1.2.1 Die Experimentierwippe

Die Voraussetzung für die Entdeckung von Bewegungsgesetzen ist die genaue Beschreibung von Bewegungen. Deshalb wird ein Messgerät gewünscht, welches eine laufende Aufzeichnung eines Körperstandortes ermöglicht. Angesichts der leistungsfähigen Instrumente, die es zur Registrierung elektrischer Größen gibt (x-y-t -Schreiber, Rechner mit AD-Wandler), ist der Wunsch nach einem Messwandler verständlich, der eine elektrische Messung mechanischer Größen ermöglicht, damit die eben genannten Instrumente zur Aufzeichnung mechanischer Größen herangezogen werden können.

Spule als Messwandler Zur Messung kleiner Verschiebungen ist eine Spule aus isoliertem Kupferdraht geeignet (siehe Abb. 1). Wird ein bis zur Spulenmitte hineinreichender Magnet ein wenig verschoben, dann fließt durch das angeschlossene Messgerät eine zur Verschiebung proportionale elektrische Ladung. Sie wird mit der Einheit Coulomb (1 Coulomb entspricht ca. 62418 ·1014 Elektronen) angezeigt. Größere Verschiebungen kann man auf diese Weise nur dann messen, wenn man dafür sorgt, dass mit ihnen kleinere Verschiebungen einhergehen. Dies gelingt mit der sogenannten Experimentierwippe, welche in den folgenden 3 Abbildungen dargestellt ist. | Abb. 1

Abb. 2: Oberseite der Wippe

Abb. 3: Unterseite der Wippe

Eine gerahmte Glasplatte ist in ihrer Mitte (siehe Abb. 3) mit zwei dünnen Eisenbändern an einem Aluminiumrahmen befestigt. Die Eisenbänder lassen eine Drehung der Platte um deren Mitte gegen den Widerstand einer Blattfeder (Rückstellfeder) am linken Rand der Wippe zu (siehe Abb. 3). Eine geringe Drehung erfährt die Platte z.B. dann, wenn eine Kugel oder ein Experimentierwagen über sie rollt. Die der Verschiebung der Experimentierobjekts proportionale Drehung ist bei einer Masse m des Objekts < 0,15 kg geringer als 0,1° und hat somit keinen merkbaren Einfluss auf die Bewegung.

Die Eigenschwingung der Platte (10 Schwingungen/Sekunde) kann mit Fett zwischen zwei Aluminiumplättchen am rechten Rand der Wippe gedämpft werden.

Zur Messung der Drehung ist am äußeren Rahmen, in einem Gehäuse verborgen, eine Spule mit vielen Windungen aus gelacktem Kupferdraht befestigt (siehe Abb. 4). In diese Spule ist ein sehr starker, kleiner Stabmagnet eingeführt, der an der beweglichen Wippe befestigt ist.

Abb. 4: Funktionsskizze

Nach Eingabe von „157“ und „START“ wird diese von einer rollenden Kugel verursachte Drehung in übertriebener Weise dargestellt.

Anmerkungen zum Umgang mit der Wippe für Lehrer (anklicken !)

Wenn sich die Wippe dreht (weniger als 0,1°), dann verursacht der Magnet eine zur Drehung proportionale Ladungsverschiebung in der Spule. Ein an die Spule angeschlossener Rechner registriert in regelmäßigen Zeitabständen Ladungen und ordnet ihnen nach einem Messprogramm die entsprechenden Verschiebungen zu. Die Messergebnisse werden durch Punkte P dargestellt, die mit ihren Abständen von zwei senkrecht zueinander stehenden Zahlengeraden sowohl die jeweils erfolgte Verschiebung als auch die zugehörende Verschiebungsdauer anzeigen. Es entsteht ein sogenanntes Weg-Zeit-Diagramm. In Abb. 5 ist ein solches Diagramm zu sehen; es wurde während der Rollbewegung einer Kugel auf der waagrecht eingestellten Wippe aufgenommen. P, einer der vielen Messpunkte auf einer ansteigenden Strecke, zeigt mit seinen Abständen von den beiden Zahlengeraden an, dass während der Zeit von 6 Sekunden 30 cm zurückgelegt wurden.

Möchte man wissen, welcher Weg in 8s zurückgelegt wird, dann muss man von der zu 8s gehörenden Zeitmarke eine senkrecht nach oben bis zur Weg-Zeit-Kurve reichende Strecke errichten. Diese Strecke entspricht 39 cm. Man stelle sich während der Entwicklung eines solchen Weg-Zeitdiagramms eine gleichförmig nach rechts über eine Zeitskala gleitende, senkrechte Strecke s vor, deren Länge jeweils dem zurückgelegten Weg entspricht und deren oberes Ende eine Spur hinterlässt. | Abb. 5

Zur Erklärung der Bedeutung eines solchen Diagramms dient die Bilderserie, die nach dem Eintrag einer „1“ am oberen Bildrand und „START“ zu sehen ist. Der Zeiger eines Messgeräts ist am linken Rand abgebildet. Er beschreibt die Bewegung eines Wagens auf der Wippe in einem kleineren Maßstab. Der vom Wagen zurückgelegte Weg wird durch eine der Verschiebung des Wagens proportionale Strecke dargestellt, deren eines Ende mit dem Zeiger auf und ab geht. Eine dazu parallele, kongruente Strecke läuft gleichförmig über den Bildschirm und hinterlässt hierbei eine Spur ihres oberen Endes. An dieser, unter dem Namen „Zeit-Weg-Diagramm“ bekannten Spur, kann man genau ablesen, welcher Weg s bis zu einem bestimmten Zeitpunkt t vom Wagen zurückgelegt wurde.