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Messung der Fallbeschleunigung mit der Soundkarte.

Mit Computer und Soundkarte lassen sich zusammen mit dem Programm Goldwave genaue Zeitmessungen durchführen. Die Idee zu diesem Experiment hatte Herrn Dr. Heiß vom Gymnasium Korschenbroich.
Auf den Webseiten der Schule http://home.t-online.de/home/Gymnasium.Korschenbroich/ findet man auch eine Anleitung zu diesem Experiment und weiteren Versuchen mit der Soundkarte.

Es sei dennoch hier kurz vorgestellt , einige Tipps für die praktische Versuchsdurchführung und einen geschickten Aufbau schließen sich an.

1.1.) Versuchsprinzip.

Als fallender Körper dient ein metallischer Testkörper, z.B. eine Münze oder eine Metallmutter. Dieser wird zunächst von einer Wäscheklammer festgehalten, in deren Enden zwei Schrauben eingearbeitet wurden. (vgl. Abbildung)

Diese Wäscheklammer bildet also eine Art "Schalter", den man in die Zuleitung von einer 9V-Blockbatterie zu einem geeigneten Summer legt.

Schaltung

So lange der Testkörper von der Klammer festgehalten wird, ist der Schalter geschlossen und der Summer ertönt.

Wird die Klammer geöffnet, beginnt der Körper zu fallen, der "Wäscheklammer-Schalter" ist nun geöffnet und der Summton hört auf. (Die Klammer bleibt gedrückt, so dass kein Kontakt mehr zustande kommt)
Wenig später prallt der Testkörper auf der Tischplatte auf, was ein Aufschlaggeräusch erzeugt.

Diese Geräusche werden von einem "Computermikrofon" aufgenommen, das an den MIC-Eingang einer Soundkarte angeschlossen wird. Das Mikofon wird dabei in der Nähe des Summers und unmittelbar über der Tischplatte platziert.


1.2.) Beispiel einer Aufzeichnung mit Goldwave.

Aufzeichnung einer Messung

Hier sieht man die Aufzeichnung einer Messung, links ist das Aufhören des Summtons zu erkennen, rechts das Aufprallgeräusch auf der Tischplatte. Die Zeit zwischen diesen beiden Ereignissen ist die Fallzeit des Testkörpers.
( Eine Anleitung zum Arbeiten mit dem Programm Goldwave findet man hier).

Während der Aufprall (und damit das Ende der Fallbewegung) gut zu erkennen ist, stellt sich die Frage nach dem Start. Wenn der Stromkreis unterbrochen wird, hört der Ton des Summers natürlich nicht "schlagartig" auf, sondern die Summer-Membran schwingt aus. Wenn man also den Startpunkt möglichst gut finden will, muss man den Punkt suchen, an dem die Summeramplitude gerade abzunehmen beginnt.

Man kann nun die Fallhöhen variieren und jeweils die Fallzeiten messen. So kann man die beschleunigte Fallbewegung untersuchen. Möchte man die Fallbeschleunigung g möglichst genau bestimmen, sollte man mehrere Experimente machen (ggf. auch nur mit einer Fallhöhe) und Mittelwerte bilden.

Als Auswertprogramm eignet sich auch Audacity hervorragend. Das Programm ist Freeware und für Windows, Mac und Linux erhältlich.

Wir haben das Programm hier vorgestellt.


1.3.) Praktische Hinweise zum Aufbau.

Die nötigen Vorrichtungen für das Experiment kann man leicht selbst basteln. Vielleicht können dies sogar Schülerinnen und Schüler nach einer Anleitung durch den Lehrer durchführen.

Haltevorrichtung.

