Flaschenzug
Feste Rolle, lose Rolle und Flaschenzug: Kraft wird kleiner, Weg wird länger (goldene Regel der Mechanik).
F = G / n, s = n · h
Mechanik
Hubarbeit aus der Grube
Abraum aus einer 5 m tiefen Grube tragen – Hubarbeit und Wirkungsgrad, wenn der Träger sich selbst mit hochhebt.
W = m · g · h
Seilzug mit Umlenkrolle
Dieselbe Grube, aber mit Seil und Umlenkrolle: Niemand steigt mehr mit – der Wirkungsgrad steigt auf nahezu 100 %.
F = G ≈ 196 N, η ≈ 100 %
Hebel am Brunnenschwengel
Zweiseitiger Hebel mit 2 m und 8 m Armlänge: Kraft gegen Weg eintauschen.
F₁ · ℓ₁ = F₂ · ℓ₂
Flaschenzug: schwerer Stein
200-kg-Stein mit ein, zwei oder vier tragenden Seilen heben – und prüfen, wann ein Mensch die Kraft überhaupt aufbringt.
F = G / n, s = n · h
Schiefe Ebene
200-kg-Stein über eine schiefe Ebene ziehen, wahlweise mit Reibung: flacher Winkel = kleine Kraft, langer Weg.
F = G · sin α, L = h / sin α
Kran mit Zahnrad-Winde
Übersetzung 1 : 3 : 6 an der Winde – das Zahnradgetriebe multipliziert die Kraft und den Weg.
F = G · r_T / (i · r_K)
Römerkran mit Tretrad
Tretrad (R = 2 m) auf einer Trommel (r = 0,2 m): zehnfache Kraftübersetzung, Grenze bei etwa 800 kg.
F = G / 10, s = 10 · h
Elektrik
Stromkreis mit Lämpchen
Unterschiedliche Lämpchen in Reihe und parallel schalten und Spannung, Stromstärke und Leistung vergleichen.
U = R · I, P = U · I
Reihenschaltung zweier Widerstände
Amperemeter und zwei Voltmeter zeigen: Die Stromstärke ist überall gleich, die Spannungen teilen sich im Verhältnis der Widerstände.
R = R₁ + R₂, U₁ : U₂ = R₁ : R₂
Steckbrett
Bauteile frei auf ein Schul-Steckbrett stecken – die Schaltung wird aus der Steckung berechnet, inklusive Kurzschluss und Fehlschaltungen.
Reihe · Parallel · Kurzschluss
Braunsche Röhre
Elektronenstrahl im elektrischen Feld: Beschleunigung und Ablenkung im Plattenkondensator.
v = √(2eU_B/m), y ∝ U_y / U_B
Elektromagnetismus
Leiterschaukel
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Hufeisenmagneten – Drei-Finger-Regel räumlich üben.
F = B · I · ℓ
Oerstedt-Versuch
Das Magnetfeld eines geraden Leiters lenkt die Kompassnadel aus dem Erdfeld heraus.
tan α = B_Draht / B_Erde
Induktion am Leiterrahmen
Ein Leiterrahmen fährt durch ein Magnetfeld – Spannung entsteht nur beim Ein- und Austauchen.
U_ind = B · ℓ · v
Elektrochemie
Hofmannscher Zersetzungsapparat
Elektrolyse von Wasser: Wasserstoff sammelt sich am Minuspol, das Volumenverhältnis bleibt 2 : 1.
V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1
Quantenphysik
Fotoeffekt – Aufladungsmethode
Die Fotozelle lädt sich selbst auf, bis kein Elektron mehr ankommt; aus dem U₀(f)-Diagramm lässt sich h bestimmen.
e · U₀ = h · f − W_A
Fotoeffekt – Gegenfeldmethode
Fotozelle mit einstellbarer Gegenspannung: Die maximale kinetische Energie der Elektronen wird direkt ausgemessen.
E_kin,max = h · f − W_A
Hallwachs-Versuch
UV-Licht entlädt eine negativ geladene Zinkplatte am Elektroskop – eine positiv geladene dagegen nicht.
nur negative Ladung wird entladen