3B Scientific Foucault Pendulum User Manual [en, de, es, fr, it]

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Bedienungsanleitung

4/05 ELWE/ALF

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

8403000 Foucault-Pendel

Das Foucault-Pendel dient der quantitativen Messung und dem qualitativen Nachweis der Erdrotation.

1. Sicherheitshinweise

∑ Glasgehäuse keinen mechanischen Belastungen aus-

setzen. Bruch- und damit Verletzungsgefahr!

∑ Hinweise zur Aufstellung beachten (3.1 Aufbau). ∑ Elektrische Anregung so einstellen, dass die Kugel die

Glaswand nicht berührt.

2. Beschreibung, technische Daten

Im Jahr 1850 zeigte der Franzose Foucault zum ersten Mal mit einem Pendel, dass die Erde sich dreht. Er benutzte dafür ein Pendel mit einem Gewicht von 28 kg und 67 m Länge. Das ELWE- Foucault-Pendel ist ein Kompaktgerät, bei dem die Amplitude des Pendels durch kontinuierliche Anregung konstant gehalten wird. Ein Charron-Ring (siehe Fig. 2) verhindert eine elliptische Bewegung. Dadurch sind Langzeitmessungen möglich. Eine Messvorrichtung mit Winkelminuteneinteilung (Fig. 1) ermöglicht genaue Messungen innerhalb kurzer Zeit. Das

Fig. 1: Winkelmesseinrichtung

Fig. 2: Charron-Ring

Fig. 3: Bedienfeld

1Hauptschalter, 2 Sicherung, 3 Schalter Antriebseinheit, 4Kontrollleuchte, 5Impulsregler, 6Schalter Projektionslampe

Gehäuse ist von allen Seiten gut einsehbar und erlaubt so mehreren Beobachtern gleichzeitig die Veränderung der Schwingungsrichtung zu verfolgen. Das Gerät kann während des Versuchs, ohne Öffnung der Tür, bedient werden. Ein genaues Justieren des Foucault-Pendels ist leicht mit dem Zubehör durchzuführen.

2.1 Grundsätzliche Funktionen

2.1.1 Kontinuierliches Schwingen des Pendels Ein Elektromagnet mit radialsymmetrischem Magnetfeld ist genau in der Mitte der Pendelbahn montiert. Der Magnet wirkt nur dann, wenn sich das Pendel auf den Mittelpunkt zubewegt. Der Elektromagnet wird durch eine Fotozelle gesteuert, die den Schatten der Pendelbewegung durch das Licht einer eingebauten Leuchtstofflampe registriert. Das Pendel wird so angeregt, dass seine Amplitude konstant bleibt (Fig. 4).

Fig. 4

Die Winkelgeschwindigkeit der Pendelrotation ω beträgt

ω = ωe · sin θ

mit ω

= Winkelgeschwindigkeit der Erde

(= 360° / Tag = 15° / Stunde) und θ = Breitengrad des Versuchsortes.

In mittleren Breiten dreht die Pendelebene ca. 8°– 13° pro Stunde. Das Foucault-Pendel ermöglicht es mit sei-

a) b) c)

ner Messeinrichtung (siehe Fig. 5) Messungen bereits in wenigen Minuten Unterrichtszeit durchzuführen. Bei der Situation in Fig. 5c die Lichtquelle nachführen, bis sich die Fadenprojektion auf dem Schirm nicht mehr bewegt (Fig. 5b). Damit ist die momentane Schwingungsebene genau bestimmt. Eine Untersetzung der Skala von 36:1 ermöglicht es Winkel von weniger als 1° zu messen.

Fig. 5: Winkelmessung durch Schattenprojektion (Pendelschwingung von oben gesehen)

2.1.3 Verhinderung einer elliptischen Schwingung des Pendels

Beim Experiment muss das Pendel in einer Ebene schwingen (Fig. 6b). Wenn das Pendel elliptisch zu schwingen beginnt (Fig. 6c), beeinflussen neben der Erdrotation noch andere Faktoren seine Drehbewegung. Korrekte Messergebnisse sind dann nicht zu erwarten. Um elliptische Schwingungen zu verhindern, wird beim Foucault-Pendel ein Ring verwendet (siehe Fig. 2). Der Ring beeinflusst bei optimaler Amplitudeneinstellung nicht die Pendelebene. Er dämpft aber eine Bewegungs-

komponente senkrecht zur Pendelbewegung im Umkehrpunkt.

