In meiner Facharbeit, über den Bau einer Gravitationswaage und der Bestimmung der Gravitationskonstanten bin ich zuerst auf die physikalischen Grundlagen eingegangen, wie die Keplerschen Gesetze sowie das Gravitationsgesetz. Daraufhin habe ich mit Hilfe dieser Gesetze eine Gleichung zur Bestimmung der Gravitationskonstanten hergeleitet.
Mittels dieser Gleichung habe ich nun selbst versucht die Gravitationskonstante zu bestimmen, mit einer Gravitationswaage nach dem Vorbild Cavendish. Zum Schluss habe die Ergebnisse ausgewertet und mit den aktuellen verglichen, sowie eine Fehlerquellenanalyse betrieben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Zielstellung
1.2 Forschungsstand
2 Vorbetrachtungen
2.1 Keplersche Gesetze
2.2 Newtons Gravitationsgesetz
2.3 Aufbau der Gravitationswaage
2.4 Funktionsweise der Gravitationswaage
2.5 Gleichung zur Bestimmung der Gravitationswaage
3 Bau der Gravitationswaage und Messwertaufnahme
4 Auswertung
4.1 Berechnung von G
4.2 Fehlerquellen
4.3 Resultat
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem experimentellen Nachbau einer Gravitationswaage nach Cavendish unter Verwendung von Alltagsgegenständen, um die Gravitationskonstante G zu bestimmen und kritisch zu bewerten.
- Herleitung des Newtonschen Gravitationsgesetzes
- Physikalische Grundlagen der Gravitationsphysik und Keplersche Gesetze
- Konstruktiver Aufbau einer Gravitationswaage mit einfachen Mitteln
- Experimentelle Durchführung und Messwertaufnahme
- Analyse von Fehlerquellen und Vergleich mit wissenschaftlichen Standards
Auszug aus dem Buch
2.3 Aufbau der Gravitationswaage
Cavendishs Experiment funktioniert nach dem Prinzip der Anziehungskraft von Newton. Die Gravitationswaage besteht aus zwei gleich schweren Kugeln M1 und M2, welche drehbar gelagert werden. Auf demselben Radius x, wie die großen Kugeln werden, zwei kleine Kugeln m1 und m2 mit geringerer Masse an einen Torsionsdraht über einem Hantelarm befestigt. Der Abstand der kleinen Kugeln von der Drehachse wird mit der Variablen d bezeichnet. An dem Torsionsdraht wird ein Spiegel befestigt, auf welchen ein Laserstrahl gerichtet wird. Durch die Reflektion des Laserstrahls kann man auf einer Skala, welche in der Entfernung L positioniert ist, die Strecke S um welche sich der Laserstrahl, durch die Rotation der Kugeln m1 und m2, bewegt, bestimmen. Da der Winkel, um welchen sich die kleinen Massen drehen, nur sehr gering ist, ist ein großer Abstand zwischen Waage und Skala von Vorteil. Vor dem Beginn des Experiments wird die Waage in eine Gleichgewichtslage gebracht, das heißt die schweren Kugeln werden in ihre erste Position gebracht (rot). Der Abstand zwischen den kleinen Kugeln und den großen Kugeln in ihrer Endstellung wird als r bezeichnet. Im Optimalfall ist diese Konstruktion in einer Wand verankert, um Verfälschungen bei den Messungen, unter anderem durch Schwingungen zu vermeiden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einführung erläutert die fundamentale Bedeutung der Gravitationskraft und begründet das Interesse an der experimentellen Bestimmung der Gravitationskonstante.
2 Vorbetrachtungen: Dieses Kapitel liefert die theoretische Basis durch die Darstellung der Keplerschen Gesetze und die mathematische Herleitung des Newtonschen Gravitationsgesetzes sowie den Aufbau der Versuchsapparatur.
3 Bau der Gravitationswaage und Messwertaufnahme: Hier wird die praktische Umsetzung des Experiments mit Alltagsgegenständen und die Durchführung der Messungen detailliert beschrieben.
4 Auswertung: Dieser Teil enthält die Berechnung der Gravitationskonstante, die Diskussion auftretender Fehlerquellen sowie ein reflektierendes Resultat der gesamten Arbeit.
Schlüsselwörter
Gravitation, Gravitationskonstante, Cavendish, Gravitationswaage, Newton, Keplersche Gesetze, Torsionsdraht, Drehmoment, Physik, Experiment, Naturkonstante, Messfehler, Hantelarm, Mechanik, Schwingungsdauer
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die experimentelle Bestimmung der Gravitationskonstante durch den Bau einer eigenen Gravitationswaage nach dem Vorbild von Henry Cavendish.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der theoretischen Herleitung des Gravitationsgesetzes, der Konstruktion eines physikalischen Versuchsaufbaus und der anschließenden kritischen Auswertung der Messergebnisse.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es zu prüfen, ob die Bestimmung der Gravitationskonstante mit einfachen Alltagsgegenständen unter Beibehaltung des Versuchsaufbaus nach Cavendish möglich ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle Methode angewandt, bei der die Torsionsschwingung einer Gravitationswaage genutzt wird, um die extrem schwachen Anziehungskräfte zwischen Massen zu messen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen (Kepler, Newton), die Konstruktionsbeschreibung der Waage, die Messwertaufnahme und die mathematische Auswertung der gewonnenen Daten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten über die Begriffe Gravitationskonstante, Cavendish-Experiment, Torsionswaage und experimentelle Fehleranalyse definieren.
Warum weicht das berechnete Ergebnis so stark vom Standardwert ab?
Aufgrund der extrem geringen Größe der Gravitationskonstante führen kleinste Umwelteinflüsse, mangelnde Abschirmung gegen Luftzug und Erschütterungen sowie manuelle Messungen zu deutlichen Abweichungen.
Welche Rolle spielt die Konstruktion bei der Präzision?
Die Konstruktion ist entscheidend, da Stabilitätsverluste, wie das Fehlen einer Verankerung in einer Wand, direkt die Genauigkeit des Experiments und damit das Endergebnis beeinflussen.
Ist der Bau einer Gravitationswaage für den Hausgebrauch empfehlenswert?
Das Experiment ist lehrreich, jedoch sehr fehleranfällig; für eine hohe Präzision ist ein weitaus höherer technischer Materialaufwand erforderlich, als mit üblichen Haushaltsmitteln möglich ist.
- Arbeit zitieren
- Anonym (Autor:in), 2018, Bau einer Gravitationswaage und Bestimmung der Gravitationskonstanten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/502919
