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Fadenpendel

SchulversuchSchwingungen und WellenKlasse 10–12Standard

Worum geht es?

Ein Fadenpendel ist denkbar einfach: ein Faden, ein Körper, eine Aufhängung. Lenkst du den Körper aus und lässt ihn los, er regelmäßig hin und her. Genau diese Regelmäßigkeit macht das Pendel wertvoll: Die Dauer einer vollständigen Schwingung — die TT — hängt fast nur von der Pendellänge ll und der Fallbeschleunigung gg ab. Ein und derselbe Aufbau kann deshalb ganz unterschiedliche Fragen beantworten, je nachdem, welche der drei Größen du kennst und welche du suchst.

Warum macht man dieses Experiment?

Das Fadenpendel zeigt an einem überschaubaren System, wie experimentelles Arbeiten grundsätzlich funktioniert: Eine physikalische Beziehung verbindet mehrere Größen — und je nachdem, welche Größe unbekannt ist, wird aus derselben Beziehung ein anderes Messverfahren. Historisch war das Pendel lange das genaueste Zeitmessgerät überhaupt, und Pendelmessungen waren über zwei Jahrhunderte die Standardmethode, um die Fallbeschleunigung gg an verschiedenen Orten der Erde zu vermessen. Im Unterricht ist es der klassische Versuch, an dem man Messstrategie, Auswertung und Fehlerbetrachtung lernt.

Die physikalische Idee

Die TT, die Pendellänge ll und die Fallbeschleunigung gg sind über eine Beziehung verknüpft: T=2πl/gT = 2\pi\sqrt{l/g}. Zwei der drei Größen bestimmst du durch Messen oder sie sind bekannt — die dritte liefert die Gleichung. Die Kunst liegt im Messen: TT wird nicht direkt gemessen, sondern aus der Zeit vieler berechnet, damit die Reaktionszeit beim Stoppen kaum noch ins Gewicht fällt.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Die Gesetzmäßigkeit des Pendels wurde ab dem 17. Jahrhundert systematisch untersucht; Christiaan Huygens nutzte sie 1656 für die erste Pendeluhr und behandelte die Pendelbewegung 1673 in seinem Werk Horologium Oscillatorium mathematisch. Bis ins 20. Jahrhundert waren Pendelmessungen die Standardmethode, um die Fallbeschleunigung an verschiedenen Orten der Erde zu bestimmen — das Prinzip deiner Messung in Zielsetzung B ist also dasselbe, mit dem die Erde tatsächlich vermessen wurde.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Periodendauer bestimmen

Bestimme die TT eines Fadenpendels — also die Zeit für eine vollständige (hin und zurück). Die Herausforderung ist messtechnisch: Eine einzelne Schwingung dauert nur gut eine Sekunde, deine Reaktionszeit beim Stoppen ist im Vergleich dazu groß. Du lernst hier die Messstrategie, die alle weiteren Zielsetzungen benutzen.

Gesucht

  • — Periodendauer (in )

    Die Zeit für eine vollständige Schwingung — sie wird nicht direkt gestoppt, sondern aus der Gesamtzeit berechnet.

Gemessen

  • — Gesamtzeit (in )

    Die Zeit für NN vollständige Schwingungen. Sie wird gemessen statt TT selbst, damit die Reaktionszeit beim Starten und Stoppen nur einmal auf viele Schwingungen verteilt anfällt.

Bekannt

  • — Anzahl der Schwingungen

    Wird beim Messen mitgezählt und vorher festgelegt (hier: 20). Keine Messgröße mit Unsicherheit — aber eine Fehlerquelle, wenn falsch gezählt wird.

  • — Pendellänge (in )

    Wird eingestellt und notiert. Für die Bestimmung von TT selbst wird sie nicht gebraucht — aber ohne notiertes ll ist der Messwert später nicht einzuordnen.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Berechnet aus der gemessenen Gesamtzeit die Dauer einer einzelnen Schwingung.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Bestimme die TT eines Fadenpendels der Länge l=0,50 ml = 0{,}50\ \mathrm{m} möglichst zuverlässig. Miss dazu die Zeit für mehrere vollständige und berechne daraus die Dauer einer einzelnen Schwingung.

