Semester: SS19 Name: MusterwerteGruppe/Team: A1 Versuchsteil: 1

Tabellenblatt Beschreibung

Auftrag Gesamtauftrag für den Versuch Kraft und Energie

A1-A4 Versuchsbeschreibung sowie wichtige Hinweise

Abstand Bestimmung Abstand-Auflager( KUE1)

M1-M4 Datenblatt zur Aufnahme der Messdaten und Auswertung

Infos Allgemeine Infos und FAQ's

FAQ Häufig gestellte Fragen zum Versuch

Geräte Angaben zu Gerätedaten

Testat Nähere Hinweise zur Erlangung des Abtestats

Werte Tabellenblatt zur Berechnung diverser Größen(bitte nicht überschreiben oder löschen)

Inhalt dieser Datei

Versuch: Kraft und EnergieKUE

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

KUEIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Gesamtauftrag

Einzelaufträge

Eine Restaurantkette hat Probleme unterschiedlicher Art. Der Bruchanteil des speziell für die Restaurantkette hergestellten Knäckebrot "Norcrisp" ist zu hoch. Eine erste Analyse ergab, dass beim Transport und Umpacken das Knäckebrot unvermeidlich starken Erschütterungen ausgesetzt ist. Um den Bruchanteil zu minimieren, wurde ihre Firma beauftragt, die Verpackungen des Knäckebrots zu optimieren. Möglicherweise entspricht das Knäckebrot aber auch nicht den Vorgaben des Qualitätsmanagements. Damit der Auftrag bearbeitet werden kann, muss daher zuerst die Festigkeit des Knäckebrots untersucht werden. Die Restaurantküche hat Probleme mit der Reinigung des Geschirrs. Zu viele Lebensmittelreste werden von der Spülmaschine nicht entfernt. Die bisherige Dosierungsempfehlung eines führenden Spülmittel-Herstellers für professionelle Geschirr-Reinigung soll überprüft werden. Einige Kunden, vorwiegend Senioren, beklagen sich, dass der Toast vom Frühstücksbuffet zu hart sei.

Um weiterführende Empfehlungen geben zu können, sind folgende Fragen zu untersuchen: KUE1: Welche Energie ist erforderlich, um ein Knäckebrot zu zerbrechen? Welche Kraft ist erforderlich, um ein Knäckebrot zu zerbrechen? Inwieweit gibt das Hebelgesetz Auskunft über die Zerbrechlichkeit? Kann man den Einfluß der Backzeit aus den von Ihnen durchgeführten Untersuchungen ableiten? KUE2: Gibt es gravierende Unterschiede zwischen rechtem und linkem Kontaktwinkel? Wie hoch ist die optimale Tensid-Dosierung für stark fettiges Geschirr? Wie hoch ist die optimale Tensid-Dosierung für weniger fettiges Geschirr? KUE3: Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Fallhöhe und Fallzeit? Wie wirkt sich die Reibung auf die Beschleunigung und Fallzeit aus? Überprüfen Sie dazu die Gültigkeit des 2. Newtonschen Gesetzes sowie des Energieerhaltungssatzes. KUE4: Wie wirkt sich die Toastzeit auf die Elastizität von Toastbrotscheiben aus? Gibt es Unterschiede bei der Elastizität der Toastbrotscheiben aus dem vorderen oder hinteren Schacht? Wie beeinflusst eine Krümmung der Toastscheiben Ihre Messergebnisse? Geben Sie zu den jeweiligen Punkten Empfehlungen für den Auftraggeber ab!

