeweils an einen gemeinsamen Kanal der Lichtschrankenbox anzuschließen sind. Der Ausgang jedes Kanals wird dann mit dem entsprechenden Stopp-Eingang der Uhr verbunden. Die Leuchtdioden an der Lichtschrankenbox zeigen jeweils an, ob die Lichtschranken
” scharf“ sind, das heißt, ob die Photodiode hinreichend von der gegen¨uber platzierten Leuchtdiode angestrahlt wird.
1. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau
2. Vermessung der schiefen Ebene und der Probek¨ orper
F¨ur die folgenden Untersuchungen an der geneigten Ebene m¨ ussen die Versuchsk¨orper genau vermessen werden. Verwenden sie zur Bestimmung des Durchmessers einen Messschieber. Ermitteln Sie auch die Masse der Versuchsk¨orper.
Uberpr¨ ¨ ufen Sie mit der Wasserwaage ob die geneigte Ebene ¨ uber die gesamte Breite die gleiche Neigung aufweist. Falls dies nicht der Fall ist, m¨ ussen Sie die Ebene nachjustieren, indem Sie die H¨ohe einer der ” F¨ uße“ nachstellen. Die Platte ist sehr schwer. F¨uhren Sie dies daher am besten zu zweit durch. Einer st¨utzt die Platte, der andere l¨ost die beiden seitlichen Schrauben und variiert die L¨ange der Stahlstange.
Uberlegen Sie sich genau, welche L¨ange und H¨ohe Sie messen m¨ ¨ ussen, um den Neigungswinkel der Ebene ausrechnen zu k¨onnen (Abbildung (3)).
c Dr. J.Wagner - Physikalisches Anf¨angerpraktikum - V. 0.1 Stand 07/2011
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s
h
Rollkörper
Lichtschranke Rollkörper