Das Federpendel (Feder-Masse-System).

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Dieses Java-Applet ist die virtuelle Entsprechung des Federpendels (Feder-Masse-System). Es dient der visuellen Unterstützung bei der Erarbeitung der Theorie des Experimentes. Man kann mit ihm aber auch die Abhängigkeiten selbst erforschen oder das Experiment virtuell nachbereiten.

Fragen / Aufgaben:

1.) Die Auslenkung.

Ein Massenstück (Kugel) wird aus der Gleichgewichtslage um eine Strecke Â nach unten ausgelenkt und losgelassen.

Belasse zunächst die Grundeinstellungen und klicke auf "Start".

Zwischen welchen Markierungen schwingt die Kugel hin und her?

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Ändere die Auslenkung Â auf 0,05 m.

Zwischen welchen Markierungen schwingt die Kugel nun hin- und her?
Hat die Auslenkung eine Auswirkung auf die Periodendauer T und die Frequenz f der Schwingung?
Mit welcher Funktion würdest Du die Schwingungskurve s(t) mathematisch beschreiben?

(Tipp: Denke an die Anfangsbedingungen. Bei t = 0 ist die Auslenkung -Â.)

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2.) Was beeinflusst die Schwingungsfrequenz?

Verändere nun die Masse der Kugel m. (Lasse die Federhärte konstant)

Schwingt das System schneller oder langsamer, wenn man die Kugelmasse m vergrößert?

Verändere nun die Federhärte D. (Lasse die Masse der Kugel konstant)

Schwingt das System schneller oder langsamer, wenn man die Federhärte D vergrößert?

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3.) Die Geschwindigkeit des Schwingungskörpers.

Lasse die Kugel aus dem untersten Bahnpunkt aus der Ruhe starten.

Wo ist die Geschwindigkeit der Kugel am größten?
Welche Geschwindigkeit hat sie an den Umkehrpunkten oben und unten?
Welche Kurvenfunktion hat das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm?

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Verändere nacheinander die Auslenkung Â, die Federhärte D und die Kugelmasse m.

Wie ändert sich die maximale Geschwindigkeit, wenn man die Auslenkung halbiert / verdoppelt?
Wie ändert sich die maximale Geschwindigkeit, wenn man die Federhärte verdoppelt / vervierfacht?
Wie ändert sich die maximale Geschwindigkeit, wenn man die Kugelmasse verdoppelt / vervierfacht?

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4.) Kraft und Beschleunigung.

Wähle nun wieder die Grundeinstellungen (m = 0,1 kg, D = 2 N/m, Â = 0,1 m, Startposition von unten).
Wähle bei "Anzeige" nun "Kraft / Beschleunigung".

Vergleiche die Beträge der Federkraft F_f und der Gewichtskraft F_g
- unterhalb der Gleichgewichtslage
- in der Gleichgewichtslage
- oberhalb der Gleichgewichtslage
Wo ist die resultierende Kraft am größten / am kleinsten?
Wo ist die Beschleunigung am größten / am kleinsten?
Welche Funktion beschreibt den Beschleunigungs-Zeit-Zusammenhang?

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Verändere nun nacheinander die Auslenkung Â, die Federhärte D und die Kugelmasse m.

Wie verändert sich die maximale Beschleunigung, wenn man die Auslenkung verdoppelt?
Wie verändert sich die maximale Beschleunigung, wenn man die Federhärte verdoppelt?
Wie verändert sich die maximale Beschleunigung, wenn man die Kugelmasse verdoppelt?

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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA externer Link (Copyright Hinweise)
© Javascript dieses Problems : Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg