Konzeption der Lichtschrankenschiene

Traditionelles Experiment.

Bei einem traditionellen Messverfahren auf einer Rollen- oder Luftkissenfahrbahn misst man die Zeit vom Start bis zu einer Lichtschranke mit einer Stoppuhr. Möchte man eine ganze Messreihe erfassen, muss man die Lichtschranke an verschiedene Stellen verschieben und die Messung mehrmals durchführen. Für das Erfassen der Zeiten bis zum Erreichen der Marken 0,1m ; 0,2 m ; 0,3 m ; 0,4 m sind also vier Messungen nötig.

Nachteile:

Das Umsetzen der Lichtschranke kostet wertvolle Unterrichtszeit, man positioniert die Lichtschranken möglicherweise nicht genau. Weiterhin startet jede Messung mit leicht veränderten Anfangsbedingungen, z.B. weil der Haltemagnet den Wagen nicht immer genau gleich freigibt, weil sich ein evtl. verwendeter Zugfaden verdrillt, das Zuggewicht pendelt, usw.

Messung mit der Lichtschrankenschiene.

Diese Nachteile entfallen, wenn man mehrere Lichtschranken in eine Lichtschrankenschiene einbaut. Die Lichtschranken sind äquidistant z.B. im Abstand 10,0 cm. Die Messung wird gestartet, wenn der Wagen gerade die erste Lichtschranke zu verdunkeln beginnt. Die Zwischenzeiten beim Erreichen der jeweiligen Lichtschranke werden zwischengespeichert. Man erhält die vier s-t-Wertepaare also in einem einzigen Durchlauf. Die Erfassung und die Zwischenspeicherung der Messwerte übernimmt ein Computer.

Daher wird man von den Anfangsbedingungen (s.o.) ziemlich unabhängig. Auch ein falsches Positionieren einer Lichtschranke ist nicht mehr möglich, weil die Lichtschranken ja in festem Abstand zueinander eingebaut sind.
Um die erste Lichtschranke gerade kurz hinter den Verdunklungsreiter zu schieben, wird einfach die ganze Lichtschrankenschiene verschoben.
Wird Lichtschrankenschiene an der Fahrbahn befestigt, kann man auch die ganze Fahrbahn (etwa zum Erreichen einer bestimmten Beschleunigung ohne Zugfaden) neigen, ohne dass sich die Abstände ändern.

Die Messung läuft schnell ab und ist für die Schülerinnen und Schüler dennoch transparent, denn das Nehmen von Zwischenzeiten ist ein Verfahren, das sie von Langstreckenläufen aus dem Sport kennen. Vor dem Aufnehmen einer realen Messung, wird man - als "vertrauensbildende Maßnahme" - zunächst einmal mit dem Finger durch die Lichtschrankenschiene fahren, um das Prinzip zu verdeutlichen.

Registriert man nicht nur die Zeiten, wann die jeweilige Lichtschranke verdunkelt wurde, sondern auch noch, wann sie wieder Licht empfängt, so kann man als Differenz die Verdunklungszeit berechnen. Zusammen mit der Breite des Verdunklungsreiters kann man so auch noch die Momentangeschwindigkeiten am jeweiligen Streckenpunkt erhalten.

In nur einem Durchlauf bekommt man also die Daten für den kompletten s-t und v-t-Zusammenhang. Wie viel davon man zum jeweiligen Zeitpunkt Preis gibt und wie man die Auswertung vornimmt, ist dann eine didaktische Frage.

Überlegungen zur Konstruktion.

Wie viele Lichtschranken soll man nun hintereinander anordnen?

Für eine Untersuchung einer gleichförmigen Bewegung wäre die Zahl der Lichtschranken nicht so entscheidend. Aus didaktischen Gründen sollten es - außer der Startlichtschranke - schon etwa 4 weitere sein, damit man ausreichende Daten bekommt.

Bei der gleichmäßig beschleunigten Bewegung gilt es den Schülern zunächst den s ~ t² Zusammenhang zu vermitteln. Bei der Rollenfahrbahn ergibt sich z.B. etwa folgende Wertetabelle. (F = 0,1 N Zugkraft ; m = 500 g Wagenmasse)

Allgemein: Verhalten sich die Wege wie 1:4:9 , so verhalten sich die Zeiten wie 1:2:3.

Es bietet sich daher an, die Lichtschranken in 10 cm Abstand voneinander zu setzen, und die letzte in 90 cm Entfernung von der Startlichtschranke anzuordnen. Zusammen mit der Startlichtschranke werden also 10 Lichtschranken benötigt.
Man kommt so beinahe zwangsläufig auf folgende Anordnung:

Jede Lichtschranke besteht aus einer IR-Sendediode und einem ihr gegenüber angeordneten Fototransistor. Sie werden in jeweils 10 cm Abstand in der Innenseite einer U-förmige Schiene aus Alu-Profilen eingebaut. Im einen Schenkel befinden sich die Sendedioden im gegenüberliegenden Schenkel die Fototransistoren.

Ordnet man die erste Lichtschranke und letzte Lichtschranke jeweils 5 cm von den Enden der Schiene entfernt an, so ergibt sich eine Schienenlänge von 1,0 m. Die Lichtschrankenschiene passt so in der Länge zu den gängigen Fahrbahnen und Experimentiertischen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass man Aluminiumprofile genau in dieser Länge in fast jedem Baumarkt bekommt. Man muss die Profile dann nicht mehr absägen. Das Bohren der betreffenden Befestigungslöcher ist kein Problem.

Die Schiene wird, wie aus der Skizze oben ersichtlich, so über der Fahrbahn montiert, dass ein Verdunklungsreiter zwischen den beiden U-förmigen Schienen hindurchgleitet und die Lichtschranken nacheinander verdunkelt.

Die Lichtschranken steuern über eine Elektronik einen Tongenerator, der immer genau dann ein Tonsignal von etwa 5 kHz ausgibt, wenn eine der Lichtschranken verdunkelt wird. Dieses Tonsignal wird dem Line-In-Eingang einer Soundkarte zugeführt und dort in geeigneter Art ausgewertet. Das Vorgehen entspricht - im Prinzip - dem, was schon in dem Beitrag über den WALITO (Wandler-Licht-Ton) für Stoßexperimente vorgestellt wurde.

Nun gilt es noch zu klären, wie

• die Lichtschrankenschiene mechanisch aufgebaut wird
• die Lichtschranken-Elektronik funktioniert
• die Daten in einen Computer übergeben und dort ausgewertet werden