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik KUE1Versuchsanleitung

1a. Bestimmung der Bruchfestigkeit von Knäckebrot mit dem "Texture Analyser" in Abhängigkeit vom Abstand der Auflagepunkte Sie arbeiten mit der 3-Punkt-Biegevorrichtung. Die Auflageschienen dieser Vorrichtung können einen Abstand zwischen 30 und 80 mm einnehmen. Stellen Sie zunächst den Abstand auf 80 mm ein. Öffnen Sie dazu die Rändelschrauben und justieren Sie beide Auflageflächen auf '80'. Bestimmen Sie den Auflagerabstand mit der Schieblehre (siehe Tabellenblatt Abstand). Legen Sie die Vorrichtung in den Probentisch ein. Wählen Sie eine Knäckebrotscheibe aus und überprüfen Sie, ob sie unbeschädigt ist. Legen Sie die Scheibe mittig auf die Auflageschienen. Schalten Sie den "Texture Analyser" ein und starten Sie die Anwendung 'Bruchtest' vom Desktop. Wählen Sie Knäckebrot aus. Führen Sie die Messungen wie in der Anleitung beschrieben durch und sehen Sie sich das Video an. Nehmen Sie in dem Abstandsbereich von 3 bis 8 cm mindestens 5 Messwerte so auf, dass Sie ein aussagekräftiges Diagramm erstellen können. Erhöhen Sie gegebenenfalls die Anzahl der Messwerte, um eine ausreichende Qualität der Ergebnisse sicher stellen zu können. 1b. Schlagfestigkeit von Knäckebrot mit dem "Pendelschlagwerk" Schwenken Sie das Pendel hoch und hängen Sie es in die Auslöseklaue. Befestigen Sie eine Knäckebrotscheibe in den Halterungen des Pendelschlagwerks. Drehen Sie am Knopf in der Mitte der Instrumentenskala gegen den Uhrzeigersinn bis der Zeiger am Mitnehmer des "Pendelschlagwerks" anliegt und sich nicht mehr weiterdreht. Für die Messung lösen Sie das Pendel aus der Klaue. Lassen Sie das Pendel ausschwingen oder fangen Sie es vorsichtig ab. Lesen Sie den Wert für die Schlagarbeit am Schleppzeiger ab. Berechnen Sie aus den gewonnenen Daten nun die Höhe, aus der eine Knäckebrotscheibe fallen kann, ohne zu zerbrechen. Testen Sie, ob Ihre Berechnung stimmt, indem Sie eine Knäckebrotscheibe aus verschiedenen Höhen fallen lassen. Beginnen Sie mit einer geringeren Höhe als der berechneten und steigern Sie die Höhe. Nehmen Sie die Werte von mindestens 3 Knäckebrotscheiben auf. Erhöhen Sie gegebenenfalls die Anzahl der Messwerte, um eine ausreichende Qualität der Ergebnisse sicher stellen zu können. Sie haben für die Durchführung der Aufgaben 1 und 4 60 Minuten Zeit. Aufgabe 1a ist bei zügiger Bearbeitung in 25 Minuten, Aufgabe 1b in 15 Minuten zu schaffen. Für Aufgabe 4 benötigen Sie etwa 20 Minuten.

Hinweise Bevor Sie die Messungen machen, vergewissern Sie sich, dass Sie alle Einstellungen richtig justiert haben. Während der Messung sollten Sie genau beobachten, ob die Maschine VOR Auftreffen auf den Probentisch wieder hochfährt. Sollte das nicht der Fall sein, drücken Sie den Notausschalter und informieren Sie einen Betreuer.

Sicherheitshinweise Bei der Arbeit mit dem "Texture Analyser" besteht Quetschgefahr z. B. für Finger. Beachten Sie die Bedienungsanleitung!

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik KUE1Bestimmung Abstand Auflager

Der Abstand der Auflager der 3-Punkt-Biegevorrichtung wird grob mit den Markierungen auf der Grundplatte vorgenommen. Eine genaue Bestimmung soll mit der Schieblehre stattfinden.

