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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

Fallbeschleunigung bestimmen

Bestimme mithilfe des Fadenpendels die lokale Fallbeschleunigung gg. Das ist die klassische Anwendung des Pendels: Aus zwei gut messbaren Größen — Pendellänge ll und TT — liefert der bekannte Zusammenhang eine Größe, die sich direkt kaum messen lässt.

Gesucht

  • — Fallbeschleunigung (in )

    Direkt schwer messbar (freier Fall ist zu schnell für die Handmessung) — aber sie steckt in der Periodendauer des Pendels und lässt sich von dort „herausrechnen“.

Gemessen

  • — Pendellänge (in )

    Steht neben TT als zweite Größe in der Pendelgleichung. Wird von der Aufhängung bis zum Schwerpunkt gemessen.

  • — Gesamtzeit für N Schwingungen (in )

    Die eigentliche Zeitmessgröße — aus ihr wird die Periodendauer berechnet (Messstrategie aus Zielsetzung A).

Bekannt

  • — Anzahl der Schwingungen

    Vorher festgelegt und mitgezählt (hier: 20).

Berechnet

  • — Periodendauer (in )

    Zwischengröße: T=t/NT = t/N. Sie verbindet die Zeitmessung mit der Pendelgleichung.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Schritt 1 der Auswertung: aus der Gesamtzeit die Periodendauer.Zur Formelsammlung
  • Schritt 2: die nach gg umgestellte Pendelgleichung — sie macht aus ll und TT das Ergebnis.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Bestimme mithilfe eines Fadenpendels die lokale Fallbeschleunigung gg. Miss dazu die Pendellänge ll und die Zeit für 20 vollständige , berechne daraus die TT und anschließend gg. Vergleiche dein Ergebnis mit dem Literaturwert für Mitteleuropa (g≈9,81 m/s2g \approx 9{,}81\ \mathrm{m/s^2}).

2Vorbetrachtung

Der Gedankengang vor dem Messen. Gesucht ist gg — aber wie kommt man an eine heran, ohne etwas fallen zu lassen? Die Antwort: über eine Größe, in der gg steckt und die sich gut messen lässt. Die des Fadenpendels ist so eine Größe: Sie hängt (bei kleiner Auslenkung) nur von ll und gg ab. Kann ich TT und ll messen, bleibt in der Gleichung nur eine Unbekannte — und die lässt sich freistellen.

Warum das Pendel dafür besonders geeignet ist: Der freie Fall aus Tischhöhe dauert nur etwa 0,45 s0{,}45\ \mathrm{s} — viel zu kurz für eine Handmessung. Das Pendel dagegen wiederholt seinen Vorgang beliebig oft, und über viele wird die Zeitmessung beliebig genau. Das Pendel verwandelt eine schlecht messbare Größe in eine gut messbare.

Woher kommt die Pendelgleichung?

  1. Lenkt man das Pendel aus, wirkt die FG=m⋅gF_\mathrm{G} = m \cdot g senkrecht nach unten. Der Faden lässt aber nur eine Bewegung auf einem Kreisbogen zu. Deshalb wirkt nur der Anteil der Gewichtskraft längs der Bahn rücktreibend — beim Auslenkwinkel φ\varphi ist das:

  2. Das Minuszeichen sagt: Die zeigt immer zur Ruhelage zurück. Für kleine Winkel ist sin⁡φ\sin\varphi fast gleich dem Winkel selbst (im Bogenmaß). Mit dieser Näherung wird die rücktreibende Kraft proportional zur Auslenkung — genau die Bedingung, unter der eine entsteht (das kennst du vom Federschwinger: F=−D⋅yF = -D \cdot y).

  3. Aus dieser Kraftbedingung folgt mit den Mitteln der Oberstufe (Vergleich mit dem Federschwinger, T=2πm/DT = 2\pi\sqrt{m/D}, wobei hier die Rolle von DD der Ausdruck m⋅g/lm \cdot g / l übernimmt) die Periodendauer des Fadenpendels:

  4. Beachte, was nicht in der Formel steht: die mm. Sie steckt sowohl in der rücktreibenden Kraft als auch in der Trägheit des Körpers — und kürzt sich deshalb heraus. Ein schwerer und ein leichter Körper schwingen an gleich langen Fäden gleich schnell. Auch die Auslenkung fehlt: Solange sie klein bleibt, hängt TT nicht von ihr ab.