Als Halteklammern eignen sich notfalls stabile Wäscheklammern aus Holz. Noch besser geeignet sind auch die etwas größeren, hölzernen Reagenzglasklammern, die man im Lehrmittelhandel für Chemieausrüstung - z.B. bei der Firma Hedinger in Stuttgart - bekommt. Besonders geeignet ist die Nr. 61. Eine solche Reaganzglasklammer kostet etwa 1 Euro. (Staffelpreise Stand Ende 2008)

eine Polklemme

Eine sehr einfache und haltbare Lösung ist in die Reagenzglashalter Nr. 61 Polklemmen (Laborbuchsen mit Gewinde) einzubauen. Dazu bohrt man, am besten auf einer Standbohrmaschine, ein 4 mm Loch im Bereich der Öffnung durch beide Klammerhälften. Das Buchenholz ist stabil genug, dass die Klammer nicht bricht.
Von beiden Seiten her werden dann Polklemmen mit M4 Gewinden eingeschraubt, wobei eine Haltemutter außen und eine in der Öffnung liegt (vgl. Foto Mitte).
Ich habe dazu 30 mm lange Polklemmen verwendet, wie man sie z.B. bei Conrad unter der Nummer 734624 bekommt, es eignet sich auch die PKI10A von Mükra Elektronik. Die Gewindelänge sollte mindestens 15 mm betragen. Kürzer sollten die Polklemmen nicht sein, länger wäre kein Problem, ein Teil des Gewindes bleibt dann eben außen an der Klammer.
Wenn man beide Muttern gegeneinander anzieht, hält die Polklemme hervorragend.
Die beiden Schraubgewinde der Polklemmen berühren sich - bei den verwendeten Polklemmen - dann in der Mitte gerade doch nicht, es ist ein Spalt von etwa 1 - 2 mm dazwischen (vgl. Foto Mitte).
Evtl. kann man auch noch Distanzscheiben unterlegen, wenn die Gewinde zu lange sein sollten.

In diese Öffnung kann man dann - quer - eine Münze einklemmen, die den Kontakt schließt. Es passen alle gängigen Münzen dazwischen. So wird der Schaltkontakt geschlossen (vgl. Foto unten).
Wird die Klammer ausgelöst, so fällt die Münze. Der Kontakt wird nicht wieder geschlossen, auch wenn die Klammerhälften wieder zusammen kommen, denn es ist ja ein Spalt zwischen den Polklemmen.

Die Polklemmen lassen sich mit normalen Laborkabeln mit dem Summer verbinden. So können keine Lötstellen abreißen und es "vertorken" sich keine Kabel, wenn man mehrere Klammerschalter in einer Kiste aufbewahrt.

Der bastlerische Aufwand für diesen Klammerschalter ist wirklich minimal, wenn man die richtigen Teile dazu hat. Ein Klammerschalter ist in weniger als zwei Minuten gebaut und man muss nicht löten.
Notfalls lassen sich die Löcher auch mit dem Akkuschrauber bohren, man sollte nur darauf achten, dass man möglichst senkrecht bohrt. Wenn man "in einem Rutsch" durch beide Hälften bohrt, stehen sich die Gewinde der Polklemmen auf jeden Fall gegenüber.

Die Polklemmen bekommt man im Elektronikhandel (vgl. Quellen für Elektronikteile)

Aufbau des Klammerschalters
Klammerschalter mit Münze

Summer und Quelle in einem Gehäuse.

Für den prakischen Einsatz (insbesondere in einem Praktikum) sollte der Aufbau möglichst wenig Fehlerquellen enthalten. Daher ist folgende Anordnung sehr geeignet:
Man besorgt sich ein kleines Kunststoffgehäuse mit Batteriefach für einen 9V-Block, das z.B. unter der Nummer 524050 (weiß) oder 523992 (schwarz) bei Conrad erhältlich ist. Diese Gehäuse bietet auch noch Platz für einen kleinen Summer, den Batterieclip und zwei Laborbuchsen.
An diese beiden Buchsen wird der "Wäscheklammerschalter" angeschlossen. Im Mustergerät wurden die Buchsen so angeordnet, dass eine Kurzschlußbrücke von Phywe dazwischen passt (Mittenabstand 2,0 cm).
Man kann so die Funktion von Batterie und Summer einfach testen und eine entladene Batterie schnell feststellen. Es gibt dann auch keine Probleme mit falsch angeschlossenen Summern, denn bei diesen muß man auf die Polung achten! Der Summer sollte für die Spannung von 9 Volt geeignet sein. Ein 12 Volt Summer funktioniert meist im Spannungsbereich von 8V bis 16 V.