Überlegen Sie vor dem Praktikum, wie Sie durch Messungen mit der Schieblehre den oben markierten Abstand bestimmen können.

durchgeführt von: Musterwerte

untersuchtes Objekt: Knäckebrot

Dicke Breite Länge Abstand Auflager Kraft

Abstand Auflager - Schiene

Drehmo-ment

h in mm b in mm l in cm in cm F in N in cm in N▪cm3,24 40,84 12,025 7,93 6,37 3,96 25,263,22 40,90 12,000 6,98 7,84 3,49 27,373,37 40,83 12,005 5,93 8,30 2,96 24,603,38 40,32 12,005 4,96 9,19 2,48 22,813,45 40,70 11,995 3,99 13,60 2,00 27,13

Mittelwert 3,33 40,72 12,006 25,44Standardab-

weichung 0,10 0,23 0,01 1,89

rel. Messab-weichung 3,0 0,6 0,1 7,4

ermitteltes Drehmoment

τ = 25,44 N▪cmStand.Abw. 1,89 N▪cmRel. Abw. 7,42 %

Vorgabe Qualitätsmanagement(Angabe im Versuchsordner)

τ = 25,00 ·(1± 5%)

Maximum 26,25Minimum 23,75

Diagramm Kraft gegen Abstand Auflager-Biegeschiene.

Im Diagramm wird zusätzlich zu Ihren Messdaten die obere

und untere Toleranzgrenze angezeigt

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

KUE11. Bestimmung der Bruchfestigkeit von Knäckebrot mit dem "Texture Analyser"

in Abhängigkeit vom Abstand der Auflagepunkte

Tragen Sie Ihre Werte in untenstehende Tabelle ein und ergänzen Sie die Formeln.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1,8 2,8 3,8

Kra

ft in

N

Abstand Auflager - Biegeschiene in cm

Kraft gegen Abstand

Masse Energiem E

Schlag 1 6,440 g 82,0 mJSchlag 2 6,500 g 72,0 mJSchlag 3 6,600 g 88,0 mJ

Mittelwert 6,513 g 80,7 mJStandardabweichung 0,081 g 8,1 mJrel. Messabweichung 1,24 % 10,02 %

experim. Fallhöhe theor. Fallhöheh h

Versuch 1 1,40 m 1,26 mVersuch 2 1,45 mVersuch 3 1,50 m Abweichung zur

theoretischen FallhöheMittelwert 1,450 m

Standardabweichung 0,050 m 14,85 %rel. Messabweichung 3,45 %

Welche Handlungsempfehlung geben Sie mit Bezug auf ihre Messdaten bezüglich des Drehmoments an die Produktion? Werden die Vorgaben des

Qualitätsmanagements erfüllt?

Beantworten Sie die folgende Frage unter Berücksichtigung Ihrer Messdaten:Sollte das Pendelschlagwerk anstelle von Fallversuchen eingesetzt werden?

Erstellen Sie eine Messwerttabelle! Sie sollte die Fallhöhe in m, die theoretische Fallhöhe in m, den relativen Fehler und die Abweichung zur experimentellen

Fallhöhe enthalten.

Erstellen Sie eine Messwerttabelle, in der folgende Daten enthalten sind:Laufende Nummer des Schlags, Masse in g, Schlagarbeit in mJ und relative

Messabweichung

1b. Schlagfestigkeit von Knäckebrot mit dem "Pendelschlagwerk"

KUEIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

FAQ's allgemein

KUE InfosKUE1: Löschen Sie nicht aus Versehen das Register Werte aus der Vorlage. Hier werden die

Werte für die Kurve im Diagramm berechnet. Tragen Sie im blauen Feld zunächst den Mittelwert Ihres Drehmoments ein. Hieraus wird

die Kurve im Diagramm berechnet. Wählen Sie für das Diagramm Punkt und im Folgenden Punkte nur mit Datenpunkten

KUE2: Wählen Sie für das Diagramm Punkt und im Folgenden Punkte mit interpolierten Linien

Allgemein Schauen Sie sich die Videos zu den Messgeräten genau an. Die Vorgehensweise des

Messens ist hier beschrieben.

Lesen die Versuchsanleitungen sorgfältig durch. Sie enthält viele nützliche Hinweise. Seien Sie sicher, dass diese Anleitungen nicht zuletzt ein Produkt aus den Fragen und Erfahrungen vieler Studierender vor Ihnen sind. Sollten Ihnen Fehler auffallen, scheuen Sie sich nicht uns darauf anzusprechen. Wir sind dankbar für jeden Hinweis.

