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Freier Fall

SchulversuchMechanikKlasse 9Standard

Worum geht es?

Der freie Fall ist die gleichmäßig Bewegung der Natur: Ohne Luftwiderstand fallen alle Körper mit derselben Beschleunigung gg. Der Versuch prüft zuerst qualitativ, dass die keine Rolle spielt (Münze gegen Papier, mit entscheidender Zusatzidee), und vermisst dann Fallzeiten aus verschiedenen Höhen: Quadratgesetz und gg-Wert inklusive.

Warum macht man dieses Experiment?

Dass alle Körper gleich fallen, ist eine der folgenreichsten Einsichten der Physik: Sie widerlegte zwei Jahrtausende Aristoteles, machte die Fallbeschleunigung zur universellen Ortskonstante und wurde bei Einstein zum Fundament der Gravitationstheorie. Praktisch liefert der Versuch den g-Wert, der in , und Pendel überall wieder auftaucht: hier einmal selbst gemessen statt geglaubt.

Die physikalische Idee

Teil 1: Münze und Papierstück fallen ungleich, aber zerknüllt man das Papier, fallen sie gleich. Der Unterschied lag an der Luft, nicht an der . Teil 2: Eine Kugel fällt aus gemessenen Höhen; die Fallzeiten (elektronisch oder per Video gestoppt) prüfen h=12gt2h = \tfrac{1}{2} g t^2, und die Umstellung liefert g=2h/t2g = 2h/t^2.

Benötigtes Vorwissen

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

Wissenschaftliche Einordnung

Galilei begründete die Massenunabhängigkeit um 1600 (Gedankenexperiment und Rampenversuche); der Legende nach warf er Kugeln vom Turm zu Pisa. Die berühmteste Bestätigung lieferte Apollo 15 (1971): Hammer und Feder fielen auf dem Mond sichtbar gleich.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Fallbeschleunigung g bestimmen

Bestimme die Fallbeschleunigung gg aus Fallhöhe und elektronisch gemessener Fallzeit, mit Quadratgesetz-Kontrolle über mehrere Höhen.

Gesucht

  • — Fallbeschleunigung (in )

    Die Ortskonstante des freien Falls.

Gemessen

  • — Fallhöhe (in )

    Kugelunterkante bis Aufschlagplatte, per Maßstab.

  • — Fallzeit (in )

    Elektronisch (Magnet-Start, Kontakt-Stopp): Millisekunden-genau, ohne Reaktionszeit.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Das Fallgesetz (Start aus der Ruhe): die Grundlage der Auswertung.Zur Formelsammlung
  • Die nach g umgestellte Form: macht aus jedem (h, t)-Paar einen g-Wert.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Miss die Fallzeit der Stahlkugel für die Höhen 0,50 m, 1,00 m, 1,50 m und 2,00 m (je drei Läufe). Prüfe das Quadratgesetz über die Höhenreihe und bestimme gg als Mittelwert. Vergleiche mit dem Literaturwert.

2Vorbetrachtung

Warum elektronisch gemessen werden muss: Aus 2 m dauert der Fall nur etwa 0,64 s0{,}64\ \mathrm{s}: Zwei Handreaktionszeiten (je 0,2 bis 0,3 s) wären größer als der halbe Messwert, und weil tt quadratisch in gg eingeht, verdoppelt sich jeder Zeitfehler im Ergebnis. Der Haltemagnet löst die Uhr beim Abschalten aus, die Kontaktplatte stoppt beim Aufprall: Reaktionszeit null.

Die eingebaute Gesetzeskontrolle: Vier Höhen liefern vier unabhängige gg-Werte. Nur wenn der Fall wirklich dem Quadratgesetz folgt, stimmen sie überein: Die Messreihe prüft Gesetz und Konstante in einem. Vorab-Erwartung über t=2h/gt = \sqrt{2h/g}: 0,32 / 0,45 / 0,55 / 0,64 s.

3Geräte / Stoffe

Fallgerät mit Haltemagnet, Kontaktplatte und Digitaluhr; Maßstab. Die Höhe wird von der Kugel-UNTERkante bis zur Platte gemessen: Die Kugel fällt genau diese Strecke.

  • Stahlkugel mit Haltemagnet und Kontaktplatte

    Elektronische Fallzeitmessung: Loslassen startet die Uhr, Aufprall stoppt sie. Keine Reaktionszeit.

  • Maßstab (2 m)

    Misst die Fallhöhe von Kugelunterkante bis Platte.

  • Münze und Papier (glatt und geknüllt)

    Das qualitative Vorexperiment zur Massenfrage.

  • Evakuierbares Fallrohr (falls vorhanden)

    Die Krönung: Feder und Kugel fallen im Vakuum exakt gleich.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Stativ mit Magnet oben, Platte unten, Maßstab dazwischen; Beschriftung der gemessenen Strecke h (Unterkante bis Platte).

Freier Fall: alle 0,2 s ein BlitzStart, t = 019,6 cm0,2 sv = 1,96 m/s58,9 cm0,4 sv = 3,92 m/s98,1 cm0,6 sv = 5,89 m/sDer Weg wächst quadratisch, das Tempo gleichmäßig

Das Fallgesetz im Bild: In gleichen Zeitabschnitten wachsen die Fallstrecken wie 1 : 3 : 5, das Kennzeichen konstanter , hier der Fallbeschleunigung gg.