Summer von oben Summer von unten

Ein Aufbauvorschlag wird aus den Aufnahmen deutlich. Das Batteriefach, hier mit einem 9V-Akku-Block, wird normalerweise mit einem Deckel geschlossen.

Computermikrofon.

Computermikrofone sind im Elektronikhandel für etwa 3 - 5 Euro zu bekommen. Sie werden einfach an den MIC Eingang der Soundkarte angeschlossen. Vor dem Durchführen des Experiments sollte man sich vergewissern, dass auch der richtige Eingang der Soundkarte aktiviert ist ( vgl. Hinweise zum Umgang mit dem Programm Goldwave)

Zusammen sind mit Kosten von etwa 15 Euro je Messeinrichtung (Summerbox, Klammerschalter und Computermikrofon) zu rechnen.


2.) Erfahrungen aus der Praxis.

2.1.) Durchführung in einem Praktikum in der Schule.

Die Durchführung des Experiments in einem Schülerpraktikum ist völlig unproblematisch. Man muss lediglich vor Beginn der Messungen kurz durch Überbrücken der beiden Buchsen überprüfen, ob die Batterien im Summergehäuse noch einsatzfähig sind.
Das Mikrofon wird an den Micro-Eingang eines Computers angeschlossen und nahe beim Summer platziert. Dies ist erforderlich, damit das Tonsignal mit der nötigen Intensität aufgezeichnet wird, so dass man gut erkennen kann, wann die Amplitude abnimmt.
Diesen Zeitpunkt gut zu finden ist der größte Fehlerfaktor bei der Messung. Den Zeitpunkt des Aufpralls festzustellen ist weniger schwierig, er hebt sich deutlich ab.

In meinen Experimenten mit verschiedenen Klassen habe ich sechs Laptops (=sechs Gruppen) eingesetzt, auf denen das Freeware-Tonaufzeichnungsprogramm Audacity installiert war.
Jede Gruppe erhielt zusätzlich ein Computermikrofon, eine Summerbox, einen Klammerschalter und eine Messlatte.
Ich war am Anfang skeptisch, ob eine solche Gruppenarbeit in einem Raum überhaupt durchführbar ist und ob sich die Gruppen akustisch nicht zu sehr stören.
Diese Befürchtung erwies sich aber als unbegründet, es geht ohne Probleme.
Wahrscheinlich wären auch acht Gruppen möglich, wenn man die Rechner und das Material dazu hat.

Als Fallkörper werden Münzen aus den Geldbörsen der Schüler verwendet. Dabei ist es für die Schülerinnen und Schüler auch sehr lehrreich nicht nur die Fallzeiten in Abhängigkeit von der Höhe für eine Münze zu messen, sondern dieselbe Messreihe z.B. einmal für eine 1 ct Münze und einmal für eine 2 Euro Münze aufzunehmen.
Man muss dann allerdings darauf achten, dass die Unterkanten der Münzen den gleichen Abstand von der Tischoberfläche haben, d.h. man muss die Halteklammer ggf. nachjustieren, weil die Münzen ja unterschiedliche Durchmesser haben.

Die Schülerinnen und Schüler waren doch sehr überrascht, dass hier im Rahmen der Messgenauigkeit für gleiche Fallstrecken auch die gleichen Zeiten herauskommen -das hatten sie nicht erwartet.
Bei Fallhöhen von weniger als 1 m spielt der Luftwiderstand tatsächlich praktisch keine Rolle.

