Beim Lösen von experimentellen Aufgaben ist es erforderlich, den Wert physikalischer Größen und speziell von Konstanten und Zusammenhängen zwischen physikalischen Größen auf experimentellem Wege zu ermitteln. Dabei werden im Wesentlichen die Schritte gegangen, die für ein Experiment charakteristisch sind:
- Vorbereitung des Experiments einschließlich Entwicklung der Experimentieranordnung,
- Durchführung des Experiments,
- Auswertung des Experiments einschließlich Fehlerbetrachtungen oder Fehlerrechnung.
Ausführlich sind diese Schritte unter dem Stichwort "Experimentieren"
dargestellt.
Die Besonderheiten im Vergleich zum Experimentieren bestehen darin, dass
man bei experimentellen Aufgaben wie bei allen Arten von Aufgaben
- von einer Analyse des Sachverhalts ausgeht; dabei sind in der Regel physikalische Gesetze einzubeziehen;
- die zu messenden Größen bestimmt und
- mit den experimentell ermittelten Werten die in der Aufgabe gesuchte Größe bestimmt.
Beispiel:
Bestimme experimentell die Fallbeschleunigung!
Vorbereitung:
Mithilfe des Weg-Zeit-Gesetzes der gleichmäßig beschleunigten
Bewegung kann der Wert für die Fallbeschleunigung experimentell bestimmt
werden:
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Weg und Zeit für den freien Fall eines Körpers müssen gemessen
werden, um anschließend die Fallbeschleunigung berechnen zu können.
Um einen möglichst genauen Wert für g zu erhalten, sollte
die zu messende Fallzeit nicht zu klein sein. Deshalb ist ein möglichst
großer Fallweg zu wählen. Die Fallzeit wird mehrmals gemessen
und anschließend ein Mittelwert berechnet. Die Auslösung des
freien Falls erfolgt mit einem Magnetschalter, die Zeitmessung mit einer
elektronischen Uhr.
Durchführung:
Der Fallweg beträgt s = 0,95 m.
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Messung Nr.
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Zeit t in s
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1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
0,43
0,42 0,46 0,44 0,45 0,42 0,44 0,43 0,46 0,45 |
Auswertung:
Aus der Messreihe für die Zeit kann folgender Mittelwert berechnet
werden:
=
= 0,44 s
Für die Fallbeschleunigung erhält man damit:
g =
g =
Der experimentell ermittelte Wert stimmt gut mit dem Tabellenwert (9,81 
)
überein.
Bestandteil dieses Experiments kann eine Fehlerrechnung
sein, die nachfolgend beispielhaft dargestellt ist.
Es können die Größtfehler
bei der Messung von Fallweg und Fallzeit abgeschätzt und daraus der
Größtfehler der Fallbeschleunigung ermittelt werden. Die Größtfehler
ergeben sich aus den zufälligen Fehlern und den nicht erfassbaren
systematischen Fehlern.
Für den Fallweg, der mit einem Lineal gemessen wird, ist der mögliche Ablesefehler (zufälliger Fehler) entscheidend. Bei einer cm-Teilung beträgt er:
Nimmt man bei einem Lineal mit cm-Teilung einen Gerätefehler von 1 % an, dann bedeutet das bei einer Messstrecke von ca. 1 m einen systematischen Fehler von:
Der Größtfehler für den Fallweg beträgt dann:
Für die elektronische Zeitmessung ist die Genauigkeitsklasse des Messgerätes entscheidend. Sie beträgt 1,0 bei einem Messbereich von 1 s. Damit beträgt der absolute Fehler 0,01 s. Nimmt man bei dem auf hundertstel Sekunden anzeigenden Zeitmesser noch einen zufälligen Fehler von 0,01 s an, dann beträgt der Größtfehler der Zeitmessung:
Aus 
erhält man nach den Regeln der Fehlerfortpflanzung
den relativen Fehler für die Fallbeschleunigung:
