Physik-LK · Skript PL1 · Schwingungen
Energie beim Federpendel
Beim waagrechten Federpendel wird ständig Spannenergie 12 D x² in kinetische Energie 12 m v² umgewandelt und zurück. Ohne Reibung bleibt die Summe gleich: Eges = 12 D x² = 12 m v².
So gehst du vor
- 1Stelle Masse und Federhärte ein. Ziehe den Wagen mit dem Finger zur Seite und lass ihn los, oder nimm den Regler und „Loslassen“.
- 2Beobachte die Balken: Blau ist die Spannenergie, Rot die kinetische Energie, der rechte Balken ist die Summe. „Anhalten“ friert die Bewegung ein, „Weiter“ lässt sie weiterlaufen, „Von vorn“ hält den Wagen wieder fest.
- 3Vergleiche die Energie über der Zeit und über dem Ort mit der Bewegung des Wagens.
- 4Miss für mindestens fünf Amplituden v mit der Lichtschranke, trage die Werte ein und werte erst dann aus.
- 5Schalte die Reibung zu und verfolge, wohin die Energie geht.
Lichtschranke: Geschwindigkeit
–,––– ms
Periodendauer
0,628 s
Masse m
0,30 kgFederhärte D
30 NmAmplitude x
20 cmDie Lichtschranke misst beim Durchgang durch die Gleichgewichtslage. Die Geschwindigkeit dort ist v. In der Zeitlupe läuft nur die Anzeige langsamer, gemessen wird dasselbe.
Energie über dem Ort
Blaue Parabel: Spannenergie an jedem Ort. Gestrichelt: Anfangsenergie. Die senkrechte Säule steht am Ort des Wagens: Der blaue Teil ist die Spannenergie, der rote Teil die kinetische Energie. Der Wagen kehrt dort um, wo die Parabel die Energielinie erreicht.
Messung: Energie und Amplitude
Ohne Reibung messen. Im Diagramm: Ekin = 12 m v² über x². Beim Ändern von m oder D beginnt die Tabelle neu.
| Nr. | Amplitude x in cm | v in ms |
|---|
Aufträge
- Berechne für D = 30 Nm, m = 0,30 kg und x = 20 cm die Gesamtenergie und daraus v. Vergleiche mit der Lichtschranke.
- Wie oft pro Periode ist die Spannenergie am größten? Lies aus dem Diagramm ab, mit welcher Frequenz die Energien pendeln.
- An welchem Ort sind Spannenergie und kinetische Energie gleich groß? Rechne und prüfe mit „Anhalten“ im Diagramm über dem Ort.
- Verdopple die Amplitude. Was passiert mit der Gesamtenergie, mit v und mit der Periodendauer?
- Bestimme D aus der Messung und vergleiche mit dem eingestellten Wert.
- Schalte die Reibung zu. Bleibt die Summe im rechten Balken gleich? Was ändert sich an den einzelnen Beiträgen?
Theorie: Schwingungs-Skript, Abschnitt „Energieerhaltung beim Federpendel“.