Alternativ dazu könnte jede Gruppe auch nur eine Experimentreihe durchführen und verschiedene Gruppen mit verschiedenen Münzen arbeiten. Danach trägt man die Ergebnisse dann zusammen und vergleicht.

2.2.) Durchführung als Heimexperiment.

Herr Klaus J. Koch vom Amt für Lehrerbildung in Gießen hat die Erfahrung gemacht, dass viele Lehrerinnen und Lehrer die Bastelarbeit scheuen und er hat sich Gedanken gemacht, wie es auch ohne Klammerschalter und Summer gehen könnte:

Versuchsanordnung von Klaus J Koch

"Nach mehrjährigem Nachdenken kam mir die Idee, wie man aus dem Korschenbroicher Konzept einen wirklichen Freihandversuch machen kann:
man muss einfach dafür sorgen, dass beim Beginn des freien Falls auch ein kurzes Geräusch erzeugt wird.
Und das ist zum Glück gar nicht so schwer: man legt das Objekt, das den Fall ausführen soll, überhängend auf irgendetwas, das auch mal einen Schlag aushält, z.B. einen Karton, notfalls auch auf die Muffe eines Leybold-Stativs.
Und dann führt man mit einem Hammer (oder was immer man gerade griffbereit hat) einen kurzen, aber heftigen Schlag auf den Karton aus, so dass der daraufliegende Gegenstand nicht mehr unterstützt wird, herunterfällt und seinerseits einen Aufschlag erzeugt. Und schon hat man zwei abklingende Geräusche (Knall?), von denen man die Startzeiten subtrahieren muss. Und das macht jedes Tonaufzeichnungsprogramm. Es genügt das eingebaute Mikrofon des Notebooks. So kann jeder Schüler den Versuch auch zu Hause durchführen."

So könnte dann das Ergebnis einer solchen Aufzeichnung aussehen:
links erkennt man das Signal, das vom auslösenden Schlag herrührt. Wenn der Gegenstand wirklich sofort mitfällt, dann ist der Beginn dieses Signals auch der Fallbeginn. Das rechte Signal rührt vom Aufschlag her. Die Zeit, die zwischen dem Beginn des jeweiligen Tonsignals vergangen ist, ist dann die Fallzeit.

Beispiel einer Aufzeichnung

Herrn Kochs Wave-Datei zum Herunterladen. Wave-Datei

In einem Praktikum wäre ich mir nicht sicher, ob bei dieser Art der Messung sich verschiedene Schüler nicht akustisch zu sehr stören. Bei einem Heimversuch besteht dieses Problem natürlich nicht.

Eine mögliche Komplikation dieses Konzeptes könnte in der Halterung bestehen:
muss man den Schülerinnen und Schülern Stativmaterial mit nach Hause geben, dann fehlt dieses in der Schule. Stativmaterial wird ja bei den unterschiedlichsten Experimenten benötigt und ist in der Schule eigentlich immer knapp, während das Fehlen der Summer und Klammerschalter sicher nicht bemerkt würde, wenn man sich bei Parallelklassen abspricht.
Natürlich kann man den Versuch mit Summer und Klammerschalter auch Zuhause durchführen. Hierfür benötigt man nicht unbedingt Stativmaterial, denn die Münze wird ja von der Klammer gehalten, die ihrerseits von der Hand gehalten wird.
Da einzige Problem, das ich in diesem Falle sehen würde, ist, dass die Schüler die Summer sicherlich extensiv nutzen und so die Batterien schnell verbraucht sind ;-)

Auf jeden Fall sind wir (sowohl Herr Koch als auch ich) an ihren eigenen Erfahrungen mit diesen Experimenten interessiert. Schreiben Sie einfach an die Fachgruppe Physik am Landesbildungsserver (siehe Link unten).

Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg


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