Im zweiten Semester gibt es unterschiedliche Excel-Vorlagen auf der Physikhomepage zum Downloaden. Je nach Versuch werden Sie selber Tabellen, Formeln und Diagramme erstellen. Die Vervollständigung der Vorlagen gehört zu Ihrer Vorbereitung. Ohne vervollständigte Datei ist die Versuchsdurchführung ausgeschlossen. Auf der Physikhomepage finden Sie auch Musterlösungen im pdf-Format. Sie sollen Ihnen helfen Ihre Vorlage zu gestalten und Ihre Formeln und Disgramme auf Richtigkeit zu prüfen. Außerdem können Sie sehen, welche Daten während Ihres Versuches aufgenommen werden. Wichtig: Bringen Sie unbedingt Ihre ergänzten Vorlagen auf Ihrem USB-Stick mit!

Sollten Sie nach angemessener Zeit einen Fehler nicht finden, lesen Sie noch einmal die Anleitung durch, ob Sie nicht irgendetwas übersehen haben. Falls nicht, rufen Sie die Aufsicht.

Sie müssen im Praktikum mit der Anwendung der Geradengleichung vertraut sein und aus der Geradengleichung die Steigung ablesen können.

Sie müssen im Praktikum mit der Anwendung der Exponential- und Logarithmusfunktion vertraut sein sowie mit Polynomen 2. Ordnung.

Es wird erwartet, dass Sie die prinzipiellen Abläufe und die Bedienungsanleitungen, die Sie im Netz finden, verstanden haben. Rückfragen sind nur vor dem Praktikumstermin möglich. Der praktische Umgang mit den Geräten wird Ihnen im Praktikum noch erläutert.

Schalten Sie Geräte (außer Computer) erst dann ein, wenn die Aufsicht zustimmt.

KUEIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

KUE FAQ's

KUE1 Wie berechnet man aus den gewonnenen Daten die Höhe, aus der eine

Knäckebrotscheibe fallen kann, ohne zu zerbrechen? Das "Pendelschlagwerk" liefert Ihnen die Energie, die benötigt wird um eine Scheibe Knäckebrot zu zerbrechen. Diese Energie muss also vorhanden sein, wenn das Knäckebrot beim Fallen auf den Boden auftrifft. Zur Berechnung der Fallhöhe verweisen wir auf die Physikvorlesung des 1. Semesters.

Was ist der ‚Abstand Auflager – Schiene‘? Die 3-Punkt-Biegeschiene besteht aus zwei Auflagern, die in einem bestimmten Abstand zueinander stehen. Von oben fährt die Biegeschiene auf die Knäckebrotscheibe und zerbricht sie. Die Biegeschiene muss bei der Versuchsdurchführung mittig angeordnet sein. Dann beträgt der Abstand Auflager-Schiene genau die Hälfte des Abstandes der beiden Auflager. Voraussetzung dafür ist, dass die beiden Auflager symmetrisch eingestellt wurden.

Wie ist das Diagramm Kraft gegen Abstand aufgebaut? x-Werte der Punkte: Abstand Auflager-Schiene aus Spalte F y-Werte der Punkte: Kraft aus Spalte E x-Werte der Linie: Abstand Auflager-Schiene aus Spalte F y-Werte der Linie: Kraft berechnet aus Mittelwert des Drehmoments und Abstand Auflager-Schiene im Register Werte

KUE2 Wie gehe ich am besten vor?

Bereiten Sie zuerst die Platten vor. Setzen Sie danach die Spritze mit der geringsten Lösung ein und machen Sie sich mit dem Gerät und der Software vertraut. Damit Sie die Spritzen so selten wie möglich wechseln müssen, setzen Sie zunächst einen Tropfen auf die erste Platte ab. Bestimmen Sie den Kontaktwinkel. Schieben Sie nun diese Platte zur Seite und setzen Sie einen Tropfen auf die zweite Platte ab. Nach der Bestimmung des Kontaktwinkels wechseln Sie die Spritze.