2.2 Technische Daten

Pendel: Aufhängefaden: 120 cm Metallpendelkugel: 38 mm Ø, 230 g Winkelmessung: Winkelscheibe: 340 mm Ø, 360° Teilung: Nonius 0,1°

a) b) c)

Fig. 6: Verhindern von elliptischen Schwingungen (Pendelschwingung von oben gesehen)

Fadenprojektion durch zuschaltbaren Lichtstrahl Linsenglühlampe: E10 3,7 V, 0,3 A Anregung:

Pulsierender Anregungsmechanismus, elektromagnetisch, eingebaute Fotozelle zur Synchronisation Knopf zur Amplitudenregelung Kontrolllampe für Anregung

Gehäuse:

Verglastes Metallgehäuse mit Tür: 40 cm x 40 cm x

150 cm 4 Einstellfüße für lot rechte Aufstellung Beleuchtung: Leuchtstoffröhre 36 W,

50/60 Hz

Stromversorgung: 115 V bzw. 230 V,

50/60 Hz

Netzsicherung: 0,063 A, träge

3. Bedienung

3.1 Aufbau

3.1.1 Aufstellung ∑ Foucault-Pendel auf einen horizontalen Platz mit sta-

biler Grundlage aufstellen.

∑ Gehäuse und Ring mit den Händen auf Vibrationen

überprüfen. Sollten Vibrationen spürbar sein, ist dieser Platz ungeeignet. Bei schwingungsfähigen Böden ist eine Stelle zu wählen, die nicht unmittelbar von vielen Personen frequentiert wird. Besonders auf Klimaanlagen bzw. andere schwingungserzeugende Geräte achten.

∑ Direkte Sonneneinstrahlung vermeiden, da dies die

Wahrnehmung des projizierten Fadens erschweren oder eventuell Fehlfunktionen der Fotozelle verursachen kann.

3.1.2 Montage des Pendels ∑ Abstand zwischen der Pendelkugel und dem Elektro-

magneten auf ca. 3 mm einstellen. Dieser Abstand ist erreicht, wenn die Kugel die aufgelegte Justagescheibe gerade berührt (siehe Fig. 7). Bei zu großem Abstand ist die Wirkung des Anregungsmechanismus schwächer.

Fig. 7: Abstand zwischen der Pendelkugel und dem Elektromagneten

∑ Hängt die Kugel längere Zeit, so sollte der Abstand

überprüft werden, da der Faden sich um 1 bis 2 mm dehnen kann.

3.1.3 Horizontale Justierung ∑ Justagezylinder auf die Messvorrichtung stecken und

die Pendelkugel in diesen stecken (siehe Fig. 8).

∑ Zur Justierung die Einstellfüße verdrehen. Das Ein-

stellen geht leichter, wenn gleichzeitig zwei Füße gedreht werden.

Fig. 8: Horizontale Justierung

∑ Die Kugel muss genau in der Mitte des Zylinders hän-

gen.

3.1.4 Fadenprojektion ∑ Nach Zuschalten der Projektionslampe bei eingehäng-

ter Kugel im Justagezylinder muss die Fadenprojektion auf dem Schirm den vertikalen Strich abdecken.

∑ Diese werkseitige Einstellung muss bei einem Glüh-

lampenwechsel ggf. erneut durchgeführt werden (siehe 3.3 ).

3.2 Versuchsdurchführung

∑ Überprüfen, ob alle in 3.1 beschriebenen Vorberei-

tungen ausgeführt wurden.

∑ Wenn der Versuch nur mit der natürlichen Schwin-

gung des Pendels durchgeführt werden soll, muss der Schalter für die Pendelanregung auf „AUS“ stehen. In diesem Fall geht die Schwingung des Pendels in 15 min auf weniger als 1/3 zurück. Die Messungen sollten in dieser Zeit vorgenommen werden.