Aufbau: Stahlkugel mit Haltemagnet und elektronischer Fallzeitmessung (Startkontakt am Magneten, Stoppkontakt an der Auffangplatte); Maßstab für die Fallhöhe. Ersatzweise: Smartphone-Video mit Zeitlupe und Referenzmaßstab. Für Teil 1: Münze, Papierblatt, möglichst Fallrohr mit Luftpumpe.

5Durchführung

Schritt 1: Höhe auf 0,50 m einstellen und nachmessen.

Schritt 2: Kugel an den Magneten, Uhr nullen, Magnet abschalten: Fallzeit notieren. Drei Läufe.

Schritt 3: Für 1,00, 1,50 und 2,00 m wiederholen.

6Beobachtung

Fallzeiten (Mittel aus je drei Läufen)
hh in m\mathrm{m}tt in s\mathrm{s}g=2h/t2g = 2h/t^2 in m/s2\mathrm{m/s^2}
0,500,329,77
1,000,4529,79
1,500,5549,77
2,000,6409,77

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Gesetzeskontrolle: Alle vier Höhen liefern denselben gg-Wert: Der Fall folgt dem Quadratgesetz (vierfache Höhe, doppelte Zeit: 0,32→0,64 s0{,}32 \to 0{,}64\ \mathrm{s} bei 0,5→2,0 m0{,}5 \to 2{,}0\ \mathrm{m}).

Ergebnis:

g=2⋅2,00 m(0,640 s)2=4,000,4096 ms2≈9,77 ms2g = \frac{2 \cdot 2{,}00\ \mathrm{m}}{(0{,}640\ \mathrm{s})^2} = \frac{4{,}00}{0{,}4096}\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s^2}} \approx 9{,}77\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s^2}}

Mittelwert der Reihe: g=9,78 m/s2g = 9{,}78\ \mathrm{m/s^2}, um etwa 0,30{,}3 Prozent unter dem Literaturwert 9,81 m/s29{,}81\ \mathrm{m/s^2}: im Rahmen der Messgenauigkeit, mit einem kleinen systematischen Rest (Luftwiderstand und Magnet-Abklingzeit bremsen bzw. verspäten minimal, beide drücken gg nach unten: siehe Fehlerbetrachtung).

Anschluss: Mit diesem gg sind (FG=mgF_G = mg), Lageenergie (E=mghE = mgh) und Pendelformel versorgt: Die hier gemessene Zahl arbeitet in der halben Schulphysik weiter. Das Fadenpendel-Experiment bestimmt dieselbe Konstante auf völlig anderem Weg: Der Vergleich beider Methoden ist eine schöne Anschlussaufgabe.

8Fazit

Der freie Fall folgt h=12gt2h = \tfrac{1}{2}gt^2 über alle vier Höhen; die Fallbeschleunigung beträgt g=9,78 m/s2g = 9{,}78\ \mathrm{m/s^2} (Literaturwert 9,81, Abweichung 0,3 Prozent). Die Ortskonstante der Mechanik ist selbst gemessen.

9Fehlerbetrachtung

Bei elektronischer Zeitmessung bleiben nur kleine, aber systematische Effekte:

Abklingzeit des Haltemagneteneher systematisch

Ursache

Nach dem Abschalten hält der Restmagnetismus die Kugel Millisekunden fest, die Uhr läuft schon.

Auswirkung

Gemessene Zeiten minimal zu lang, gg systematisch zu klein: der Hauptanteil der 0,3-Prozent-Abweichung.

Verbesserung

Gerät mit Abrisskontakt an der Kugel; oder Verzögerung durch Vergleich zweier Höhen herausrechnen.

Luftwiderstand der Kugeleher systematisch

Ursache

Auch die kompakte Stahlkugel spürt die Luft minimal.

Auswirkung

Bei 2 m unter einem Promille: hier vernachlässigbar, bei größeren Höhen wachsend.

Verbesserung

Kompakte, Fallkörper; Höhen unter wenigen Metern.

Höhenmessung auf den falschen Punkteher systematisch

Ursache

Gemessen wird versehentlich bis zur Kugelmitte oder Magnetkante.

Auswirkung

Ein Zentimeter auf 2 m macht 0,5 Prozent in gg: mehr als die gesamte übrige Unsicherheit.

Verbesserung

Konsequent Unterkante bis Plattenoberkante messen, zweite Person kontrolliert.

Das Wichtigste

Massenunabhängigkeit

Ohne Luftwiderstand fallen alle Körper gleich schnell: Der Alltagseindruck „schwer fällt schneller“ ist ein Lufteffekt.

Das Gesetz

Der freie Fall ist gleichmäßig : h=12gt2h = \tfrac{1}{2} g t^2 mit g≈9,81 m/s2g \approx 9{,}81\ \mathrm{m/s^2}.

Messprinzip

g=2h/t2g = 2h/t^2: Höhe gut messbar, Zeit elektronisch. So wird die Naturkonstante des Ortes zugänglich.

Größengefühl

Aus 2 m fällt ein Körper 0,64 s und schlägt mit 6,3 m/s (23 km/h) auf: Fallhöhen sind schnell unterschätzt.

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