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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

Periodendauer bestimmen und Formel prüfen

Bestimme die des Federpendels mit m=0,25 kgm = 0{,}25\ \mathrm{kg} und prüfe die Vorhersage T=2πm/DT = 2\pi\sqrt{m/D} mit der bekannten .

Gesucht

  • — Periodendauer (in )

    Über T=t/NT = t/N aus der 20-Schwingungen-Zeit.

Gemessen

  • — Zeit für N Schwingungen (in )

    Die eigentliche Messgröße (N = 20).

Bekannt

  • — Schwingende Masse (in )

    0,25 kg Hakenmasse (die kleine Federmasse bleibt unberücksichtigt, siehe Fehlerbetrachtung).

  • — Federkonstante (in )

    25 N/m, im Hooke-Experiment an derselben Feder gemessen: die Verkettung zweier Versuche.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die geprüfte Vorhersage: Periodendauer aus Masse und Federhärte, ganz ohne Schwerkraft und Amplitude.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Lass das Federpendel (0,25 kg an der 25-N/m-Feder) mit kleiner schwingen, miss dreimal die Zeit für 20 und vergleiche die mit der Formelvorhersage.

2Vorbetrachtung

Woher die Formel kommt (Plausibilisierung): Die Rückstellkraft wächst mit der Auslenkung (F=−DyF = -Dy, Hooke), die Trägheit mit der . Ein härteres D stärker zurück (schnellerer Takt), ein größeres m folgt träger (langsamerer Takt). Das Verhältnis m/Dm/D bestimmt also das Tempo, und die vollständige Rechnung der Oberstufe liefert den Vorfaktor 2π2\pi samt Wurzel. Auffällig ist, dass gg fehlt: Die Schwerkraft verschiebt nur die Ruhelage (die Feder hängt vorgedehnt), am Hin- und Herschwingen um diese Lage ändert sie nichts.

Die Zahlenvorhersage:

T=2π0,25 kg25 N/m=2π⋅0,1 s≈0,63 sT = 2\pi\sqrt{\frac{0{,}25\ \mathrm{kg}}{25\ \mathrm{N/m}}} = 2\pi \cdot 0{,}1\ \mathrm{s} \approx 0{,}63\ \mathrm{s}

Für 20 also rund 12,6 s12{,}6\ \mathrm{s}: bequem messbar, und die Reaktionszeit fällt auf ein Zwanzigstel zusammen (Strategie des Fadenpendels).

3Geräte / Stoffe

Feder mit eingehängter am Stativ; senkrecht anzupfen (etwa 3 cm nach unten ziehen und loslassen), nicht seitlich: Pendelbewegungen quer würden die Zählung stören.

  • 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

Federpendel in Ruhelage und in beiden Umkehrlagen; die Ruhelage (vorgedehnte Feder) als Nulllinie der markiert.

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

Schritt 1: einhängen, Ruhelage abwarten.

Schritt 2: Etwa 3 cm nach unten auslenken, loslassen; nach zwei Einschwing-Perioden am unteren Umkehrpunkt „null“ starten und 20 zählen.

Schritt 3: Dreimal messen, Mittelwert bilden.

6Beobachtung

Zeitmessungen (m=0,25 kgm = 0{,}25\ \mathrm{kg}, N=20N = 20)
Messungtt in s\mathrm{s}
112,7
212,5
312,6

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

:

tˉ=12,6 sT=12,620=0,63 s\bar{t} = 12{,}6\ \mathrm{s} \qquad T = \frac{12{,}6}{20} = 0{,}63\ \mathrm{s}

Formelvergleich: Der Messwert trifft die Vorhersage 0,63 s0{,}63\ \mathrm{s} exakt. Die Formel besteht mit der unabhängig (im Hooke-Experiment!) bestimmten . Zwei stützen sich gegenseitig, ohne dass eine Größe angepasst wurde: die stärkste Form der Bestätigung.

Umkehrbar als Messverfahren: D=4π2m/T2=4π2⋅0,25/0,632≈24,9 N/mD = 4\pi^2 m/T^2 = 4\pi^2 \cdot 0{,}25/0{,}63^2 \approx 24{,}9\ \mathrm{N/m}. Das Pendel misst seine eigene Feder auf ein halbes Prozent genau, schneller als jede Hooke-Messreihe. Und nach m aufgelöst wird es zur Waage, die keine Schwerkraft braucht.

8Fazit

Das Federpendel mit T=0,63 sT = 0{,}63\ \mathrm{s}, exakt wie 2πm/D2\pi\sqrt{m/D} mit der unabhängig gemessenen vorhersagt. Die Formel ist bestätigt und als Messverfahren für D oder m nutzbar.

9Fehlerbetrachtung

Neben der bekannten Zeitmess-Streuung hat das Federpendel eine eigene systematische Feinheit:

Mitschwingende Federmasseeher systematisch

Ursache

Auch die Feder selbst bewegt sich; ihr oberes Ende weniger, ihr unteres voll.

Auswirkung

Wirksam etwa ein Drittel der Federmasse mit. Bei 30 g Feder sind das 10 g auf 250 g, also rund 2 Prozent mehr wirksame und 1 Prozent längeres T: an der Grenze der Messauflösung.

Verbesserung

Leichte Feder gegen schwere wählen; für Präzision m+mFeder/3m + m_\mathrm{Feder}/3 ansetzen.

Seitliches Mitpendelneher zufällig

Ursache

Schräges Anzupfen regt zusätzlich eine Pendelbewegung an.

Auswirkung

Zwei überlagerte Takte machen das Zählen unsicher.

Verbesserung

Exakt senkrecht auslenken; bei sichtbarem Taumeln neu starten.

Reaktionszeiteher zufällig

Ursache

Start/Stopp von Hand.

Auswirkung

±0,2 s auf 12,6 s: unter 2 Prozent, durch N = 20 auf T bezogen unter 0,1 Prozent pro : die Messstrategie trägt.

Verbesserung

Am unteren Umkehrpunkt zählen (deutlichster Moment).

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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