∑ Wird mit Anregung gearbeitet, sollte die Amplitude

ca. 5 min lang beobachtet und ggf. mit dem Einstellknopf für die Anregung korrigiert werden.

∑ Pendelkugel mit der Hand auslenken und loslassen.

Das Pendel muss in einer Ebene schwingen. Falls es elliptisch schwingt, Versuch abbrechen und erneut starten.

∑ Tür vorsichtig schließen. ∑ Wenn die Schwingung nach einigen Minuten stabil

ist, die Winkelscheibe so einstellen, dass das projizierte Abbild des Fadens mit der Grundlinie übereinstimmt.

∑ Die Messung des Drehwinkels wird an dem Punkt

vorgenommen, an dem die Fadenprojektion auf dem Schirm bei Drehen der Winkeleinstellscheibe sich nicht mehr horizontal bewegt.

∑ Falls sich die Fadenprojektionseinheit beim Drehen

der Winkeleinstellscheibe nicht bewegt, ist die Feststellschraube auf festen Sitz zu überprüfen.

∑ Den groben Winkel auf der Grundplatte und den ge-

nauen Winkel mit der Winkelfeinableseskala ablesen.

3.3 Weitere Hinweise

∑ Bei angeregtem Pendel muss die Leuchtstoffröhre

eingeschaltet sein, da sie als Lichtquelle für den Fotosensor dient.

∑ Die Befestigungsschrauben für Faden und Ringplatte

sollten auf festen Sitz überprüft werden, da die Messungen ungenau werden, wenn die Fadenbefestigung Spiel hat (Fig. 9).

Fig. 9

∑ Die Zentrierung des Rings wurde werkseitig justiert.

Sollte ein erneutes Einstellen notwendig sein, sind folgende Punkte zu beachten (Fig. 10):

1. Das Pendel sollte mit dem Justagezylinder ausgerichtet werden (siehe 3.1.3).

2. Justierring einsetzen.

3. Die Schrauben auf der Unterseite des Charron-Rings lösen ohne sie vollständig herauszudrehen.

4. Den Justierring in die Mitte des Charron-Rings einpassen und den Charron-Ring durch leichtes Klopfen bewegen, so dass der Faden genau durch die Mitte des Justierrings hängt.

5. Schrauben anziehen ohne den Ring zu verstellen.

∑ Beim Auswechseln des Aufhängefadens ist darauf zu

achten, dass die Befestigungsplatte für den Faden nicht verstellt wird, da dies eine erneute Justierung des Ringes zur Folge hätte. Der Faden sollte nach Möglichkeit nur mit seiner Befestigungsschraube gewechselt werden.

∑ Wenn die Amplitude des Pendels nicht genau einge-

stellt ist, kann sich die Pendelebene entweder zu schnell oder zu langsam drehen. Für Präzisionsmessungen wird die geeignetste Amplitude bestimmt, indem die Drehung der Schwingungsebene beobachtet wird.

∑ Ungenauigkeiten bei der Justierung des Gehäuses, der

Zentrierung des Rings oder der Amplitude des Pendels oder schlechte Aufstellbedingungen können die Drehung des Pendels nachteilig beeinflussen und führen entweder zu einer zu langsamen oder zu schnellen Drehung.

∑ Wenn das Pendel unten stehen bleibt, sind mögliche

Ursachen:

1. Die Anregung ist abgeschaltet.

2. Die Leuchtstoffröhre ist aus.

∑ Verdrillungen des Aufhängefadens können Messfeh-

ler zur Folge haben. Um Verdrillungen zu beseitigen, ist der Faden mit der Pendelkugel einige Stunden frei hängen zu lassen.

∑ Wenn die Projektionslampe nicht leuchtet, sind mög-

liche Ursachen:

1. Die Projektionslampe ist nicht eingeschaltet.

2. Die Glühlampe ist locker. Lampenhülse mit leichter Drehbewegung abziehen und die Glühlampe festdrehen.

3. Die Glühlampe ist defekt. Lampenhülse mit leichter Drehbewegung abziehen und die Glühlampe austauschen.

4. Die Schleifkontakte haben keinen Kontakt. Die Feststellschraube lösen und die Fadenprojektionseinheit leicht nach unten drücken und im belasteten Zustand fixieren. Bei weiterer Fehlfunktion die Feststellschraube lösen und die Fadenprojektionseinheit entfernen. Die Schleifkontakte auf mechanische Beschädigung überprüfen.