2Vorbetrachtung

Was ist eigentlich gesucht? Eine vollständige ist der Weg von einem Umkehrpunkt über die Ruhelage zum anderen Umkehrpunkt und zurück. Die Dauer dieses vollständigen Hin und Zurück heißt TT.

Warum messen wir TT nicht einfach direkt? Im Prinzip könnte man die Stoppuhr am Umkehrpunkt starten und nach einer Schwingung stoppen. Das Problem ist deine Reaktionszeit: Zwischen Sehen und Drücken vergehen typischerweise 0,20{,}2 bis 0,30{,}3 Sekunden — beim Starten und beim Stoppen, mal zu früh, mal zu spät. Bei einer Schwingungsdauer von rund 1,4 s1{,}4\ \mathrm{s} kann der Fehler also leicht 20 %20\,\% betragen. Die Messung wäre kaum brauchbar.

Diese Beziehung ist der Kern der Messstrategie: Gemessen wird die Gesamtzeit tt für NN Schwingungen, berechnet wird die Dauer einer einzelnen. Sie gilt, weil alle Schwingungen (bei kleiner Auslenkung) gleich lange dauern — genau das prüfst du mit, wenn deine Wiederholungsmessungen eng beieinanderliegen.

Formel in der Formelsammlung öffnen
Zwei Größen genügen zur BeschreibungZeit tAuslenkung yAmplitude APeriodendauer TRuhelagef = 1 / TT = 0,5 s bedeutet f = 2 Hz.Wie weit und wie oft

Die Periodendauer TT im Weg-Zeit-Diagramm: der zeitliche Abstand zwischen zwei gleichen Zuständen — zum Beispiel von Umkehrpunkt zu demselben Umkehrpunkt. Genau diese Zustände nutzt du beim Zählen.

3Geräte / Stoffe

Für diese Zielsetzung genügt der Grundaufbau — alle Geräte mit ihrer Funktion:

  • Stativ mit Muffe und Klemme

    Hält den Aufhängepunkt fest — nur mit festem Aufhängepunkt ist die Pendellänge während der Messung konstant.

  • Dünner, wenig dehnbarer Faden

    Trägt den Pendelkörper. Er soll leicht gegenüber dem Körper sein (Modellannahme) und sich nicht dehnen, damit ll konstant bleibt.

  • Pendelkörper (z. B. Metallkugel mit Öse)

    Die schwingende . Kompakt und dicht, damit der Schwerpunkt gut bestimmbar ist und der Luftwiderstand klein bleibt.

  • Maßstab oder Maßband

    Zur Bestimmung der Pendellänge ll von der Aufhängung bis zum Schwerpunkt des Körpers.

  • Stoppuhr

    Zur Messung der Gesamtzeit tt mehrerer vollständiger — daraus wird die TT berechnet.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Für die Zeitmessung ist am Aufbau eine Stelle besonders wichtig: der Umkehrpunkt. Dort ist der Körper für einen Augenblick in Ruhe — diesen Moment trifft das Auge deutlich sicherer als den schnellen Durchgang durch die Ruhelage. Deshalb wird am Umkehrpunkt gezählt.

Warum die Masse herausfälltφF(G)rücktreibendF = m · g · sin φa = F / ma = g · sin φDas m steht oben undunten, es kürzt sich.Schwerer heißt träger.T = 2π · √(l / g)Gilt nur für kleine Winkel: sin φ ≈ φ.Nur Länge und Ortsfaktor bestimmen die Dauer

Der Versuchsaufbau als Skizze: Am Stativ hängt ein Faden der Länge ll, unten der Pendelkörper. Die Pendellänge ll reicht von der Aufhängung bis zum Schwerpunkt des Körpers — genau diese Strecke steht später in der Formel. Die Grafik zeigt außerdem, warum die in der Formel nicht vorkommt: Sie kürzt sich heraus.

