Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS. Kunststöße

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1 Kunttöße Stand: Jahgangtufen Fach/Fäche FOS 11 (T), BOS 1 (T) Phyik Übegeifende Bildungund Eziehungziele Zeitahen ca. 45 Minuten Benötigte Mateial Kopetenzewatung Lehplan Phyik FOS 11 (T) LB, Lehplan Phyik BOS 1 (T) LB Die Schüleinnen und Schüle analyieen die Kaftwikungen und die dait vebundenen Ipuländeungen bei ein- und zweidienionalen Stoßvogängen unte Anwendung de Wechelwikungpinzip. Dabei eitteln ie die Ipuländeungen de beteiligten Stoßpatne bei zweidienionalen Vogängen zeichneich und bei eindienionalen Vogängen zeichneich und echneich, u dait z. B. Gechwindigkeitändeungen und dabei auftetende Bechleunigungen bei Zuaentoß von Fahzeugen zu dikutieen. Lehplan Phyik FOS 11 (T) LB 3, Lehplan Phyik BOS 1 (T) LB 3 Die Schüleinnen und Schüle etzen den Enegieehaltungatz zuätzlich zu Ipulehaltungatz und de Kaftkonzept voteilhaft ein, u ealitätnahe Situationen (z. B. Loopingfaht, zentale Zuaentoß zweie Fahzeuge) quantitativ zu analyieen und päentieen ihe Egebnie unte ichee Vewendung de phyikalichen Fachpache. Seite 1 von 6

2 Aufgabe In eine Feizeitpak teht ein Spielfeld zu Vefügung, auf de die Spiele baugleiche Luftkiengleite de Mae = 10kg, aufeinande chieben. Ziel it e, diee Gleite in Öffnungen an den Ecken de Spielfläche zu beföden. Nachfolgend ind vie vechiedene (hypothetiche) Spielituationen abgebildet (A, B, C und D). Dabei tifft jeweil de Gleite 1 ( ) in de eingezeichneten Richtung it de Gechwindigkeit vo Betag v = 40/, auf den uhenden Gleite ( ). Abicht de Spiele it e jeweil, in allen vie Situationen, einen eitlich veetzten Stoß zu ealiieen, o da beide Gleite nach de Stoß entlang de getichelten Linien in die Öffnungen utchen. In den folgenden Übelegungen ind Reibungeffekte und eine Eigenotation de Gleite zu venachläigen. Außede ind die Gleite duch Guiuandungen o gebaut, da die kinetiche Enegie de Gleite 1 vo de Stoß volltändig auf die beiden Gleite veteilt wid e geht alo keine echaniche Enegie z. B. in Fo von Wäe veloen. A B C D Abbildung 1: Vie Stoßituationen Seite von 6

3 1. Eitteln Sie jeweil die Ipule de Gleite p 1 und p nach de Stoß ithilfe von Ipulplänen (fühen Sie Ihe Beabeitung diekt in den einzelnen Abbildungen A, B, C bzw. D au; Maßtab: 1cA 1N ). Betien Sie die jeweiligen Betäge u 1 und u de Gechwindigkeiten de Gleite nach de Stoß und die jeweiligen Winkel, unte denen die Gleite nach de Stoß aueinandeutchen.. Nu in zwei de vie Abbildungen ind Stoßvogänge dagetellt, bei denen (auf Gundlage de in Aufgabe 1 betiten Gechwindigkeiten) keine bi kau Enegievelute aufteten (wie eingang bechieben). Entcheiden Sie duch geeignete Rechnungen, bei welchen beiden de vie abgebildeten Situationen e ich u diejenigen Stoßvogänge handelt, die ohne Velut an Enegie ablaufen bzw. die ohne Zufuh von Enegie ablaufen können. 3. Weien Sie - augehend vo Enegieehaltungatz - nach, da bei eine Stoß zwichen zwei baugleichen Gleiten, bei de ein Gleite vo de Stoß uht und die kinetiche Enegie de bewegten Gleite bei Stoß volltändig auf die beiden Gleite nach de Stoß veteilt wid, fü die Betäge de jeweiligen Ipule allgeein gilt: p1 = 1 +. It dait de in Aufgabe 1. eittelte Winkel fü die in Aufgabe. identifizieten Stöße Zufall ode vobetit? Begünden Sie Ihe Antwot! 4. In eine Fou fü Billadpiele it folgende Eintag zu finden: Hallo zuaen, ein Kupel hat i bei letzten Taining auf einen Zettel gezeichnet, wo die zweite (tilltehende) Kugel eine Efahung nach in etwa liegen u, dait an übehaupt eine Chance hat, diee it eine Kugel von link (ohne Effet ode andee Tick) in Loch zu beföden - und die vohe ollende Kugel gleichzeitig in andee Loch fällt. E hat dann noch etwa vo Thalekei ezählt!? Kann i jeand ekläen, wau die tilltehende Kugel augeechnet dot liegen u, wo ie ein Kupel eingezeichnet hat? Ich habe i Phyikunteicht an de FOS al wa von eine Steuwinkel von 90 Gad gehöt. Die Steuwinkel, die ein Kupel eingezeichnet hat, ind abe alle unte 90. Kapie ich nicht! L Abbildung : Foubeitag Beantwoten Sie dieen Foubeitag adeatengeecht und phyikalich begündet. Seite 3 von 6

