Schwerkraft vs Masse Leitfaden

Übersicht

Schwerkraft ist die Kraft, die Objekte aufgrund der Anziehung der Erde erfahren. Es ist die Kraft, mit der wir in unserem Leben am vertrautesten sind: Reife Äpfel, die auf den Boden fallen, und Wasser, das nach unten fließt, sind alles Auswirkungen der Schwerkraft. Dieses Experiment zielt darauf ab, quantitativ zu untersuchen, ob eine feste proportionale Beziehung zwischen der Schwerkraft eines Objekts und seiner Masse besteht, indem eine unterschiedliche Anzahl von Hakengewichten an einem Federkraftmesser aufgehängt wird.

Hintergrund

• 1687: Isaac Newton schlug das Gesetz der universellen Gravitation in 'Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica' vor und erklärte, warum Äpfel fallen und Planeten die Sonne umkreisen.
• Newton wies darauf hin: Zwischen zwei beliebigen Objekten besteht eine Gravitationskraft. Die Schwerkraft auf der Erdoberfläche ist eigentlich (eine Komponente) der Gravitationskraft der Erde auf Objekte.
• Er unterschied auch klar zwischen den Begriffen 'Masse' (ein Maß für die Trägheit) und 'Gewicht' (ein Maß für die Gravitationskraft).

Schlüsselkonzepte

Formeln & Herleitung

Experimentier-Schritte

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   Nullpunktkalibrierung

   Wenn keine Hakengewichte angebracht sind, beobachten Sie, ob der Zeiger des Federkraftmessers auf die Nullskalenlinie zeigt (automatisch kalibriert, bevor das Experiment beginnt).
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   Sequentielles Laden

   Klicken Sie auf '50g Gewicht hinzufügen' oder '100g Gewicht hinzufügen'. Jedes Mal, wenn Sie eines aufhängen, lesen Sie den auf dem Kraftmesser angezeigten Newton-Wert (N) ab.
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   Aufzeichnung und Berechnung

   Beobachten Sie die Tabelle rechts. Teilen Sie die gemessene Schwerkraft $G$ durch die Masse $m$ (achten Sie auf die Einheitenumrechnung, 100g = 0.1kg), um das Verhältnis von $G/m$ zu berechnen.
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   Zeichnen des Graphen

   Beobachten Sie die Veränderungen im $G-m$ Graphen. Wenn diese experimentellen Punkte auf einer geraden Linie liegen, die durch den Ursprung geht, weist dies auf eine direkte proportionale Beziehung zwischen ihnen hin.
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   Multi-Umgebungs-Kontrast

   Wechseln Sie zur 'Mond'-Umgebung. Wiederholen Sie die obigen Schritte, um zu sehen, wie sich die Schwerkraft, die auf ein Objekt gleicher Masse wirkt, auf dem Mond ändert.

Lernergebnisse

• Bestätigen Sie die direkte proportionale Beziehung zwischen Schwerkraft und Masse und beherrschen Sie die Formel $G = mg$.
• Verstehen Sie die Bedeutung der Gravitationskonstante $g$ und ihrer Einheit $\text{N/kg}$.
• Lernen Sie, experimentelle Daten mit der graphischen Methode zu verarbeiten und die Gesetze zwischen physikalischen Größen intuitiv zu analysieren.
• Erkennen Sie, dass die Größe der Schwerkraft von der Umgebung (verschiedene Planeten) beeinflusst wird, während die Masse konstant bleibt.

Praxisanwendungen

• Waagen: Elektronische Waagen auf dem Markt messen eigentlich Druck (Schwerkraft) und rechnen ihn dann über $1/g$ in Masse um, um sie dem Benutzer anzuzeigen.
• Bauingenieurwesen: Das Eigengewicht von Materialien muss bei der Konstruktion von Brücken und Hochhäusern präzise berechnet werden, um die strukturelle Sicherheit zu gewährleisten.
• Weltraumforschung: Astronauten befinden sich im Weltraum in einem Zustand der Schwerelosigkeit, nicht weil die Schwerkraft verschwindet, sondern weil die Schwerkraft aufgrund der Hochgeschwindigkeitsumlaufbahn vollständig als Zentripetalkraft wirkt.

Häufige Irrtümer

Weiterführende Literatur

• Gravity - Wikipedia
• Khan Academy - Mass and Weight