1. „Der Schwung heißt Impuls“
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Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1. „Der Schwung heißt Impuls“ Die ersten Karten 1.1 a) bis f) können in beliebiger Reihenfolge bearbeitet werden. Nutzen Sie experimentelle Engpässe für die Gedankenexperimente. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 a) Führen Sie dieses Experiment bitte leise auf dem Flur durch. Ein Partner schiebt ein Skateboard an, der gegenüberstehende Partner stoppt es. Dann setzt (!) sich eine dritte Person auf das Skateboard und der Schiebeversuch wird wiederholt. Notieren Sie die Beobachtung desjenigen, der das Skateboard stoppt, in einem Satz. Bringen Sie im Anschluss an den Versuch das Versuchsmaterial zurück. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 b) Führen Sie dieses Experiment bitte leise auf dem Flur durch. Stellen Sie sich im Abstand von 2 m auf und werfen Sie sich einen Volleyball zu. Werfen Sie dabei möglichst waagerecht, also keinen Bogen. Werfen Sie sich nun im Abstand von 2 m zueinander (vorsichtig!) einen Medizinball zu. Werfen Sie möglichst waagerecht. Vergleichen Sie den Schwung/die Wucht des geworfenen Medizinballs mit dem Schwung des Volleyballs. Notieren Sie das Ergebnis in einem Satz. Bringen Sie im Anschluss an den Versuch das Versuchsmaterial zurück. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 c) Wie kann man beim Volleyballspiel einem Volleyball mehr Schwung geben? Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 d) Zwei gleich schnelle Radfahrer kommen Ihnen auf dem Radweg entgegen. Das eine ist ein Rennrad, das andere ein voll bepacktes Postfahrrad. Sie wollen ein Rad stoppen, indem Sie es am Lenker festhalten. Welches Rad ist schwerer zu stoppen? Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 f) Zwei Radfahrer kommen Ihnen auf dem Radweg entgegen. Das eine ist ein Rennrad, das andere ein voll bepacktes Postfahrrad. Unter welchen Voraussetzungen sind diese beiden Fahrräder gleich schwer zu stoppen? Notieren Sie Ihre Überlegungen. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.1 e) Zwei Radfahrer kommen Ihnen auf dem Radweg entgegen. Das eine ist ein Rennrad, das andere ein voll bepacktes Postfahrrad. Sie haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Wie wirkt sich dies auf den Schwung der einzelnen Räder aus? Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.2 Bevor Sie mit dem eigentlichen Versuch startet, müssen Sie die Galilei-Rinne ausrichten. Dazu lassen Sie eine Metallkugel wiederholt von voller Höhe 2 auf der Rinne laufen und richten mit Hilfe von Bierdeckeln o.Ä. die Rinne dabei so aus, dass die Kugel am anderen Ende der Rinne möglichst wieder die Anfangshöhe erreicht. Zum Versuch: Legen Sie auf die GalileiRinne eine große Metallkugel 1 auf halbe Höhe und 2 auf volle Höhe und lasst sie jeweils rollen. Einer stoppt die Bewegung der Kugel auf dem ebenen Stück mit der Hand; sie/er sollte dabei wegsehen, so dass man nicht weiß, aus welcher Höhe die Kugel losgelassen wird. Beschreiben Sie den Unterschied. Überlegen Sie, wie Höhe und Geschwindigkeit zusammenhängen. Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.3 Legen Sie einen Radiergummi oder einen dicken Stift auf die Bahn, so dass dieser durch die Kugel weggeschoben wird. Untersuchen Sie den Schwung der Kugel, wenn die Kugel 1 auf halber Höhe bzw. 2 auf voller Höhe den Radierer wegschiebt. Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.5 Überlegen Sie gemeinsam: Von welchen Größen hängt der Schwung ab? Gehen Sie die Experimente noch einmal durch: 1. Schieben des Skateboards 2. Würfe mit Medizinball und Volleyball 3. Stoppversuche auf der Galileirinne 3. Gedankenexperiment zum Postfahrrad Notieren Sie die Größen. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.4 Tauschen Sie die Metallkugel gegen eine Holzkugel aus. Untersuchen Sie erneut, wie die Kugel den Gummistopfen wegschiebt. Welchen Einfluss nimmt die Masse auf den Schwung? Notieren Sie Ihr Ergebnis Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.6 INFO 1. Der Schwung heißt Impuls Der „Schwung“, den man in vielen Bewegungen erkennt, wird in der Physik als Impuls bezeichnet. Er wird definiert als Masse mal Geschwindigkeit und hat das Formelzeichen p: p = m⋅v . Übernehmen Sie die Information in Ihre Mappe und markieren Sie sie farblich. Betrachten Sie noch einmal die Experimente an der Galilei-Rinne und überprüfen Sie, ob Sie dabei m oder v (oder beide) verändert haben. Bringen Sie im Anschluss an den Versuch das Versuchsmaterial zurück. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls Physik 11 Mechanik 1.7 Vergleichen Sie rechnerisch den Impuls eines PKW (m = 1.200 kg) bei 72 km/h mit dem eines LKW (m = 40 t) bei gleicher Geschwindigkeit. Hinweis: Die Einheit des Impulses ist 1 kg ⋅ m s . 1. Der Schwung heißt Impuls 1.8 Zusatz: Der Impuls des PKW beträgt laut vorhergehender Rechnung , der Impuls des LKW hingegen . Inwiefern ist demzufolge ein Zusammenstoß mit einem LKW viel gefährlicher als ein Zusammenstoß mit einem PKW, auch wenn man selbst in einem PKW durch das Blech und einen Sicherheitsgurt geschützt ist? Falls Sie bis hierhin zügig gearbeitet haben und Ihren Mitschülern voraus sind, können Sie sich mit den beiden Zusatzaufgaben zu Kapitel 1 beschäftigen. Ansonsten beginnen Sie bitte direkt mit Kapitel 2. Zeigen Sie zuvor Ihre bisherigen Aufzeichnungen noch dem Lehrer zur vor und lassen Sie sich den nächsten Kartensatz aushändigen. Physik 11 Mechanik 1. Der Schwung heißt Impuls 1.9 Zusatz: Erklären Sie den Ausdruck aus der Alltagssprache „Einer Sache einen zusätzlichen Impuls geben“ physikalisch anhand eines Beispiels. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2. Impulserhaltung bei Idealisierung auf reibungsfreie Bewegungen Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.1 Verwenden Sie die Galilei-Rinne und richten Sie sie wie in Kapitel 1 beschrieben optimal aus. Lassen Sie nun eine Metallkugel von oben rollen und beschreiben Sie die Bewegung. Überlegen Sie insbesondere, welches Vorzeichen die Geschwindigkeit und die Beschleunigung im markierten Teil während der Aufwärtsbewegung haben müssen. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.2 Beschreiben Sie nun möglichst genau, welche Geschwindigkeiten man an den markierten Stellen 1-7 messen müsste, wenn man folgende zwei Werte kennt und von einem reibungsfreien Verlauf ausgeht: v2=0,26 m/s, v4=0,37 m/s. Welche Rolle spielt die Tatsache, dass die Bewegung beinahe reibungsfrei ist? Notieren Sie Ihre Überlegungen. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.3 Berechnen Sie, welchen Impuls/Schwung die Kugel an den sieben markierten Stellen hat, wenn die große Eisenkugel eine Masse von 0,255 kg hat. Überlegen Sie, ob es Sinn macht, wenn man einen Wert p = 0 kg⋅m/s erhält. