Gewichtskraft messen
Worum geht es?
und werden im Alltag ständig verwechselt („das wiegt 5 Kilo“). Die Physik trennt sie sauber: Die Masse (in Kilogramm) ist eine Eigenschaft des Körpers; die Gewichtskraft (in Newton) ist die , mit der die Erde ihn anzieht. Dieses misst Gewichtskräfte mit dem Federkraftmesser und klärt die zentrale Frage: Wie hängen und zusammen?
Warum macht man dieses Experiment?
Die Beziehung ist eine der meistbenutzten Formeln der gesamten Schulphysik: Sie steckt in jeder Hubarbeit, jedem Schweredruck, jeder Energiebetrachtung. Wer sie hier selbst aus einer Messreihe gewinnt, statt sie vorgesetzt zu bekommen, versteht auch ihre Struktur: Der Ortsfaktor ist eine Eigenschaft des Ortes (der Erde), nicht des Körpers, und auf dem Mond wäre er ein anderer.
Die physikalische Idee
Wägestücke bekannter werden nacheinander an den Federkraftmesser gehängt; er zeigt die an. Die Messreihe über mehrere Massen prüft, ob zur Masse proportional ist, und der (dann konstante) Quotient ist der gesuchte Umrechnungsfaktor: der Ortsfaktor .
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Kraftbegriff und Krafteinheit Newton
- Proportionalität (Mathematik)
Wissenschaftliche Einordnung
Die Unterscheidung von und Gewicht wurde mit Newtons Gravitationstheorie (1687) begrifflich sauber; praktisch spürbar wurde sie, als Waagen und Kraftmesser verschiedene Dinge anzeigten. Seit den Mondlandungen gibt es das Anschauungsbeispiel frei Haus: gleiche Masse, ein Sechstel .
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Gewichtskraft eines Körpers messen
Miss die verschiedener Körper mit dem Federkraftmesser und lerne dabei den richtigen Umgang mit dem Messgerät (Nullstellung, Messbereich, senkrechtes Hängen).
Gesucht
- — Gewichtskraft (in )
Die Kraft, mit der die Erde am Körper zieht: direkt am Kraftmesser ablesbar.
Bekannt
- — Masse (in )
Auf den Wägestücken aufgeprägt; bei Alltagsgegenständen vorher mit der Waage bestimmt.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Dient hier als Kontrollrechnung: Der Messwert sollte zum bekannten m passen.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Miss die eines 200-g-Wägestücks und zweier Alltagsgegenstände (z. B. Apfel, Federmäppchen). Vergleiche jeweils mit der Kontrollrechnung aus der bekannten .
2Vorbetrachtung
Wie misst eine Feder eine ? Der Kraftmesser enthält eine Schraubenfeder, die sich unter Zug proportional dehnt (das prüft das eigene Hooke-Experiment). Die Skala übersetzt die Dehnung direkt in Newton. Damit sie die reine anzeigt, muss der Körper frei und senkrecht hängen und der Zeiger vorher (mit leerem Haken!) auf null stehen, sonst wird das Eigengewicht des Hakens mitgemessen.
Erwartung: Für sagt die Formel voraus, knapp 2 Newton.
3Geräte / Stoffe
Kraftmesser am Stativ; Messbereich zum Körper passend wählen (der Zeiger soll weit ausschlagen, aber nicht anschlagen).
Federkraftmesser (5 N)
Misst über die Dehnung seiner Feder: das Kraftmessgerät der Mechanik.
Wägestücke 100 bis 500 g
Körper bekannter : die unabhängige Größe der Messreihe.
Stativ mit Muffe
Hält den Kraftmesser senkrecht und erschütterungsfrei.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Senkrecht hängender Kraftmesser mit Körper; Kraftpfeil F_G nach unten am Körper, gleich lange Federkraft nach oben: Im Ruhezustand halten sich beide die Waage, deshalb zeigt die Feder genau F_G.
gegen : Die Balkenwaage vergleicht Massen (und zeigt überall dasselbe), der Federkraftmesser misst die Gewichtskraft (und zeigt auf dem Mond nur ein Sechstel). Genau diese Trennung macht der Versuch messbar.
Aufbau: Federkraftmesser (Messbereich 5 N) am Stativ, Satz Wägestücke (100 bis 500 g mit Haken). Vor der Messung wird der Kraftmesser mit hängendem Haken auf null gestellt.
5Durchführung
Schritt 1: Nullstellung mit leerem Haken prüfen und ggf. justieren. Schritt 2: 200-g-Stück anhängen, Beruhigung abwarten, ablesen. Schritt 3: Alltagsgegenstände wiegen ( vorher auf der Waage bestimmen), anhängen, ablesen.
6Beobachtung
| Körper | Masse in | gemessen in |
|---|---|---|
| Wägestück | 200 | 1,95 |
| Apfel | 150 | 1,45 |
| Federmäppchen | 320 | 3,15 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Alle drei Messwerte treffen die Kontrollrechnung im Rahmen der Ablesegenauigkeit: Für das Wägestück liefert , gemessen wurden . Auch Apfel () und Mäppchen () passen. Der Kraftmesser misst also verlässlich, und die Faustregel „1 kg entspricht knapp 10 N“ bewährt sich schon hier. Ob hinter dieser Übereinstimmung eine echte Proportionalität steckt, prüft systematisch die zweite Zielsetzung.
8Fazit
Der Federkraftmesser misst die direkt; die Messwerte stimmen mit überein (200 g: rund 1,96 N). und Gewichtskraft sind verschiedene Größen mit festem Umrechnungsfaktor.
9Fehlerbetrachtung
Die Handgriffe entscheiden über die Qualität:
Vergessene Nullstellungeher systematisch
- Ursache
Der leere Haken zieht die Feder bereits etwas.
- Auswirkung
Alle Messwerte sind um das Hakengewicht zu groß (systematisch).
- Verbesserung
Vor jeder Reihe mit leerem Haken nullen.
Ablesen während des Pendelnseher zufällig
- Ursache
Der angehängte Körper schwingt nach.
- Auswirkung
Der Zeiger wandert; Ablesewerte streuen.
- Verbesserung
Beruhigung abwarten, auf Augenhöhe ablesen.
Schräg gehaltener Kraftmessereher systematisch
- Ursache
der Feder im Gehäuse bei Schräglage.
- Auswirkung
Anzeige klemmt etwas unter dem wahren Wert.
- Verbesserung
Senkrecht am Stativ messen, leicht anklopfen.
Das Wichtigste
- Zwei Größen
(kg): Eigenschaft des Körpers, überall gleich. (N): Anziehungskraft des Himmelskörpers, ortsabhängig.
- Der Zusammenhang
mit dem Ortsfaktor auf der Erde: Ein Kilogramm wiegt hier knapp zehn Newton.
- Messreihe als Beweis
Die Proportionalität zeigt sich am konstanten Quotienten und der Ursprungsgeraden im m-F-Diagramm.
- Faustregel
Für Überschläge: ; genau sind es .