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Federpendel

SchulversuchSchwingungen und WellenKlasse 10–11Standard

Worum geht es?

Das Federpendel (Federschwinger) ist neben dem Fadenpendel der zweite Grundschwinger der Physik: Eine hängt an einer Feder und vertikal um ihre Ruhelage. Seine gehorcht T=2πm/DT = 2\pi\sqrt{m/D}: mehr Masse verlangsamt, härtere Feder , und die spielt keine Rolle. Der Versuch misst den Takt und prüft alle drei Aussagen.

Warum macht man dieses Experiment?

Der Federschwinger ist der Modellfall der schlechthin: Sein lineares Rückstellgesetz F=−D⋅yF = -D \cdot y (Hooke!) erzeugt exakt die Sinusschwingung, auf der die gesamte Schwingungs- und Wellenlehre aufbaut. Wer T=2πm/DT = 2\pi\sqrt{m/D} am realen Pendel geprüft hat, besitzt zudem das Gegenstück zum Fadenpendel: Dort regiert die Länge, hier das Paar und Federhärte, und in beiden Fällen fällt die heraus.

Die physikalische Idee

Die Feder aus dem Hooke-Experiment (D=25 N/mD = 25\ \mathrm{N/m}, dort gemessen!) trägt bekannte . Die 20-Schwingungen-Zeitmessung liefert TT; der Vergleich mit der Formel prüft die Theorie, und die Variation von Masse und klärt die Abhängigkeiten. So verketten sich zwei : Die von damals wird heute zur Eingangsgröße.

Benötigtes Vorwissen

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

Wissenschaftliche Einordnung

Der Federschwinger wurde mit Hookes Gesetz (1676) berechenbar und ist seither das Standardmodell der Schwingungslehre; sein schwerkraftfreier Takt macht ihn bis heute nützlich: Auf der ISS bestimmen Astronauten ihre Körpermasse mit einem Federschwinger-Stuhl.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Wovon hängt die Periodendauer ab?

Untersuche die Abhängigkeit der von und : Erwartet werden T∼mT \sim \sqrt{m} und vollständige Amplituden-Unabhängigkeit.

Gemessen

  • — Periodendauer (in )

    Je Masse bzw. Amplitude über 20 Schwingungen.

Bekannt

  • — Masse (in )

    In den Stufen 0,1 / 0,2 / 0,4 kg: Verdopplungen für den Wurzeltest.

  • — Amplitude (in )

    Im zweiten Teil variiert (2 gegen 6 cm) bei fester Masse.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die geprüfte Massenabhängigkeit: Verdopplung von m streckt T um den Faktor √2 ≈ 1,41.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

(a) Miss T für 0,1, 0,2 und 0,4 kg ( konstant 3 cm) und prüfe die Wurzelabhängigkeit über den Quotienten T/mT/\sqrt{m}. (b) Miss T bei 0,25 kg für die Amplituden 2 und 6 cm.

2Vorbetrachtung

Der Wurzeltest: T∼mT \sim \sqrt{m} heißt: Jede Massenverdopplung streckt T um 2≈1,41\sqrt{2} \approx 1{,}41, und der Quotient T/mT/\sqrt{m} bleibt fest (nämlich 2π/D≈1,257 s/kg2\pi/\sqrt{D} \approx 1{,}257\ \mathrm{s/\sqrt{kg}} bei unserer Feder). Vorhersagen: 0,40/0,56/0,79 s0{,}40 / 0{,}56 / 0{,}79\ \mathrm{s}.

Der Amplitudentest prüft das Herzstück der Harmonizität. Beim linearen Rückstellgesetz wird die dreifache Auslenkung von der dreifachen zurückgeholt: Der weitere Weg wird mit proportional mehr Antrieb durchlaufen, in gleicher Zeit. Jede messbare Amplitudenabhängigkeit wäre ein Bruch des im genutzten Bereich (etwa Überdehnung).

3Geräte / Stoffe

Wie zuvor; die werden am Maßstab eingestellt (Auslenkung aus der jeweiligen Ruhelage, die sich mit der verschiebt!).

  • Schraubenfeder mit bekanntem D (25 N/m)

    Der Schwingungsgeber; ihre im Hooke-Experiment gemessene Härte geht in die Vorhersage ein.

  • Hakenmassen 100 bis 400 g

    Die schwingende : die variierte Größe der Untersuchung.

  • Stoppuhr

    Misst die Zeit für 20 (bewährte Strategie gegen die Reaktionszeit).

  • Maßstab

    Kontrolliert die Start-Amplitude für den Amplitudentest.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Messmatrix: drei bei fester , zwei Amplituden bei fester Masse; je Feld ein T-Eintrag.

