Fallbeschleunigung und ihre Ursache

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1 Protokoll Charlotte-Wolff-Kolleg Abiturjahrgang: 2014 Klasse: 42e5, Einführungsphase Datum : , 3. Block (12:00-13:30) Lehrer: Herr Winkowski Protokollant: Saskia Rafflenbeul Thema: Fallbeschleunigung und ihre Ursache Ausgeteilte Arbeitsblätter: Aufgaben zur Fallbeschleunigung und Aufgaben zur Kreisbewegung 1 Fallbeschleunigung und ihre Ursache Wer nun etwa vermeint, die schwereren Körper, die senkrecht rascher im Leeren versinken, vermöchten von oben zu fallen auf die leichteren Körper und dadurch die Stöße bewirken, die zu erregen vermögen die schöpferisch tätigen Kräfte: Der entfernt sich gar weit von dem richtigen Wege der Wahrheit. Denn was immer im Wasser herabfällt oder im Luftreich, muß, je schwerer es ist, um so mehr sein Fallen beeilen, deshalb, weil die Natur des Gewässers und leichteren Luftreichs nicht in der nämlichen Weise den Fall zu verzögern imstand ist, sondern im Kampfe besiegt vor dem Schwereren schneller zurückweicht: Dahingegen vermöchte das Leere sich niemals und nirgends wider irgendein Ding als Halt entgegenzustellen, sondern es weicht ihm beständig, wie seine Natur es erfordert. Deshalb müssen die Körper mit gleicher Geschwindigkeit alle, trotz ungleichem Gewicht durch das ruhende Leere sich stürzen (...) Lukrez, römischer Dichter und Philosoph, ca. 55 v. Chr. Zitat aus seinem Werk De rerum natura ( Über die Natur der Dinge )

2 Tafelbild 1 Tafelbild 2 Anmerkung: Die Schwingung um den Erdmittelpunkt entsteht dadurch, dass die Gravitationskraft des Erdmittelpunktes das Objekt anzieht und so beschleunigt, dass es am Erdmittelpunkt vorbeifliegt. Danach wird das Objekt wieder von der Gravitationskraft zurückgezogen. Dieser Ablauf wiederholt sich ständig.

3 Vermutung seitens der Klasse: Objekte mit höherem Gewicht fallen schneller zu Boden bzw. in Richtung des Erdmittelpunktes. Tafelbild 3 Experiment 1: Versuch mit einem Blatt Papier Überprüfung der These: Fallen Objekte mit höherem Gewicht schneller in Richtung Erdmittelpunkt? Versuchsbeschreibung: Herr Winkowski ließ ein glattes und ein zerknülltes Blatt Papier, mit gleichem Gewicht und aus gleicher Höhe, zu Boden fallen. Beobachtung: Das zerknüllte Blatt Papier fiel, trotz gleichem Gewichtes, schneller zu Boden. Schlussfolgerung: Die Fallgeschwindigkeit ist nicht vom Gewicht des Objektes abhängig. Frage: Was beeinflusst dann die Fallgeschwindigkeit?

4 Experiment 2: Versuche mit dem Fallrohr 1.Teil Versuchsbeschreibung: Eine Feder und ein Bleiplättchen wurden gleichzeitig, in einem mit Luft gefülltem Fallrohr, durch eine 180 Drehung des Fallrohres, fallengelassen. Beobachtung: Das Bleiplättchen fiel schneller auf den Grund des Fallrohres, als die Feder. Tafelbild 4 2.Teil Versuchsbeschreibung: Das Fallrohr wurde mittels eines Gummischlauches an eine Vakuumpumpe angeschlossen, um es zu evakuieren. Durch eine 180 Drehung des evakuirten Fallrohres, wurden das Bleiplättchen und die Feder aus Versuch 1, gleichzeitig fallengelassen. Beobachtung: Die Feder und das Bleiplättchen fielen gleich schnell auf den Grund des Fallrohers.

