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Physik 10 · Energie und Impuls

Ballistisches Pendel

Wie schnell ist eine Kugel, wenn sie für jede Stoppuhr zu schnell ist? Man schießt sie in einen Block, der an Fäden hängt. Sie bleibt stecken, der Block schwingt aus. Aus dem Ausschlag lässt sich die Geschwindigkeit berechnen. Dabei braucht man zwei Erhaltungssätze nacheinander: beim Einschlag den Impulssatz, beim Ausschwingen den Energiesatz.

So gehst du vor

  1. 1Wähle die Stufe der Federkanone, die Kugelmasse m, die Blockmasse M und die Fadenlänge l.
  2. 2Tippe „Schuss“. Der rote Schleppzeiger bleibt am größten Ausschlag stehen. Die Anzeige zeigt den Winkel φ.
  3. 3Tabelle A: Schieße mehrmals unter gleichen Bedingungen und bilde den Mittelwert von φ. Rechne daraus v aus.
  4. 4Tabelle B: Ändere nur die Blockmasse und miss jeweils φ.
  5. 5Erst dann die Auswertung und die Kontrollmessung zeigen.
Schleppzeiger: φ
–,– °
Lichtschranke: v
verdeckt

Federkanone

Kugelmasse m

10 g

Blockmasse M

200 g

Fadenlänge l

50 cm

Die Lichtschranke vor dem Block misst v direkt. Sie zeigt den Nennwert der Kanone; einzelne Schüsse streuen um etwa 1,5 % darum. Die Masse der Fäden und der Luftwiderstand zählen hier nicht.

A Mehrere Schüsse unter gleichen Bedingungen

Nr.Schuss Nr.Ausschlag φ in °
0123456051015n φ in °

B Ausschlag und Blockmasse (m, l und Stufe fest)

Im Diagramm: Geschwindigkeit u direkt nach dem Stoß (aus φ und l gerechnet) über dem Massenanteil der Kugel. Die Steigung ist die Geschwindigkeit v der Kugel. Lass m und l für diese Tabelle fest.

Nr.Blockmasse M in gAusschlag φ in °
0,000,020,040,060,00,20,40,6m : (m + M) u in m · s⁻¹

Aufträge

  1. Leite her, wie man aus der Steighöhe h die Geschwindigkeit v der Kugel erhält.
  2. Stufe 2, m = 10 g, M = 200 g, l = 50 cm: Schieße fünfmal und bestimme v aus dem Mittelwert. Vergleiche danach mit der Kontrollmessung.
  3. Fülle Tabelle B und bestimme v aus der Steigung. Warum ist das genauer als ein einzelner Schuss?
  4. Ändere die Fadenlänge. Wie ändern sich φ und h? Ändert sich das Ergebnis für v?
  5. Berechne, welcher Anteil der Bewegungsenergie der Kugel nach dem Einschlag noch als Bewegungsenergie vorhanden ist. Wo ist der Rest?
  6. Jemand rechnet mit 12 · m · v² = (m + M) · g · h. Welchen Wert erhält er für deine Messung, und was ist der Denkfehler?
  7. Bestimme die Geschwindigkeit von Kanone X. Vergleiche erst danach mit der Kontrollmessung.