Vierfach in der Wurzel heißt doppelt davorAusgangsfallm = 1, D = 1T · 1vierfache Massem = 4, D = 1T · 2vierfache Härtem = 1, D = 4T · 0,5T = 2π · √(m / D)Schwere Masse schwingt langsam, harte Feder schnell

Die beiden Stellschrauben des Federpendels: Vierfache verdoppelt die , vierfache Federhärte halbiert sie. Beide wirken über die Wurzel.

Die Kraft zeigt immer zur RuhelagePfeillängen maßstäblich zur Auslenkung.nach untendoppelt so weit:doppelte KraftF = 0in Ruhelagenach obendoppelt so weit:doppelte KraftF = −D · yGenau diese Kraft macht die Schwingung harmonisch

Der Motor der : Die Rückstellkraft F=−D⋅yF = -D \cdot y zieht stets zur Ruhelage, proportional zur Auslenkung: das als Schwingungsantrieb.

Aufbau: Schraubenfeder (D = 25 N/m, aus dem Hooke-Experiment bekannt) am Stativ, Hakenmassen 100 bis 400 g, Stoppuhr, Maßstab für die Amplitudenkontrolle.

5Durchführung

Je Kombination: Ruhelage neu bestimmen, definiert auslenken, 20 messen (zweimal, Mittel).

6Beobachtung

Ergebnisse (je Mittel aus zwei Läufen)
BedingungTT in s\mathrm{s}T/mT/\sqrt{m}
0,10 kg, 3 cm0,401,26
0,20 kg, 3 cm0,561,25
0,40 kg, 3 cm0,801,26
0,25 kg, 2 cm0,631,26
0,25 kg, 6 cm0,631,26

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

: Wurzel bestätigt. Jede Verdopplung streckt T um den Faktor 1,4 (0,40→0,56→0,80 s0{,}40 \to 0{,}56 \to 0{,}80\ \mathrm{s}), und T/mT/\sqrt{m} ist konstant bei 1,26 s/kg1{,}26\ \mathrm{s}/\sqrt{\mathrm{kg}}, exakt der Formelwert 2π/252\pi/\sqrt{25}. Vierfache Masse, doppelte Periode: Das Wurzelgesetz sitzt.

: kein Effekt. Die dreifache Auslenkung (2 auf 6 cm) lässt T unverändert. Das Pendel ist im genutzten Bereich ein harmonischer Schwinger, sein Takt eine Eigenfrequenz, unabhängig davon, wie stark man ihn anstößt. Diese Eigenschaft macht Schwinger zu Taktgebern (Uhren!) und ist die Voraussetzung für das Resonanz-Experiment: Ein System mit fester Eigenfrequenz kann gezielt getroffen werden.

8Fazit

Die folgt T∼mT \sim \sqrt{m} (Quotient konstant 1,26) und ist amplitudenunabhängig: Das Federpendel ist ein harmonischer Schwinger mit fester Eigenfrequenz aus mm und DD.

9Fehlerbetrachtung

Es gelten die Fehlerquellen der ersten Zielsetzung; beim Amplitudentest kommt die Feder-Grenze hinzu:

Zu große Amplitude überdehnt die Federeher systematisch

Ursache

Jenseits der Proportionalitätsgrenze gilt Hooke nicht mehr.

Auswirkung

T würde amplitudenabhängig; das wäre kein Messfehler, sondern ein verlassener Gültigkeitsbereich.

Verbesserung

klein gegen die Vordehnung halten; Federgrenze aus dem Hooke-Experiment kennen.

Federmasse relativ zur kleinsten Masseeher systematisch

Ursache

Bei 0,1 kg wiegt das mitschwingende Federdrittel (10 g) relativ am schwersten.

Auswirkung

Der kleinste Messpunkt liegt systematisch etwa 5 Prozent zu hoch: sichtbar als minimal erhöhter Quotient.

Verbesserung

Mit m+mF/3m + m_F/3 auswerten oder kleinste größer wählen.

Das Wichtigste

Die Formel

T=2πmDT = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{D}}: bremst (Trägheit), Federhärte treibt (Rückstellung), beide unter der Wurzel.

Amplitude egal

Große und kleine Auslenkungen schwingen gleich schnell: Kennzeichen der (lineares Rückstellgesetz), und beim Federpendel sogar ohne Kleinwinkel-Bedingung.

Der Unterschied zum Fadenpendel

Dort T=2πl/gT = 2\pi\sqrt{l/g} (Länge und Ort, egal), hier T=2πm/DT = 2\pi\sqrt{m/D} (Masse und Feder, Schwerkraft egal): Ein Federpendel tickt auf dem Mond gleich schnell.

Messrezept

Auch als Messgerät nutzbar: D=4π2m/T2D = 4\pi^2 m / T^2 oder m=DT2/(4π2)m = D T^2/(4\pi^2). So wiegen Astronauten in Schwerelosigkeit.

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