Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik LK · Wiegen im Weltraum 2025

1 Fachpraktischer Teil

Die Massenbestimmung soll wie beim BMMD auf der Raumstation (M 1) nun modellhaft unter Nutzung eines vertikalen Federpendels durchgeführt werden.

Material 1: Das Body Mass Measurement Device (BMMD)

Das BMMD besteht aus einer Art Hocker (mit bekannter Masse $m_\text{H}$), auf den sich der Astronaut begibt und festhält. Der Hocker ist über eine Feder (mit bekannter Federkonstante $D$) mit der Raumstation fest verbunden. Wird das Gerät eingeschaltet, so wird der Astronaut zusammen mit dem Hocker in Eigenschwingungen versetzt. Die Elektronik des Geräts misst die Periodendauer, mit der Astronaut und Hocker als gemeinsame schwingende Masse frei auf und ab schwingen. Aus dieser Periodendauer können dann die schwingende Masse und daraus dann wiederum die Masse des Astronauten errechnet werden.

a

Beschreiben Sie die Durchführung eines Versuchs, mit dem Sie unbekannte Massen auch in Schwerelosigkeit bestimmen können. Skizzieren Sie dafür einen Versuchsaufbau (M 2). [4 BE]

b

Ermitteln Sie unter Berücksichtigung der Hinweise zum Versuch (M 2) die Periodendauern $T_0$ und $T_\text{g}$ experimentell. [7 BE]

Material 2: Material zur Durchführung des Versuchs

Geräte: 1 Schraubenfeder, 6 gleiche Massestücke, 1 Tischklemme, Stativmaterial, 1 Stoppuhr.

Hinweise zur Durchführung: Ermitteln Sie die Periodendauer $T_0$ für die Anfangsmasse von $m_0 = 100\text{ g}$. Belassen Sie diese Masse an der Feder. Fügen Sie danach schrittweise zu den $100\text{ g}$ vier weitere Massestücke von jeweils $50\text{ g}$ hinzu, wobei Sie in jedem Schritt jeweils die Periodendauer $T_\text{g}$ messen. Wenden Sie hierbei ein Verfahren an, um die Messunsicherheit möglichst zu verringern. Verwenden Sie kleine Auslenkungen.

Hinweis: Sollte Ihnen das Aufnehmen von Messwerten nicht gelingen, so können Sie bei der Lehrkraft Ersatzmesswerte anfordern. Den nicht erbrachten Leistungen entsprechend werden 7 Bewertungseinheiten nicht erteilt.

Zusatzmasse $m_\text{z}$ in g · 50 · 100 · 150 · 200

Periodendauer $T_\text{g}$ in s