KUE3 Wieso erhalte ich keinen Ausschlag von der Lichtschranke, wenn der Schlitten durch die

Lichtschranke fährt? Schauen Sie nach, ob der Schlitten in der richtigen Position durch die Lichtschranke fährt. Die Luftkissenbahn ist geneigt und der Abstand der Lichtschranke zum Schlitten verändert sich mit der Länge der Strecke s. Bei zu großem Abstand wird die Lichtschranke nicht mehr unterbrochen.

Wieso fährt der Schlitten über die Bahn, bevor die Auslösevorrichtung betätigt wurde? Die Auslösevorrichtung ist mit einem Magneten ausgestattet, der den Schlitten ‚festhält‘. Durch Betätigen der Vorrichtung wird der Magnet gelöst. Stellen Sie vor der Messung sicher, dass der Schlitten durch den Magneten festgehalten wird.

Wieso weichen meine Werte der Momentangeschwindigkeit von den Werten der Vorlage ab?

Schauen Sie nach, ob Sie die Formel für die Durchschnittsgeschwindigkeit gewählt haben (v=s/t). Die Momentangeschwindigkeit wird mit der Formel v = 2s/t berechnet.

Was genau ist s0? Sehen Sie sich den Schlitten auf der Luftkissenbahn genau an. Das schwarze Metallplättchen, das die Lichtschranke unterbricht, ist mittig auf dem Schlitten positioniert. Der Nullpunkt des Maßbands, mit dem die zurückgelegte Strecke gemessen wird, befindet sich links vom Schlitten. Der Nullpunkt müsste aber an der rechten Kante des Metallplättchens sein. Da das Maßband nicht verschoben werden kann, subtrahieren Sie stattdessen die Teilstrecke, die sich links vom Metallplättchen befindet, von der Strecke.

Wie berechne ich den Neigungswinkel? Zur Bestimmung des Winkels benötigen Sie die Funktion des Arkussinus (Umkehrfunktion des Sinus). Da die Excel Funktion arcsin das Ergebnis im Bogenmaß ausgibt, ist eine Umwandlung in Grad erforderlich.

Was heißt: ‚wirksamer Anteil von g‘? Wie viel Prozent der Erdanziehung beschleunigend auf den Schlitten wirkt, hängt vom Neigungswinkel ab. Beim freien Fall würde sie ihn zu 100% beschleunigen, auf ebener Strecke (Neigungswinkel 90°) zu 0%. Berechnen kann man den wirksamen Anteil von g auf zwei Arten: zum einen durch die Sinusbildung des Neigungswinkels (denken Sie an die Berechnung des Bogenmaßes), zum anderen durch das Verhältnis der Höhendifferenz zur Bahnlänge. Beide Berechnungen müssen noch durch die Multiplikation mit 100 in Prozent umgerechnet werden.

Wie berechne ich die potentielle Energie? Epot = m*a*h; die einfachste Art, die potentielle Energie zu berechnen, besteht darin, die Masse und die Höhe aus den entsprechenden Zellen zu beziehen und mit dem wirksamen Anteil von g, hier als a bezeichnet zu multiplizieren.

Wie berechne ich die Reibungsenergie? Gäbe es keine Reibung, müsste die kinetische Energie genauso groß sein wie die potentielle Energie. Die Steigung im Diagramm Ekin gegen Epot wäre in diesem Falle 1. Da die Luftkissenbahn die Reibung nicht zur Gänze verhindern kann, gibt es eine ‚Restreibung‘. Das ist die Energie, die während der Bewegung verloren geht. Die Reibungsenergie wird also berechnet aus der Differenz der Steigung zu 1.

Wie berechne ich die Reibungskraft? FReib = m*(a-a0); bilden Sie die Differenz der berechneten Beschleunigung a zur theoretischen Beschleunigung a0 und multiplizieren Sie sie mit der Masse. Warum muss die Reibkraft negativ sein?

KUE4 Wie positioniere ich die Toastscheibe?

Die Toastscheibe sollte mittig auf dem Probentisch positoniert sein, es sei denn, genau dort befindet sich eine Einbuchtung. In diesem Falle verschieben Sie die Scheibe so, dass der Stempel auf eine unbeschädigte Stelle trifft.