∑ Lässt sich die Fadenprojektion mit dem Schirm nicht

auf Deckung bringen, so wird die Lampenhülse mit leichter Drehung abgezogen und der Lichtstrahl durch radialen Druck auf die Lampenfassung auf den Schirm ausgerichtet. Zur Überprüfung die Kugel in den Justierzylinder einhängen. Falls die Fadenprojektion nicht den vertikalen Strich abdeckt, muss die werkseitig vorgenommene Einstellung durchgeführt werden. Die zwei Befestigungsschrauben der Lampenfassung lockern und die Lampenfassung in horizontaler Richtung verschieben, bis die Fadenprojektion den vertikalen Strich abdeckt.

Fig. 10

ELWE Didactic GmbH • Steinfelsstr. 5 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com

Technische Änderungen vorbehalten

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8403000 Foucault’s pendulum

Operating instructions

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PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

Foucault's pendulum is used for the quantitative measurement and qualitative demonstration of the earth's rotation.

1. Safety instructions

∑ The glass housing should not be subjected to any

mechanical load or stress. Caution: Danger of breakage and injury!

∑ Follow the instructions for positioning (3.1 Setup). ∑ When configuring the electrical excitation, do not turn

up the electricity so high that the bob hits the glass wall.

2. General description, technical data

In 1850, Frenchman Jean Bernard Leon Foucault demonstrated the rotation of the earth for the first time with the help of a pendulum. To do so, he used a pendulum with a weight of 28 kg and a length of 67 m. The ELWE Foucault pendulum is a compact apparatus which maintains the amplitude of the pendulum by constant excitation. A Charron ring (see Fig. 2) prevents any elliptical motion. By virtue of this, long-term measurements are possible. A measuring device consisting of an angle scale divided into minutes (Fig. 1) enables quick and precise measurements. The housing permits clear visibility from all sides and allows several observers to simultaneously observe the change in the direction of oscillation. The apparatus

Fig. 1: Scale for measurement of angle

Fig. 2: Charron ring

Fig. 3: Control panel

1Main switch, 2 Fuse, 3 Dri ve unit switch, 4Control lamp, 5Pulse regulator, 6Projection lamp switch

can be operated during the experiment without having to open the door. An exact adjustment of Foucault's pendulum can be carried out easily with the aid of accessories.

2.1 Basic Functions

2.1.1 Continuous swinging of the pendulum An electromagnet with a radially symmetric magnetic field is mounted exactly in the middle of the pendulum's path. The magnet only has an effect when the pendulum is moving towards the centre. The electromagnet is controlled by a photovoltaic cell which registers the shadow of the pendulum motion by the light provided by a builtin fluorescent lamp. The pendulum is excited in a way such that its amplitude remains constant (Fig. 4).

Fig. 4

2.1.2 Measurement of the angle of precession The angular velocity of the pendulum's precession ω is

ω = ωe · sin θ

where ω

= angular velocity of the earth

(= 360°/day = 15°/hour) and θ = latitude of the place of experimentation.

In temperate latitudes, the pendulum swings at approx. 8°-13° per hour. By virtue of its measuring scale (see Fig. 5), Foucault's pendulum allows measurements to

a) b) c)

be carried out quickly and effectively, taking up just a few minutes of the lesson. Move the source of light for the situation in Fig. 5c until the projection of the string stops moving on the screen (Fig. 5b). By this means, the present plane of oscillation can be accurately determined. A 36:1 vernier scale enables the measurement of angles <1°.

Fig. 5: Angular measurement by shadow projection (swing of the pendulum observed from above)

2.1.3 Preventing elliptical motion of the pendulum During the experiment, the pendulum must swing in one and the same plane (Fig. 6b). If the pendulum begins to swing in an elliptical fashion (Fig. 6c), other factors apart from the rotation of the earth have an influence on its rotational motion. Accurate measurements are therefore not possible. In order to prevent elliptical motion, a ring is used in Foucault's pendulum (see Fig. 2). At an ideal amplitude setting, the ring has no influence on the plane of the pendulum. It does, however, suppress any component of the motion that is perpendicular to the plane of oscillation at its endpoint.

