Fallbeschleunigung und ihre Ursache

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Protokoll
Charlotte-Wolff-Kolleg
Abiturjahrgang: 2014
Klasse: 42e5, Einführungsphase
Datum : 31.10.2012, 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“)
http://libri.tekki.ch/Bilder/lukrez.jpg
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.
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.
http://www.bewerbungsshop24.de/shop/out/pictures/1/papier_1_p1.jpg
http://www.k1dd.de/bilder/home/home_kl.jpg
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?
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.
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: http://www.youtube.com/watch?v=KDp1tiUsZw8
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
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?
t=5s
Gegeben:
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]
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
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 :
Gesucht : v
s=18m
(aufgerundet).
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 25.11.2012
Saskia Rafflenbeul
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