4 Hinweie zu Unteicht Die Löungvochläge unte den Hinweien zu Unteicht efolgen tichpunktatig. Diee ind nicht al volltändige, altenativloe Löungewatung zu ehen. Auch von eine tengen phyikalichen Fachnotation wid hie abgeehen. 1. Ipulpläne: p1 1,9 N = = 1,9, u = = 3,0 1,0 kg p1 = 3,5, u = = 4,1 p1 =,4, u = = 3, p1 = 3,0, u = =,7 Abbildung 3: Vie Stoßituationen it eingezeichneten Ipulen Seite 4 von 6

5 . Fü alle Abbildungen gilt: 1 E kin, 1, vohe = 10kg, ( 40/, ) = 80J, Abbildung A: 1 1 E + E = 10kg, ( 19/, ) + 10kg, ( 30/, ) = 63J, < E Nein! De Stoß wäe nu bei eine Enegievelut öglich, de abe laut den Voauetzungen in de Aufgabentellung auzuchließen it. kin, 1, nachhe kin,, nachhe kin, 1, vohe Abbildung B: E + E 1 1 = 10kg, ( 4/, ) + 10kg, ( 3/, ) = 80J, = E Ja! Abbildung C: E + E 1 1 = 10kg, ( 35/, ) + 10kg, ( 41/, ) = 15J> E Nein! Abbildung D: E + E 1 1 = 10kg, ( 30/, ) + 10kg, ( 7/, ) = 81J, ª E Ja! kin, 1, nachhe kin,, nachhe kin, 1, vohe kin, 1, nachhe kin,, nachhe kin, 1, vohe kin, 1, nachhe kin,, nachhe kin, 1, vohe 3. E gilt de Enegieehaltungatz: Ekin, 1, vohe = Ekin, 1, nachhe + E kin,, nachhe v = u1 + u v = u + u 1 p = + p 1 1 Soit gilt fü die Ipulbetäge de Satz von Pythagoa! Dait it de Winkel 90 fü B und D kein Zufall. Die Ipulvektoen bilden ein echtwinklige Deieck und oit betägt de Winkel, unte de die Gleite aueinande utchen, Alle auf eine Thalekei liegenden Punkte ind Eckpunkte von echtwinkligen Deiecken, deen Länge de Hypotenue gleich de Duchee de Thalekeie it. In de Skizze it die Hypotenue die Stecke zwichen den beiden Löchen i Billadtich, in die die Kugeln eingelocht weden ollen. Soit akieen alle Punkte auf de eingezeichneten Halbkei die Punkte, von denen au (unte gewien Veeinfachungen wie z. B. venachläigbae Kugelduchee etc.) die Billadkugeln eingelocht weden Seite 5 von 6

6 können, fall KEIN Enegievelut bzw. KEINE Enegiezufuh wähend de Vogang tattfindet. Da jedoch in Realität wohl Enegievelute aufteten, u de Winkel, unte de ich die Kugeln nach de Stoß aueinande bewegen, kleine al 90 ein. Begündung: v > u1 + u und dait p1 > 1 + p E egibt ich dait qualitativ folgende Ipulplan: p 1 p1 p Man ieht deutlich, da de Winkel, unte de die beiden Kugeln ich aueinande bewegen, kleine al 90 ein u. Quellen- und Liteatuangaben Abbildung : Foubeitag, eigene Bild, Chitian Schille, Seite 6 von 6