Der Aufbau besteht aus drei Teilen: einer festen Aufhängung (Stativ mit Muffe), einem möglichst dünnen Faden und einem kompakten Pendelkörper. Wichtig sind drei Eigenschaften, weil sie das reale Pendel dem Modell annähern:

  1. Die Aufhängung ist fest. Wackelt der Aufhängepunkt mit, verändert sich die wirksame Pendellänge während der — und ll wäre keine feste Größe mehr.
  2. Der Faden ist dünn und leicht. Das Modell rechnet die gesamte Masse dem Pendelkörper zu. Je leichter der Faden im Vergleich zum Körper, desto besser stimmt das.
  3. Der Körper ist klein und kompakt. Die Pendellänge wird bis zum Schwerpunkt gemessen. Bei einem kleinen, Körper (z. B. Metallkugel) ist der Schwerpunkt gut lokalisierbar — bei einem großen oder unregelmäßigen Körper nicht.

5Durchführung

Schritt 1: Pendel aufbauen und Pendellänge einstellen. Befestige den Faden so am Stativ, dass der Aufhängepunkt fest ist (z. B. zwischen zwei Klemmbacken, nicht lose über eine Stange gelegt). Miss die Pendellänge ll von der Aufhängung bis zum Schwerpunkt des Pendelkörpers — bei einer Kugel bis zu ihrem Mittelpunkt.

Schritt 2: Pendel auslenken und schwingen lassen. Lenke den Körper um höchstens etwa 10∘10^\circ aus (bei l=0,5 ml = 0{,}5\ \mathrm{m} sind das unten knapp 9 cm9\ \mathrm{cm} seitlich) und lass ihn ohne Anschub los. Warte zwei, drei ab, bis die Bewegung gleichmäßig in einer Ebene verläuft — kreiselt der Körper, ist es keine ebene Pendelschwingung mehr.

Schritt 3: Zeit für 20 vollständige Schwingungen messen. Starte die Stoppuhr in einem Umkehrpunkt (dort ist der Körper kurz in Ruhe — das Auge trifft diesen Moment am genauesten) und zähle ab dort. Sprich beim Start „null“ — nicht „eins“! Stoppe, wenn der Körper zum 20. Mal in denselben Umkehrpunkt mit derselben Bewegungsrichtung zurückkehrt. Eine vollständige Schwingung ist der Weg hin und zurück.

Schritt 4: Messung wiederholen. Führe die Zeitmessung mindestens dreimal durch. Streuen die Werte stark (mehr als etwa eine halbe Sekunde), stimmt etwas am Verfahren — meist am Zählen oder am Startzeitpunkt. Aus den Einzelwerten wird später der Mittelwert gebildet: Die zufälligen Reaktionszeitfehler gleichen sich dabei teilweise aus. Einen systematischen Fehler (z. B. falsch gemessene Pendellänge) verkleinert der Mittelwert dagegen nicht.

6Beobachtung

Der Körper gleichmäßig hin und her; die Auslenkung wird über viele Schwingungen allmählich kleiner, die Schwingungen wirken aber nicht schneller oder langsamer. Die gemessenen Zeiten könnten so aussehen:

Messwerte für l=0,50 ml = 0{,}50\ \mathrm{m}, jeweils N=20N = 20 Schwingungen
MessungGesamtzeit tt in s\mathrm{s}
128,5
228,2
328,5

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Schritt 1: Mittelwert der Gesamtzeit bilden. Die drei Einzelwerte streuen um wenige Zehntelsekunden — das ist die zufällige Streuung durch die Reaktionszeit. Der Mittelwert gleicht sie teilweise aus:

tˉ=28,5 s+28,2 s+28,5 s3=28,4 s\bar{t} = \frac{28{,}5\ \mathrm{s} + 28{,}2\ \mathrm{s} + 28{,}5\ \mathrm{s}}{3} = 28{,}4\ \mathrm{s}

Schritt 2: berechnen. Jetzt kommt die Beziehung aus der Vorbetrachtung zum Einsatz:

T=tˉN=28,4 s20=1,42 sT = \frac{\bar{t}}{N} = \frac{28{,}4\ \mathrm{s}}{20} = 1{,}42\ \mathrm{s}

Schritt 3: Einheit und Genauigkeit prüfen. Sekunden geteilt durch eine reine Anzahl ergibt Sekunden — die Einheit stimmt. Die Streuung der Einzelmessungen (±0,15 s\pm 0{,}15\ \mathrm{s} um den Mittelwert) verteilt sich auf 20 : Die Unsicherheit von TT liegt damit bei knapp 0,01 s0{,}01\ \mathrm{s}. Mehr als drei gültige Ziffern anzugeben wäre eine Scheingenauigkeit.

