MINDSTORMS EV3 Set

Beschleunigung der Schwerkraft

In der Lerneinheit "Freier Fall" wird das "Weg-Zeit-Gesetz" in den Vordergrund gestellt.

90-120 Min.
Fortgeschrittene
Klassen 5–8
acceleration-of-gravity-connect

Verknüpfen

(5 Minuten)

acceleration-of-gravity-connect

Beim freien Fall geht es um Objekte, die wegen der Schwerkraft "auf die Erde fallen", wie z.B. ein Stein, eine Münze oder Fallobst.

Dabei ist interessant:
welche Strecke ein Objekt im freien Fall zurücklegt,
wie lange ein Objekt fällt, bis es auf der Erde auftrifft,
mit welcher Geschwindigkeit ein Gegenstand fällt,
mit welcher Beschleunigung sich ein Gegenstand bewegt.

Im nachfolgenden Experiment wird ein Fallturm mit geeigneten Sensoren gebaut und untersucht, welche Phänomene der Schwerkraft beim "Freien Fall" einer Stahlkugel beobachtet und abgeleitet werden können.

Hinweise zu Vorüberlegungen
Erkläre, warum es gefährlich ist unter einem Baum mit reifen Äpfeln zu sitzen.
Äpfel könnten herunterfallen und man kann gar nicht schnell genug reagieren, ohne getroffen zu werden.

Begründe, warum ein Mensch einen Fallschirm braucht, wenn er aus großer Höhe aus einem Flugzeug abspringt. Weil er sonst zu schnell fallen und auf dem Boden aufschlagen würde.

Nenne Alltagsereignisse, bei denen die Gravitation (Anziehungskraft der Erde) eine Rolle spielt. Bei allem, was "herunter fällt", beim Fließen des Wassers, beim Bewegen/Laufen auf der Erdoberfläche…

Umsetzen

(20 Minuten)

Hinweise zum Bauen
Achten Sie darauf, dass die Lernenden den Fallturm richtig bauen und das bereitgestellte Programm korrekt übertragen.

acceleration-of-gravity-bi

Programm „10“ herunterladen

BEISPIELPROGRAMM HERUNTERLADEN 23 kB, erfordert EV3 Desktop-Software

Begreifen

(20 Minuten)

Hinweise zur Nutzung des Modells

  • Der Berührungssensor ist hinten am Fallturm befestigt. Damit wird ein Fall-Experiment ausgelöst.
  • Der Greifer wird automatisch wieder geschlossen für ein nächstes Experiment.
  • In der Anzeige des EV3-Steins wird die Fallzeit dargestellt.
  • Überprüfe, ob das Modell korrekt gebaut wurde.
  • Stelle das Modell auf eine feste und ebene Oberfläche. 
  • Der Turm darf nicht wackeln, wenn die Kugel losgelassen wird.
  • Der Berührungssensor kann gegebenenfalls auch als manuelle Fernbedienung in der Hand gehalten werden. Damit lassen sich evtl. eine Erschütterung des Turms und ungültige Versuche vermeiden.
acceleration-of-gravity-fullmodel

Experimentieren - Messen

  1. Starte das Programm "10".  
  2.  Lege die Kugel in den geschlossenen Greifer.
  3.  Starte einen Versuch mit dem freien Berührungssensor am Fallturm.

Das passiert:
Die Kugel fällt herab auf den Berührungssensor am unteren Ende des Fallturms.
In der Anzeige wird die Fallzeit angezeigt.
Der Greifer schließt sich und du kannst das Experiment wiederholen.

Fehlversuche werden mit einem schlecht gelaunten Smiley angezeigt.

Führe den Versuch mindestens dreimal durch.
Notiere die Versuchsnummern und Fallzeiten in der Tabelle. Erweitere die Tabelle, falls nötig.

Achten Sie darauf, dass die Lernenden das Experiment mehrfach durchführen und die Ergebnisse in der bereitgestellten Tabelle eintragen.
Weisen Sie die Lernenden darauf hin, dass die notierten Messergebnisse für nachfolgende Aufgaben verwendet werden.

Erweitern

(15 Minuten)

Analysieren

Du kennst die Fallstrecke s und die Fallzeiten t.

  1. Berechne aus den gemessenen Fallzeiten die
    Durchschnittsgeschwindigkeit v der fallenden Kugel.
  2. Trage die Ergebnisse in die Tabelle ein.

Zur Erinnerung: v = s/t

Laut Fallgesetz gilt: s = 0,5 * g * t².

g ist eine Naturkonstante und bezeichnet die Gravitationskonstante oder Erdbeschleunigung.

  1. Löse die Formel für das Fallgesetz nach g auf.
  2. Berechne die Gravitationskonstante aus den Werten deiner Versuche.
  3. Trage die berechneten Werte von g in die Tabelle ein.

Fordern Sie die Lernenden auf, aus den notierten Messwerten weitere Berechnungen anzustellen.

Bei der errechneten Geschwindigkeit handelt es sich um die Durchschnittsgeschwindigkeit und nicht um die Aufprallgeschwindigkeit.

Aus unterschiedlichen Messwerten ergeben sich unterschiedliche Werte für die Gravitationskonstante. Informieren Sie die Lernenden über mögliche Messfehler.

Weisen Sie die Lernenden darauf hin, dass die Gravitationskonstante für ein angenommenes Vakuum auf der Erde gilt.

Rückschau
Berichte, was du gelernt hast

  • Ausgangssituation und Fragestellung (Thema)
  • Antworten (Zusammenhänge herstellen)
  • Schlussfolgerungen (Verallgemeinerung)
  • Alltagsbezug (Wo finden oder nutzen wir das Beobachtete im Alltag?)

Unterstützung für Lehrkräfte

Die Lernenden wissen, dass
und wie man die Gravitationskonstante bestimmt
es Fallgesetze gibt, die für alle Objekte gelten

Die Lernenden können
Messwerte erfassen
Messwerte analysieren
Ergebnisse interpretieren
Zusammenhänge erkennen zwischen eingesetzten Materialien und deren Wirkung auf die Ergebnisse

Experimentbezogene Kompetenzen
Umgang mit dem LEGO-Tastsensor
Ableitung der Normalbeschleunigung aus den Versuchen

LEGO® MINDSTORMS® Education "Basis-Set" (45544)
EV3 Software oder Programmier-App
evtl. Metermaß

Materialien für Schülerinnen und Schüler

Das Schülerarbeitsblatt kann als HTML-Seite oder druckbare PDF-Datei heruntergeladen, angezeigt oder weitergeleitet werden.