Die Gleichung nach gg umstellen

  1. Die Pendelgleichung nennt TT, gesucht ist aber gg — die Gleichung muss also nach gg aufgelöst werden. Ausgangspunkt:

  2. gg steht unter der Wurzel — die stört zuerst. Beide Seiten quadrieren (erlaubt, weil beide Seiten positiv sind; es geht keine Lösung verloren):

  3. Jetzt steht gg im Nenner. Beide Seiten mit gg multiplizieren und durch T2T^2 teilen (T≠0T \neq 0, ein schwingendes Pendel hat immer eine Periodendauer):

  4. Ein Blick auf die Struktur lohnt sich: gg ist proportional zu ll, aber umgekehrt proportional zum Quadrat von TT. Ein Fehler in der Zeitmessung wirkt sich deshalb doppelt so stark auf das Ergebnis aus wie ein gleich großer relativer Fehler in der Länge — das wird in der Fehlerbetrachtung wichtig.

3Geräte / Stoffe

Der Grundbestand genügt. Auf zwei Geräte kommt es besonders an: Der Maßstab liefert ll (geht linear ins Ergebnis ein), die Stoppuhr liefert tt (geht über T2T^2 quadratisch ins Ergebnis ein).

  • 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

Entscheidend an der Skizze: ll reicht von der Aufhängung bis zum Schwerpunkt des Körpers. Diese Strecke — nicht die Fadenlänge! — steht in der Formel g=4π2l/T2g = 4\pi^2 l / T^2. Wer nur den Faden misst, misst systematisch zu kurz.

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 0: Pendellänge messen. Stelle eine Pendellänge von etwa 0,50{,}5 bis 1 m1\ \mathrm{m} ein und miss ll von der Unterkante der Aufhängung bis zum Mittelpunkt der Kugel. Miss zweimal unabhängig — ein Ablesefehler hier wandert ungeschwächt ins Ergebnis. Beispielwert für die folgende Auswertung: l=0,700 ml = 0{,}700\ \mathrm{m}.

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

Messwerte für l=0,700 ml = 0{,}700\ \mathrm{m}, jeweils N=20N = 20 Schwingungen
MessungGesamtzeit tt in s\mathrm{s}
133,7
233,4
333,7

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Schritt 1: bestimmen. Mittelwert der Gesamtzeit:

tˉ=33,7 s+33,4 s+33,7 s3=33,6 s\bar{t} = \frac{33{,}7\ \mathrm{s} + 33{,}4\ \mathrm{s} + 33{,}7\ \mathrm{s}}{3} = 33{,}6\ \mathrm{s} T=tˉN=33,6 s20=1,68 sT = \frac{\bar{t}}{N} = \frac{33{,}6\ \mathrm{s}}{20} = 1{,}68\ \mathrm{s}

Schritt 2: Fallbeschleunigung berechnen. Jetzt kommt die umgestellte Pendelgleichung zum Einsatz — sie ist anwendbar, weil die Auslenkung klein gehalten wurde:

g=4π2⋅lT2=4π2⋅0,700 m(1,68 s)2=27,6 m2,82 s2≈9,79 ms2g = \frac{4\pi^2 \cdot l}{T^2} = \frac{4\pi^2 \cdot 0{,}700\ \mathrm{m}}{(1{,}68\ \mathrm{s})^2} = \frac{27{,}6\ \mathrm{m}}{2{,}82\ \mathrm{s}^2} \approx 9{,}79\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}

Schritt 3: Einheiten prüfen. 4π24\pi^2 ist eine reine Zahl; es bleibt m/s2\mathrm{m}/\mathrm{s}^2 — die Einheit einer . Das ist kein Selbstzweck: Eine falsche Einheit an dieser Stelle hieße, dass beim Umstellen oder Einsetzen etwas schiefgegangen ist.