8Fazit

Die des Pendels mit l=0,50 ml = 0{,}50\ \mathrm{m} beträgt in diesem Beispiel T=1,42 sT = 1{,}42\ \mathrm{s}, mit einer Messunsicherheit von rund 0,01 s0{,}01\ \mathrm{s}. Die Fragestellung ist damit beantwortet — und nebenbei ist die Messstrategie etabliert, auf der alle weiteren Zielsetzungen dieses aufbauen: Gesamtzeit messen, Periodendauer berechnen.

9Fehlerbetrachtung

Die Fehlerquellen dieser Messung wirken unterschiedlich: Die einen streuen zufällig und werden durch Mittelwertbildung kleiner, die anderen verschieben das Ergebnis systematisch in eine Richtung — sie bleiben im Mittelwert vollständig erhalten. Diese Unterscheidung entscheidet, welche Gegenmaßnahme hilft.

Reaktionszeit beim Starten und Stoppeneher zufällig

Ursache

Zwischen dem Sehen des Umkehrpunkts und dem Drücken der Stoppuhr vergehen einige Zehntelsekunden — beim Start und beim Stopp, mal zu früh, mal zu spät.

Auswirkung

Die Gesamtzeit tt streut um einige Zehntelsekunden. Weil durch N=20N = 20 geteilt wird, überträgt sich davon nur ein Zwanzigstel auf TT — typisch unter 1 %1\,\%.

Verbesserung

Mehr messen (größeres NN), am Umkehrpunkt statt in der Ruhelage zählen, Messung wiederholen und mitteln. Noch besser: eine Lichtschranke, die ohne Reaktionszeit auslöst.

Zählfehler beim Start („eins“ statt „null“)eher systematisch

Ursache

Wer beim Loslassen schon „eins“ sagt, zählt eine , die noch gar nicht stattgefunden hat.

Auswirkung

TT wird um den Faktor N−1N\tfrac{N-1}{N} zu klein — bei N=20N = 20 um 5 %5\,\%. Tückisch: Der Fehler ist systematisch und fällt bei gleichbleibend falschem Zählen auch in Wiederholungsmessungen nicht auf.

Verbesserung

Feste Zählregel („beim Start null“), laut mitzählen, zu zweit unabhängig zählen.

Unruhiger Aufhängepunkt oder kreisender Körpereher zufällig

Ursache

Ein lose aufgelegter Faden verrutscht; ein schräg losgelassener Körper beschreibt eine Ellipse statt einer ebenen .

Auswirkung

Die wird unregelmäßig, die Einzelmessungen streuen stärker, der Mittelwert wird unzuverlässiger.

Verbesserung

Faden fest einklemmen, Körper aus der Ruhe heraus ohne Seitwärtsbewegung loslassen, erst nach zwei bis drei mit dem Zählen beginnen.

Das Wichtigste

Fragestellung

Wie hängen TT, Pendellänge ll und Fallbeschleunigung gg zusammen — und wie nutzt man den Zusammenhang, um eine der drei Größen zu bestimmen?

Zentrale Formel

T=2πl/gT = 2\pi\sqrt{l/g} — gültig für kleine Auslenkungen. Die kommt nicht vor: Sie kürzt sich heraus.

Messstrategie

Nie eine einzelne stoppen: Die Zeit tt für N=20N = 20 Schwingungen messen und T=t/NT = t/N berechnen — so schrumpft der Einfluss der Reaktionszeit auf ein Zwanzigstel.

Wichtigste Fehlerquellen

Pendellänge nicht bis zum Schwerpunkt gemessen (systematisch), Reaktionszeit beim Stoppen (zufällig), zu große Auslenkung (systematisch — die Näherung gilt dann nicht mehr), Zählfehler beim Start.

Zentrale Erkenntnis

Dieselbe physikalische Beziehung wird je nach gesuchter Größe zu einem anderen Messverfahren — das ist allgemein, die Zielsetzung macht es konkret.

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