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Dreistufige

Dreistufige Magnet-Kanone MAD5370 Bedienungsanleitung Lieferumfang 1 Magnetkanone 2 Stahlkugeln Durchmesser 16 mm 8 Stahlkugeln Durchmesser 20 mm 1 Behälter mit Deckel Die Magnetkanone Die Magnetkanone ist ein mechanisches Gerät, das erlaubt, Konzepte wie Energiestrukturen, exothermische Systeme und reversible Reaktionen auf intuitive, einfache Art zu erforschen, ohne rechnen zu müssen. Es ist spannend, mechanische Systeme zu untersuchen und zu verstehen, indem man Gleichgewichte, Gleichheiten und Symmetrien in Betracht zieht, ohne sich mit analytischen oder mathematischen Details herumzuschlagen. Experiment Plaziere die Magnete und die 20mm Stahlkugeln wie in Fig. 1 dargestellt. Ziehe Kugel 1 der Schiene entlang vom Magneten so weit weg, dass sie nicht mehr vom Magneten angezogen wird. Stosse sie dann in Richtung Magnet mit geringer Geschwindigkeit. In Fig. 2 ist die Ausgangsposition dargestellt. Kugel 1 wird nun vom Magneten angezogen und stösst mit ihm zusammen. Die kinetische Energie von Kugel 1 wird nun über den Magneten und Kugel 2 auf Kugel 3 schockartig übertragen. Die Energie, die Kugel 3 benötigt um sich von Magnet A und dessen Anziehungskraft zu lösen, ist wegen der Zwischenstellung von Kugel 2 jedoch etwas geringer als die Energie der Stosswelle. Als Folge entfernt sich Kugel 3 vom Magneten A dank der verbleibenden Energie mit einer Geschwindigkeit die grösser ist als die Ausgangsgeschwindigkeit V1. Gleichzeitig erhält sie zusätzliche Energie durch die Anziehungskraft von Magnet B. Sie stösst infolgedessen heftig mit Magnet B zusammen. Dasselbe geschieht nun mit Kugel 5, welche gegen Magnet C und mit Kugel 7 zusammenstösst, die schliesslich mit grosser Geschwindigkeit weggeschossen wird. Fig. 3 zeigt die Endstellung der Stahlkugeln. S.15_PHY_Magnetic-Gun Richtpreise exkl. MwSt./ Januar 2018

Erklärung Die Magnetkanone besteht aus 3 Komponenten, wie in Fig. 4 beschrieben (Kugel 1, Kanone, Kugel 7). Während des Experiments hat sich weder die Masse der Kugeln 1 und 7 noch die der Kanone verändert. Die Anfangsgeschwindigkeit von Kugel 7, d.h. deren kinetische Energie, ist jedoch viel höher als die Endgeschwindigkeit von Kugel 1, während die Kanone null Anfangs- und null Endgeschwindigkeit hat und daher null kinetische Energie. Entgegen dem Gesetz der Erhaltung der Energie ist in diesem Experiment die Gesamtenergie jedoch höher als die Anfangsenergie. Woher stammt also die zusätzliche Energie? (Hinweis: Ein geringer Verlust, von der Arbeitsfläche verursacht, muss in Betracht gezogen werden, ebenso die Aufrechterhaltung des Schwungs. Energieanpassungen nach dem Experiment lohnen sich jedoch nicht). Betrachte die Magnetkanone sorgfältig bei Beginn und am Ende des Experiments. Die Stahlkugeln haben unterschiedliche Anfangs- und Endstellungen, auch Patterns genannt. Intuitiv kannst du verstehen, dass es einen unterschiedlichen Energiegehalt gibt zwischen dem höheren Energiegehalt der Ausgangsposition und dem geringeren des Schlusspatterns der Magnetkanone. Wie kann man die festgestellten Energiedifferenzen besser verstehen und erklären? Bringe Kugel 5 und 3 an ihre Ausgangsposition zurück indem du sie der Schiene entlang schiebst. Eine gewisse Kraft muss ausgeübt werden, um das Magnetfeld zu überwinden. Es muss also Energie aufgewendet werden, um die Kugeln an die Ausgangsposition zu bringen, was zeigt, dass der Energiegehalt der Ausgangsposition höher ist als der der Endstellung. Schliesslich sind beide Patterns stabil trotz des unterschiedlichen Energiegehalts. Und sie bleiben stabil, bis Zusatzenergie eingebracht wird dadurch, dass Kugel 1 mit Magnet A zusammenstösst. Die Zusatzenergie führt dazu, dass sich Pattern 1 in Pattern 2 verwandelt, wobei weitere Energie freigesetzt wird. Das Experiment ist in jeder Hinsicht ein Beispiel einer exothermischen Reaktion. Die Kugel, die von der Magnetkanone ausgestossen wird, kann dazu benützt werden, eine weitere Kanone anzustossen und so eine Kettenreaktion auszulösen. Gibt es ähnliche Beispiele in der Natur? Nimm eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff im richtigen Mischungsverhältnis (= Ausgangspattern). Die beiden Gase reagieren so nicht. Wird die Mischung jedoch über den Zündpunkt hinaus erhitzt, indem Zusatzenergie eingesetzt wird, reagieren die beiden Gase und verschmelzen zu Wasser (=Endpattern). Die Reaktion produziert zusätzlich Hitze, d.h. Überschussenergie. Allgemein ausgedrückt trifft das auf alle exothermischen Reaktionen zu. Weitere Experimente Wiederhole das Experiment, indem du Kugel 7 durch eine Stahlkugel von 20 mm Durchmesser und dann mit einer von 16 mm ersetzt. Du wirst feststellen, dass die kleinere Kugel viel schneller ist als die grössere. Die Kleinere hat weniger Masse, wird aber von der selben kinetischen Energie angestossen und schiesst daher schneller weg. Anmerkung Der Plastikbehälter, der zum Baukasten gehört, kann zum Auffangen der Kugeln benützt werden, die von der Kanone ausgestossen werden. Es ist ein Zusatzgerät erhältlich (Art.-Nr. MAD5371), das die halb-quantitative Messung der kinetischen Energie der ausgestossenen Projektile erlaubt. Best. Nr. Bezeichnung Preis MAD5370 Magnetic-Gun 3-teilig, inkl. Kugeln Fr. 284.00 MAD5371 Energie-Messvorrichtung Fr. 135.00 MAD1364 Kugelbahn HOLZ Fr. 95.00 S.15_PHY_Magnetic-Gun Richtpreise exkl. MwSt./ Januar 2018