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Protokoll der Physikstunden am 28. und 29.08.2002

Bewegungslehre
- Einführung -

Anfangs wurde ein Gedankenexperiment durchgeführt, anhand dessen einige grundsätzliche Erkenntnisse über physikalische Experimente gewonnen wurden.

An einem Reifen wird ein Lichpunkt (Leuchtdiode o. ä.) befestigt. Welches Bild erhält man, wenn man die gleichmäßige Bewegung mit einer Fotokamera aufnimmt? Das Bild wird über die gesamte Dauer der Bewegung belichtet, der Lichtpunkt am Rad ist die einzige Lichtquelle.

Der Mensch neigt dazu, vereinfachende Rahmenbedingungen hinzuzufügen. In diesem Beispiel gingen viele (auch ich) davon aus, dass die Kamera an keinem Punkt mit dem Fahrrad verbunden sei und etwas außerhalb steht. Bei physikalischen Experimenten ist es also wichtig, keine Angabe zu übersehen, aber auch keine dazuzudenken.

Folgende Bilder können entstehen:

Die Kamera steht außerhalb, ist also nicht mit dem Fahrrad verbunden.
Man sieht die Bewegung des Fahrrades.

Die Kamera ist mit dem Rahmen verbunden, es wird nur das Rad aufgenommen.
Man sieht nur die Bewegung des Reifens.

Die Kamera wurde direkt am Reifen befestigt.
Man sieht weder die Bewegung des Fahrades, noch die des Reifens.

Jede Beobachtung beruht auf einem eigenem Standpunkt

In der Physik werden deshalb, um einen nachvollziehbaren Bezugsrahmen und einen Maßstab zu erhalten, Koordinatensystem verwendet, um z. B. Bewegungen darzustellen; absolute Bewegung oder absolute Ruhe gibt es nicht.

Untersuchung einer einfachen Bewegung
Umgang mit Messungenauigkeiten

Die konkreten Messungen/Beobachtungen sind dem Protokoll zu entnehmen, das in der Stunde (hoffentlich) von jedem Anwesenden angefertigt wurde.

Physikalische Messungen haben stets Ungenauigkeiten, daher werden grundsätzlich Kontrollmessungen durchgeführt. Ausnahmen von diesem Grundsatz sind nur sehr teure Experimente und natürlich einmalige Experimente, wie z. B. eine Atomdetonation. Bei jeder Messung wird ein Messprotokoll erstellt, in das alle Ergebnisse unverändert eingetragen werden.

In der grafischen der protokollierten Messungen kann die Messungenauigkeit durch einen Fehlerbalken dargestellt werden. So kann, im Rahmen der Messungenauigkeit, eine Ausgleichsgerade eingezeichnet werden, die alle Punkte verbindet. Die Ausgleichsgerade verwendet dafür auch die Fehlerbalken.

Werden in gleichen Zeiten gleiche Strecken zurückgelegt, so spricht man von einer gleichförmigen Bewegung. Im Messprotokoll wird so eine gleichförmige Bewegung durch die Ausgleichsgerade sichtbar. Es wurde ein Bewegung von ca. 21 cm in 2 s beobachten. Die Geschwindigkeit ist daher ungefähr V = 10 cm/s.
Die Ergebnisse werden von der Ausgleichsgeraden, nichts von den Tabellenwerten abgelesen, da in der Ausgleichsgeraden schon die Fehlermöglichkeiten berücksichtigt wurden. Die Ergebnisse werden

  1. von einem möglichst weit "rechts" gelegenen Punkt und
  2. von einem leicht zu messenden Punkt (Hilfslinien, Karomuster) abgelesen.

Beispielrechnung:
V = 100 cm : 9,1 s = 10,99 cm/s
Physikalische Größen bestehen aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit!

Nachkommastellen werden aufgrund folgender Überlegungen angegeben:

  1. Wie genau waren die Messungen (Messungenauigkeit)
  2. Wie groß ist die Ableseungenauigkeit?
  3. Wie groß ist die sich daraus ergebende prozentuale Abweichung?

In unserem Beispiel gehen wir von einer Messungenauigkeit von 0,2 s und einer Ableseungenauigkeit von 0,1 s aus. Auf den Ablesewert von 10 s ergibt sich so eine prozentuale Abweichung von 3 % (0,3 s/10 s). Für die obige Rechnung wäre das Ergebnis nur mit V = 11,0 cm/s sinnvoll angegeben. Die eine Nachkommastelle zeigt, wie genau das Ergebnis ist. In der Physik ist die Unterscheidung wichtig, obwohl es mathematisch keinen Unterschied darstellt.

Zur endgültigen Angabe von V sind also folgenden Schritte notwendig:

  1. Genauigkeit der Messung und der Ablesung berücksichtigen
    hier: 0,2 s Messfehler; 0,1 s Ablesefehler; also ca. 0,3 s Zeitfehler
  2. Prozentuale Ungenauigkeit berechnen
    hier: bei 10 s wurde abgelesen, der Zeitfehler beträgt also 3 %
  3. Ungenauigkeit auf das Ergebnis umrechnen
    hier: 3 % von 10,99 cm/s sind 0,3 cm/s
  4. Berechnete Ungenauigkeit anwenden
    hier: Genauer als 11,0 cm/s kann V nicht angegeben werden.

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