Wie wechsele ich die Drei-Punkt-Biegevorrichtung gegen die Stahlkugel aus? Rufen Sie in jedem Fall eine Aufsicht.

Wie messe ich, wenn die Toastscheibe gewölbt ist? Liegt die Toastscheibe mit der Wölbung nach unten, können Sie die Messung durchführen. Wollen Sie die Scheibe von der anderen Seite messen, befindet sich unter der Scheibe Luft. Wenn der Stempel auf die Scheibe drückt, biegt sich die Toastscheibe durch. Es wird also nicht die Kraft des Eindrucks sondern die der Biegung gemessen. Versuchen Sie in diesem Fall die Ränder der Scheibe so abzuknicken (ohne die Krume zu verletzen), dass die Mitte der Scheibe auf dem Probentisch aufliegt.

Wie bestimme ich die Elastizität? Ist die Kraft beim First und Last cycle identisch, regeneriert sich die Toastscheibe völlig, ist also völlig elastisch (wie ein Schwamm). Ist die Kraft beim Last cycle 0, hat keine Regeneration stattgefunden. Die Krume ist gebrochen und die Elastizität gleich 0.

KUE1 und 4

Notausschalter

Biegeschiene

Auflager

KUEIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Geräte

Texture Analyser Hersteller: Lloyd Instruments Typ: TAplus

KUE2Kontaktwinkelmessgerät Hersteller: Dataphysics Typ: OCA 15plus

KUE3

Gleiter mit Lichtschranke Gebläse

Luftkissenbahn Hersteller: PhyWe

Antestat bestanden: 5 Punkte

Versuchsdurchführung inkl. Exceldatei: 0-10 Punkte

Bericht: 0-10 Punkte

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

KUEKUE Testat

Der Versuch Kraft und Energie endet mit der Abgabe eines Einzelberichtes. Achten Sie darauf, dass Sie Ihre Daten auf Ihrem Stick mitnehmen. Erstellen Sie den Bericht nach folgendem Aufbau:

Gliederung des Einzelprotokolls

• Kurze Beschreibung • der eingesetzten Messgeräte • des untersuchten Produkts • des Auswahlverfahrens der Proben, falls erfolgt

• Versuchsauswertung mit Fehlerbetrachtung falls Fehlerrechnung gefordert • Empfehlung für die weitere Verfahrensweise, falls gefordert

KUE 1 • Diagramm: Kraft gegen Abstand Auflager - Biegeschiene • Werden die Vorgaben des Qualitätsmanagements eingehalten? • Empfehlung an die Produktion • Ergebnisse des Bruchtests mit dem "Pendelschlagwerk" • Berechnung der theoretisch möglichen Fallhöhe, ab der das Knäckebrot

zerbrechen müsste • Ergebnisse des praktischen Fallversuchs • Kurze vergleichende Diskussion der theoretischen und praktischen Ergebnisse.

Inwieweit stimmen Theorie und Praxis überein? KUE 2

• Kurze Beschreibung der Messmethode • Übersicht über die untersuchten Tensidkonzentrationen • Grafik Kontaktwinkel gegen Tensidkonzentration (Butter und Halbfettmargarine) • Vergleichende Diskussion der Ergebnisse der beiden Versuchsreihen • Empfehlung einer Tensidkonzentration

KUE 3 • Grafik Weg gegen Zeit • Grafik Geschwindigkeit gegen Zeit • Berechnung der Reibungsenergie und Reibungskraft • Berechnung der wirkenden theoretischen Erdbeschleunigung • Berechnung der Erdbeschleunigung g • Berechnung der Verzögerung durch die Reibung, absolut und in Prozent bezogen

auf g KUE 4

• Kurze Beschreibung der Messmethode • Grafik Kraft gegen Röstzeit für beide Seiten des Toasts • Erläuterung der Unterschiede zwischen dem Kraftaufwand für das 1. und 4.

Eindrücken mit der Probekugel • Diskussion des Einflusses der Röstzeit auf die Elastizität des Toasts. • Ableitung einer Empfehlung aus der Röstzeit. • Vergleich der Empfehlung mit der Empfehlung aus dem Versuch PHO1