2.2 Technical data

Pendulum: Suspension string: 120 cm Metal pendulum bob: 38 mm Ø, 230 g Protractor: Protractro disc: 340 mm Ø, 360° Divisions: Vernier 0.1°

String projection by means of a light beam that can be

switched on and off

Incandescent lamp with lens: E10 3.7 V, 0.3 A

a) b) c)

Fig. 6: Preventing elliptical motion (swing of the pendulum observed from above)

Excitation:

Electromagnetic pulse excitation mechanism Integrated, photovoltaic cell for synchronisation Switch for regulating the amplitude Indicator lamp for excitation

Housing:

Glazed metal housing with door: 40 cm x 40 cm x 150 cm Stand base with 4 adjustable feet for plumb vertical positioning Lighting: Fluorescent tube 36 W,

50/60 Hz

Power supply: 115 V or 230 V, 50/60 Hz Mains fuse: 0.063 A, slow blow

3.1.3 Horizontal adjustment ∑ Insert the adjustment cylinder onto the measuring

scale and insert the pendulum bob into this cylinder (see Fig. 8).

∑ For correct adjustment, turn the feet of the stand

base till a suitable height is attained. Adjustment becomes easier when two feet of the stand base are moved simultaneously.

∑ The bob must be suspended exactly in the middle of

the cylinder.

3. Operation

3.1 Setup

3.1.1 Assembly ∑ Set up Foucault's pendulum on a horizontal surface

with a stable foundation.

∑ Using your hands, check the housing and the ring for

vibrations. If any vibrations are felt, it means that this place is unsuitable. If a floor is able to vibrate, a spot must be chosen where few people are likely to pass close by. Pay special attention to air conditioning units and other appliances that are capable of generating vibrations.

∑ Avoid direct solar radiation, as this may make it diffi-

cult to register the shadow projected from the string and possibly even cause incorrect triggering of the photovoltaic cell.

3.1.2 Mounting the pendulum ∑ Set the distance between the pendulum bob and the

electromagnet to approx. 3 mm. This distance is achieved when the bob barely touches the plate that can be laid over the electromagnet in order to make this adjustment (see Fig. 7). If the distance is too great, the effect of the excitation mechanism is weaker.

∑ If the bob is suspended for a longer period, then the

distance should be checked, because the string can stretch by 1 to 2 mm.

Fig. 7: Distance between the pendulum bob and the electromagnet

Fig. 8: Horizontal adjustment

3.1.4 String projection ∑ After switching on the projection lamp, while retain-

ing the suspended bob in the adjustment cylinder, make sure that the string projection covers the vertical line on the screen.

∑ This factory calibration may need to be carried out

once again when the bulb has to be changed (see

3.3).

3.2 Experimental procedure

∑ Check whether all preparations described in 3.1 have

been carried out.

∑ If the experiment is to be carried out only with the

natural swing of the pendulum, then the switch for excitation of the pendulum must be switched to "OFF". In this case, the swing of the pendulum is reduced to less than 1/3 of its initial amplitude in 15 minutes. The measurements must be conducted within this period.

∑ If the experiment is conducted with excitation, then

the amplitude must be observed for approx. 5 minutes and, if required, should be corrected using the excitation adjustment switch.

∑ Displace the pendulum bob by hand and release it.

During the experiment, the pendulum must swing in one and the same plane. If it begins to swing in an elliptical path, the experiment will have to be stopped and restarted.

∑ Shut the door carefully. ∑ When the swinging motion becomes stable after a

few minutes, set the protractor disc such that the projected image of the string coincides with the baseline.

∑ The measurement of the angle of rotation is con-

ducted at the point where the string projection on the screen stops moving horizontally as the angle adjustment dial is turned.

∑ If the string projection unit does not move while the

angular adjustment dial is rotating, then check whether the locking screw has been properly screwed down.

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