Physik Leistungskurs ; Jahrgang A40/Q1

Transkript

1 Stundenprotokoll Fach: Fachlehrer: Zeit: Protokollantin: Thema: Physik Leistungskurs ; Jahrgang A40/Q1 Herr Winkowski Donnerstag, den , 4. Block Sandra Klein Einführung in die Raketenphysik 1. Einleitung Zu Beginn des Unterrichts wurde uns ein Arbeitsblatt ausgeteilt, dass eine Testaufgabe zum unelastischen Stoß beinhaltete. Es ist von einem leeren Eisenbahnwagen mit einer Masse m 1 von 10 t die Rede, welcher sich mit der Geschwindigkeit v 1 = 3,0 m/s auf einen identischen (m 2 = 10 t) ruhenden (v 2 = 0 m/s) und mit Weizen beladenen Wagen trifft. Im Zuge des Zusammenstoßes koppeln die beiden Wagen an und bewegen sich mit der gemeinsamen Geschwindigkeit u = 0,6 m/s weiter. Unsere Aufgabe war es nun anhand der gegebenen Werte die Masse x des Weizens zu berechnen. m 1 = m 2 = kg v 1 = 3 m/s v 2 = 0 m/s u = 0,6 m/s x = Masse des Weizen Ansatz: u = m 1 v 1 + m 2 v 2 m 1 + m 2 + x u = m 1 v 1 + (m 2 + x) * v 2 I* (m 1 + m 2 + x) m 1 + (m 2 + x) u * (m 1 + m 2 + x) = m1v1 + (m2 + x) * v 2 I: u ; - (m 1 + m 2 ) x = m 1 v 1 + (m 2 + x) * v 2 - (m 1 + m 2 ) u nun setzen wir ein x = kg * 3 m/s + ( kg + x) * 0 m/s kg 0,6 m/s x = kg Die Masse des Weizen beträgt also kg.

2 2. Schiefer Stoß Mit Hilfe eines OH-Projektors wurde uns von Herrn Winkowski ein Bild gezeigt, worauf das Innere einer Blasenkammer abgebildet war. Diese beinhaltete aufeinanderstoßende Protonen, die sich wieder im 90 Winkel voneinander entfernten. In der Blasenkammer sahen wir eine Spur, welche vergleichbar ist mit den Kondensstreifen eines Flugzeuges, auf deren Bahnen die Protonen sich fortbewegt haben. Diese Spur setzt sich aus vielen kleinen Bläschen zusammen, daher der Name Blasenkammer. Das Proton selber ist nicht zu sehen, da es für das menschliche Auge, selbst unter Heranziehung hochwertigster, optischer Instrumente, viel zu klein ist. Erwähnenswert ist noch, dass sich hier im Gegensatz zum Schiefen Stoß, wie wir ihn an Hand des Billardbeispiels kennengelernt haben, die Protonen sich zwar im 90 Winkel getrennt haben, jedoch nicht wie die Kugeln beim Billard auf einer geraden Bahn verbleiben, sondern stattdessen durch den Magnetismus nach innen gezogen werden. Was ist überhaupt ein Proton? Ein Proton ist ein positiv geladenes Kernteilchen. Es bildet zusammen mit den Neutronen den Nucleus. Hierbei entscheidet die Anzahl der Protonen über das jeweilige Element. Zum Ausgleich für die positiv geladenen Protonen umkreisen(zumindest nach dem Borsch en Atommodell) eine äquivalente Anzahl negativ geladener Elektronen den Kern. Weiterhin machen die Protonen zusammen mit den Neutronen über 99% der Masse des Atoms aus. Abbildung eines Heliumatoms

3 3. Hausaufgabe vom letzten Block Als nächstes widmeten wir uns der Hausaufgabe die einen Schiefen Stoß zum Thema hatte. Es stellte sich uns folgende Situation dar. Ein Körper mit der Masse m 1 = 2,5 und der Geschwindigkeit v 1 = 120 m/s stößt gegen einen zweiten Körper mit der gleichen Masse und wird um 50 aus seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung abgelenkt. Heraus zu finden war die Geschwindigkeit der beiden Körper nach dem Stoß und der Ablenkungswinkel β. Als zusätzliche Aufgabe konnte man die Energien vor dem Stoß und nach dem Stoß berechnen. m 1 = m 2 = 2,5 kg u 1 =? v 1 = 120 km/h u 2 =? v 2 = 0 km/h β =? α = = β = 40 Ansatz: sin α = GK HY sin β = GK HY sin 50 = u 2 I * 120 m/s sin 40 = u 1 I * 120 m/s 120 m/s 120 m/s u 2 = sin 50 * 120 m/s u 2 = 91,93 m/s u 1 = sin 40 * 120 m/s u 1 = 77,13 m/s Der Aufgabe zweiter Teil E kin, vorher = m 1 * v 2 E kin, nachher = m 1 * u m 2 * u E kin, vorher = 2,5 kg * (120 m/s) 2 E kin, nachher = 2,5 kg * (77,13 m/s) 2 + 2,5 kg * (91,93 m/s) = J J Die Kugel m 1 bewegt sich mit u 1 = 91,93 m/s und m 2 mit u 2 = 77,13 m/s, wobei m 2 von der ursprünglichen Bahn von m 1 um 40 abweicht. Weiterhin stellen wir fest, dass die Energie von m 1 vor dem Zusammenstoß sowie die summierten Energien von m 1 und m 2 danach zusammen ca J ergeben. Der Energiesatz gilt also!