Schritt 4: Plausibilität und Vergleich. Der Literaturwert für Mitteleuropa beträgt g≈9,81 m/s2g \approx 9{,}81\ \mathrm{m/s^2}. Der Messwert 9,79 m/s29{,}79\ \mathrm{m/s^2} weicht um rund 0,2 %0{,}2\,\% ab — deutlich weniger als die Messunsicherheit dieser Handmessung (einige Prozent, siehe Fehlerbetrachtung). Das Ergebnis ist also im Rahmen der Messgenauigkeit mit dem Literaturwert verträglich. Wichtig für die Bewertung: Eine einzelne Messung „beweist“ die Pendelgleichung nicht — sie zeigt, dass Messwert und Erwartung im Rahmen der Unsicherheit zusammenpassen.

8Fazit

Aus l=0,700 ml = 0{,}700\ \mathrm{m} und T=1,68 sT = 1{,}68\ \mathrm{s} ergibt sich im Beispiel eine Fallbeschleunigung von g≈9,79 m/s2g \approx 9{,}79\ \mathrm{m/s^2}. Das Ergebnis liegt innerhalb der Messunsicherheit beim Literaturwert 9,81 m/s29{,}81\ \mathrm{m/s^2} — die Fragestellung ist beantwortet. Bemerkenswert ist die Methode: Eine Größe, die sich direkt kaum messen lässt, wurde über einen physikalischen Zusammenhang aus zwei gut messbaren Größen bestimmt. Dieses Prinzip — indirekt messen über eine bekannte Beziehung — trägt einen großen Teil der experimentellen Physik.

9Fehlerbetrachtung

Bei dieser Zielsetzung lohnt der Blick auf die Empfindlichkeit: g=4π2l/T2g = 4\pi^2 l/T^2 bedeutet, dass ein relativer Fehler in ll einfach und ein relativer Fehler in TT doppelt ins Ergebnis eingeht. Die Fehlerquellen unten sind danach geordnet, worauf sie wirken.

Pendellänge nicht bis zum Schwerpunkt gemesseneher systematisch

Ursache

Gemessen wird versehentlich bis zum oberen Rand des Pendelkörpers oder nur die Fadenlänge — der Schwerpunkt der Kugel liegt aber einen Kugelradius tiefer.

Auswirkung

ll ist systematisch zu klein, und wegen g∼lg \sim l wird auch gg um denselben Prozentsatz zu klein. Bei 1 cm1\ \mathrm{cm} Fehler auf 0,70 m0{,}70\ \mathrm{m} sind das 1,4 %1{,}4\,\% — mehr als die gesamte Streuung der Zeitmessung.

Verbesserung

Bis zum Kugelmittelpunkt messen (Kugeldurchmesser mit Messschieber bestimmen und den Radius zur Fadenlänge addieren), Messung von einer zweiten Person kontrollieren lassen.

Reaktionszeit bei der Zeitmessungeher zufällig

Ursache

Verzögerung zwischen Beobachten und Drücken beim Starten und Stoppen der Uhr.

Auswirkung

TT streut; wegen g∼1/T2g \sim 1/T^2 geht die Streuung doppelt in gg ein. Durch N=20N = 20 und Mittelwertbildung bleibt sie typisch unter 2 %2\,\%.

Verbesserung

Mehr , mehrere Messreihen, am Umkehrpunkt zählen; ideal: Lichtschranke.

Zu große Auslenkungeher systematisch

Ursache

Die verwendete Formel beruht auf der Kleinwinkelnäherung. Bei großer Auslenkung dauert die echte länger, als T=2πl/gT = 2\pi\sqrt{l/g} vorhersagt.

Auswirkung

Das gemessene TT ist größer als der Näherungswert — gg wird systematisch unterschätzt. Bei 30∘30^\circ Auslenkung um rund 3,4 %3{,}4\,\% (doppelter Periodenfehler von 1,7 %1{,}7\,\%).

Verbesserung

Auslenkung unter etwa 10∘10^\circ halten — dann bleibt der Effekt unter 0,4 %0{,}4\,\% in gg und damit unterhalb der übrigen Messunsicherheit.

Zählfehlereher systematisch

Ursache

„Eins“ beim Start oder eine halbe statt ganze gezählt.

Auswirkung

Grober Fehler: TT und damit gg liegen um 5 %5\,\% oder mehr daneben — ein Zählfehler um eine ganze verschiebt gg um rund 10 %10\,\%.

Verbesserung

Feste Zählregel, laut zählen, zwei Personen zählen unabhängig.

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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