5 Schlussfolgerung: Die Fallgeschwindigkeit muss etwas mit der Luft zu tun haben. Experiment 3:Hammer-Feder -Experiment auf dem Mond Durchgeführt von der Nasa- Apollo 15, auf dem Mond, im Jahre1971, von David Scott. Youtube-Video: Versuchsbeschreibung: David Scott ließ auf dem Mond einen Hammer, sowie eine eigens für diesen Zweck mitgebrachte Falkenfeder, gleichzeit und aus gleicher Höhe fallen. Beobachtung: Der Hammer und die Feder schlugen zeitgleich auf. Schlussfolgerung: Dadurch, dass der Mond auch eine Gravitationskraft besitzt, allerdings nur ein Zehntel so stark wie die der Erde, und keine Luft die fallende Objekte bremsen könnte, hier herrscht wie überall im Weltraum ein Vakuum, fielen beide Gegenstände gleich schnell zu Boden. Das Gewicht hat also keinen Einfluss auf die Fallgeschwindigkeit. Information: Die Fallbeschleunigung auf dem Mond ist kleiner, weil der Mond eine kleinere Masse hat. Schlussfolgerung aller durchgeführten Experimente dieser Schulstunde: Alle, in der Unterrichtsstunde durchgeführten Experimente demonstrieren das Äquivalenzprinzip welches besagt, dass die Beschleunigung, die ein Objekt durch die Gravitation erfährt, nicht von Masse, Dichte, Zusammensetzung, Farbe, Form oder Ähnlichem abhängt, sondern vom Luftwiderstand/der Reibungskraft. *Schwaches Äquivalenzprinzip von Galileo

6 Formelsammlung zur Mechanik Formel 1: Weg-Zeit-Gesetz Formel 2: Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz Formel 3: Geschwindigkeit-Weg-Gesetz Aufgabe 1 vom Arbeitsblatt: Aufgaben zur Fallbeschleunigung Ein Stein fällt in einen Brunnen. Nach 5 s hört man seinen Aufschlag auf die Wasseroberfläche. 1.1 Wie tief ist der Brunnen? Gegeben: t=5s Gesucht: s Rechnung: [die 5 potenzieren] * 25s² [die s² wegkürzen, alles multiplizieren] [Bruch berechnen] Antwort: Der Brunnen ist 122,625 m tief. 1.2 Welche Geschwindigkeit (in ) hat der Stein beim Aufschlag? Gegeben: Gesucht: v Rechnung: v = g * t [s wegkürzen]

7 Antwort: Beim Aufschlag hat der Stein eine Geschwindigkeit von. Berechnung in Kilometern pro Stunde: v = 49,05 * 3,6 [mutiplizieren] Antwort: Beim Aufschlag beträgt die Geschwindigkeit des Steines 180 (aufgerundet). 1.3 Tafelbild 5 Aufgabe 2 vom Arbeitsblatt: Aufgaben zur Fallbeschleunigung Welche Endgeschwindigkeit in km/h entspricht ein Fall aus 18 m Höhe? Anmerkung: ca. 4. Stock des CWK-Gebäudes = 18 m Gegeben : s=18m Gesucht : v

8 Rechnung: Antwort: Die Endgeschwindigkeit, des aus 18 m Höhe fallenden Objekts, beträgt rund 70 km/h. Aufgabe 3 vom Arbeitsblatt: Aufgaben zur Fallbeschleunigung Aus welchem Stockwerk eines Parkhauses muss ein Auto stürzen, damit es einem Frontalaufprall mit gleichkommt, wenn die Stockwerkhöhe 3 m beträgt? Gegeben: Gesucht: s Rechnung: [mit ² multiplizieren] [durch 2g dividieren] [Werte einsetzen] [Zähler quadrieren] [ausmultiplizieren und kürzen] [Meter in Stockwerke umrechnen] Antwort: Ein Fahrzeug muss aus dem 13. Stockwerk fallen, damit der Aufprall einem Frontalaufprall von 100 km/h gleichkommt. Berlin, den Saskia Rafflenbeul