4 4. Explosionsstoß Bei der nachfolgenden Aufgabe untersuchten wir, ob es sinnvoller sei die zur Erzeugung eines Explosionsstoßes abgeworfen Steine nacheinander oder gleichzeitig zu werfen, davon ausgehend, dass man die größte Geschwindigkeit anstrebt. Das Szenario der Aufgabe war folgendes. Ein Mädchen steht in seinem Wägelchen und hält 2 Steine mit 5 kg. Im ersten Teilversuch wird es nun beide gleichzeitig aus dem Wagen werfen, im zweiten Teil beide nacheiander. Welche der zwei Methoden wird effektiver sein in Bezug auf die erreichte Geschwindigkeit. Gewicht des Mädchens = 40 kg Geschwindigkeit des Gewicht eines Steins m = 5 kg Wägelchens nach Wagen = 10 kg dem/den Wurf/ Geschwindigkeit eines geworfenen Steins u 1 = 7 m/s Würfen u 2 =? Ansatz: u 1 = - m 2 u 2 m Beide Steine gleichzeitig u 2 = m1 * (-u1) u 2 = 10 kg * (-7 m/s) 50 kg u 2 = - 1,4 m/s

5 2.2 Beide Steine nacheinander Erster Stein Zweiter Stein u 2 = 5 kg * (-7 m/s) u 2 = 5 kg * (-7 m/s) 55 kg 50 kg u 2 = -0,64 m/s u 2 = -0,7 m/s V Mädchen = 0.64 m/s + 0,7 m/s = 1,34 m/s In der ersten der beiden Varianten erreichte der Wagen eine Geschwindigkeit von 1,4 m/s, in der zweiten nur noch 1,34 m/s. Wir stellen also fest, dass es effektiver ist sofortige Beschleunigung der kontinuierlichen vorzuziehen. Allerdings hält der menschliche Körper nur ein gewisses Maß g aus bevor er kollabiert und so ist man trotzdem gezwungen in den meisten Fällen mit sehr hohen Beschleunigungen auf stufenweise Erhöhung der Geschwindigkeit zu setzten. Bild I Bild II Was wir in diesem Zusammenhang noch gelernt haben, ist, dass es von herausragender Bedeutung ist von welchem Bezugssystem ausgegangen wird, da Zeit und Geschwindigkeit relativ sind. In Bild I bewegt sich ein Mädchen in einem sich mit 100 km/h schnellen Fahrzeug selbst mit 5 km/h. Von einem äußeren festen Beobachter jedoch wird eben dieses Mädchen wahrgenommen, als ob es 105 km/h schnell wäre. Die 5 km/h addierten sich also auf die 100 km/h des Gefährts. Würde sie sich in die Gegenrichtung bewegen nähme sie der Beobachter schlagartig als sich mit 95 km/h fortbewegendes Wesen war. In Bild II sehen wir nun das Resultat der zweiten Teilaufgabe. Der Abwurf des ersten Steines führte dazu, dass sich der Wagen mit 0,64 m/s fortbewegt. Der zweite mit 7 m/s geworfene Stein bewirkt nun eine Steigerung der Geschwindigkeit um 0,7 m/s vermittels des 3. Newtonschen Axioms actio = reactio oder F 2 = - F 1. Diese wird nun auf die 0,64 m/s aufaddiert um die resultierende Geschwindigkeit V Mädchen zu erhalten. Dieses Mal stellt sich für den Betrachter die Situation genauso dar wie für das Mädchen, da er Teil des gleichen rollenden Bezugssystems ist.

6 5. Hausaufgabe zum nächsten Block Fünf Personen zu je 50 kg befinden sich mit Schlittschuhen auf dem Eis und machen eine Polonaise wobei sie sinnbildlich für die aufeinanderfolgenden Stufen einer Rakete stehen. Nacheinander stößt sich nun der jeweils letzte der Gruppe von seinem Vordermann mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s ab. Auch dies gleicht einem Explosionsstoß und uns interessiert nun, welche Endgeschwindigkeit der Letzte der fünf auf das Eis bringt. Menschliche Rakete nach Zündung der ersten Stufe Ansatz: u 1 = - m 2 u 2 = m 1 m 1 = 50 kg u Endgeschwindigkeit =? m 2 = variabel u 1 = 5 m/s u 2 = - 50 kg * 5 m/s = -1,25 m/s 200 kg u 2 = - 50 kg* 5 m/s = -1,67 m/s 150 kg u 2 = - 50 kg* 5 m/s = -2,5 m/s 100 kg u 2 = - 50 kg* 5 m/s = -5 m/s 50 kg u Endgeschwindigkeit = (-1,25 m/s) + (-1,67 m/s) + (-2,5 m/s) + (-5 m/s) = -10,42 m/s Die letzte Person hat nach dem Abstoßen von Nummer vier eine Endgeschwindigkeit von -10,42 m/s.