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.4 Gedankenexperiment nach Galilei Wenn die Reibung sehr gering ist, erreicht die Kugel stets dieselbe Höhe (gestrichelte Linie) auf beiden Seiten. Wenn die eine Schräge weniger steil ist, wird die Kugel entsprechend weiter rollen, bis sie dieselbe Höhe erreicht hat. Wenn aber nur auf einer Seite eine Schräge ist und die Kugel diese Schräge herunterrollt, muss sie auf der Gerade praktisch unendlich rollen! Galilei schreibt: Hieraus folgt, dass die Bewegung in der Horizontalen eine unaufhörliche sei. Fassen Sie diese Idee in eigene Worte. Inwiefern ist dies nur ein Gedankenexperiment? Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.5 Begründen Sie, weshalb man an den Stellen 3-5 immer denselben Impuls misst. Welche Rolle spielt die Reibung dabei? Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.6 INFO 2. Reibungsfreie Bewegung Wenn ein Körper sich reibungsfrei bewegt, behält er für immer seine anfängliche Geschwindigkeit bei. Also bleibt auch sein Impuls gleich. Man sagt, in einem reibungsfreien System ist der Impuls eines Körpers konstant, er bleibt erhalten. Übernehmen Sie den Inhalt dieser Information in Ihre Mappe und markieren Sie dies farblich. Überlegen Sie sich, warum die meisten Schüler und Studenten diese Aussage kaum glauben können. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.7 Sir Isaac Newton hat drei Grundgesetze über Bewegungen formuliert. Das erste davon lautet: Jeder Körper verharrt in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung, solange nichts1 von außen auf ihn einwirkt. Erklären Sie diese Formulierung mit Hilfe des Impulses. 1 Mit ‚nichts’ ist hier gemeint, dass sich eventuell vorhandene äußere Einflüsse gegenseitig aufheben. Und wieder flink zum Lehrer, Ergebnisse vorzeigen und auf zum nächsten Kapitel. Physik 11 Mechanik 3. Impulserhaltung 2.8 Zusatz: Diskutieren Sie den abgebildeten Comic: Im All, weit entfernt von anderen Himmelskörpern, befindet sich ein Raumschiff in Bewegung, als plötzlich der Treibstoff ausgeht. Einigen Sie sich auf die richtigen (Teil-)Aspekte und notieren Sie gemeinsam eine Antwort. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3. Übertragung von Impulsen 3.1 Stoßen Sie auf glatter ebener Unterlage eine Münze gegen eine ruhende Münze. Nutzen Sie dazu sowohl gleiche als auch unterschiedliche Münzen. Wie verhalten sich die beiden Geldstücke nach dem Stoß? Wovon hängt das Verhalten ab? Notieren Sie Ihr Ergebnis. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.3 Holen Sie sich zwei Experimentierwagen, zwei Federn, zwei Massen sowie etwas Knete am Lehrerpult ab. Bringen Sie an dem einem Wagen vorne Knete an, am anderen eine Spitze. Nach dem Zusammenstoß sollen die beiden Wagen aneinander haften. Ist es möglich, sie so anzustoßen, dass sie nach dem Zusammenstoß in Ruhe sind? Probieren Sie es aus und notieren Sie Ihre Beobachtung. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.2 Lassen Sie nun beide Münzen mit etwa gleicher Geschwindigkeit zentral aufeinander prallen. Wie bewegen Sie sich nach dem Zusammenstoß? Experimentieren Sie wieder sowohl mit gleichen als auch mit unterschiedlichen Münzen und notieren Sie Ihre Beobachtungen. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.4 Bringen Sie nun an beiden Wagen eine Bügelfeder an. Der erste Wagen ruht zunächst. Der zweite Wagen prallt frontal auf den ersten. Wie verhalten sich beide Wagen? Auf einen Wagen wird Zusatzmasse gelegt. Wie verändert sich dadurch die Bewegung der beiden Wagen? Notieren Sie Ihre Beobachtung. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.5 Die Wagen werden bei gespannten Federn ruhend zusammengehalten und gleichzeitig losgelassen. Was lässt sich über die beiden Geschwindigkeiten nach dem Loslassen aussagen? Wie verhalten sich beide Geschwindigkeiten, wenn die Schlitten unterschiedliche Massen haben? Notieren Sie Ihre Beobachtungen. 3.6 INFO Stöße zwischen Körpern werden mithilfe der folgenden Definitionen unterschieden: - Ein Stoß heißt elastisch, wenn sich die Stoßpartner nach dem Stoß wieder trennen und nicht dauerhaft verformt sind. – Ein Stoß heißt unelastisch, wenn die Körper nach dem Zusammentreffen verbunden bleiben oder verformt sind. – Ein Stoß heißt zentral, wenn sich die stoßenden Körper (mit ihren Schwerpunkten) entlang einer Geraden aufeinander zu bewegen. Physik 11 Mechanik Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.7 Sortieren Sie die bisher durchgeführten Stöße: Welche sind elastisch, welche unelastisch, welche zentral? 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.8 INFO 5: Impulsübertragung Der Impuls eines Körpers kann durch Stöße auf einen oder mehrere andere Körper übertragen werden, was Sie in den vorangegangenen Experimenten häufig beobachtet haben. Dabei gilt der Impulserhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System ändert sich der Gesamtimpuls nicht: pges = konstant. Anders ausgedrückt: In einem abgeschlossenen System ist die Summe p1+p2 +... aller Impulse (als Vektoren betrachtet) vor dem Stoß gleich der Summe p1´+p2´ + ... der Impulse nach dem Stoß. Übernehmen Sie diese Information in Ihr Heft und heben Sie sie farblich hervor. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.9 Ein stehender Güterwagen (m1= 20 t) wird durch einen anderen Güterwagen (m2= 30 t) mit einer Geschwindigkeit von v2= 5 km/h gerammt. Berechnen Sie die Geschwindigkeit der Wagen, wenn diese nach dem Zusammenstoß miteinander zusammengekoppelt sind. Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.10 Zwei Wagen (m1= 200 g, m2=500g) bewegen sich mit v1=32 cm/s und v2= - 21cm/s aufeinander zu. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit nach einem unelastischen Stoß. (Ergebnis: v´=5,86 cm/s) (Ergebnis: v´=3 km/h) Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.11 Vater (m1 = 70 kg) und Tochter (m2 = 30 kg) stehen zusammen auf Schlittschuhen auf dem Eis und stoßen sich voneinander ab. Berechnen Sie den Abstand der beiden nach fünf Sekunden, wenn sich der Vater mit v2´=0,3 m/s bewegt, unter der Annahme dass die Bewegung reibungsfrei verläuft. (Ergebnis: v´2=0,7 m/s; die Entfernung nach 5 s beträgt 5 m) Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.12 Informieren Sie sich über den Raketenantrieb: Welche Rolle spielt dabei der Impulserhaltungssatz? Diskutieren Sie, welche der Größen p, m und v konstant bleiben und welche sich wie ändern. Warum ist es einer Rakete dadurch möglich, zu starten? Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.13 Zusatz Ein Motorboot der Masse m = 2000kg wird nach dem Raketenprinzip angetrieben, indem ein Motor angesaugtes Wasser mit einer Geschwindigkeit v = 25 m/s nach hinten ausstößt. Berechnen Sie die pro Minute ausgestoßene Wassermasse, wenn eine Beschleunigung von 1,5 m/s2 erreicht werden soll. (Ergebnis: 7200 kg pro Minute) Physik 11 Mechanik 4 . Impulsübertragung und Impulserhaltung 3.14 Zusatz Aus einem Jagdgewehr der Masse 4,4 kg wird ein Geschoss der Masse 5,2 g mit einer Geschwindigkeit von 672 m/s abgefeuert. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Gewehrs, wenn es beim Schuss frei beweglich ist. b) Begründen Sie, dass der Jäger beim Schuss die Waffe fest an die Schulter zieht. (Ergebnis zu a: 0,79 m/s)
