1. Mechanik – Bewegung, Masse und Kraft
1.1 Bewegungen beschreiben – die Geschwindigkeit
Erklärung: Gleichförmige Bewegung und das s-t-Diagramm
Eine Bewegung heißt gleichförmig, wenn der Körper in gleichen Zeitabschnitten immer den gleichen Weg zurücklegt. Seine Geschwindigkeit v ist dann konstant.
v = s / t bzw. s = v · t
- s: Weg
- v: Geschwindigkeit
- t: Zeit
Umrechnung: 1 m/s = 3,6 km/h — ein Wert in m/s wird also mit 3,6 multipliziert, um km/h zu erhalten.
Im s-t-Diagramm ergibt eine gleichförmige Bewegung eine Gerade durch den Ursprung. Je steiler die Gerade, desto größer die Geschwindigkeit. Die Steigung der Geraden ist die Geschwindigkeit.
Ein Körper, der steht, liefert im s-t-Diagramm eine waagerechte Linie – der Weg ändert sich nicht mehr.
Beispiel: Größenordnungen von Geschwindigkeiten
| Bewegung | ungefähre Geschwindigkeit |
|---|---|
| Schnecke | 0,001 m/s ≈ 0,004 km/h |
| Fußgänger | 1,4 m/s ≈ 5 km/h |
| Radfahrer | 5 m/s ≈ 18 km/h |
| Auto in der Stadt | 14 m/s = 50 km/h |
| ICE | 78 m/s ≈ 280 km/h |
| Verkehrsflugzeug (Jet) | 250 m/s ≈ 900 km/h |
| Schall in Luft | 340 m/s ≈ 1200 km/h |
| Licht | 300 000 000 m/s ≈ 1,08 Mrd. km/h |
Rechnung: Ein Radfahrer fährt 20 Minuten lang mit 5 m/s.
t = 20 min = 1200 s
s = v · t = 5 m/s · 1200 s = 6000 m = 6 km
Zeichnung: s-t-Diagramm zweier gleichförmiger Bewegungen
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Aufgabe 1.1.2: Diagramm zeichnen: Fahrt mit Ampelstopp
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Aufgabenpool 1.1.3: Grundlagen – Multiple Choice [0/2]
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Aufgabenpool 1.1.4: Geschwindigkeit – Selbsttest [0/3]
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Aufgabenpool 1.1.5: Einheiten umrechnen – Selbsttest [0/3]
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Aufgabenpool 1.1.6: Sachaufgaben zur gleichförmigen Bewegung [0/3]
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1.2 Beschleunigte Bewegung und das t-v-Diagramm
Erklärung: Wenn sich die Geschwindigkeit ändert
Ändert sich die Geschwindigkeit eines Körpers, so ist die Bewegung beschleunigt. Nimmt die Geschwindigkeit gleichmäßig zu, spricht man von gleichmäßiger Beschleunigung.
a = Δv / Δt
- a = Beschleunigung in m/s²
- Δv = Geschwindigkeitsänderung in m/s
- Δt = dafür benötigte Zeit in s
Im t-v-Diagramm erkennt man die Bewegungsart sofort:
| Bewegung | t-v-Diagramm | s-t-Diagramm |
|---|---|---|
| gleichförmig | waagerechte Gerade | Gerade |
| gleichmäßig beschleunigt | ansteigende Gerade | gekrümmte Kurve |
| gleichmäßig gebremst | fallende Gerade | flacher werdende Kurve |
Die Steigung im t-v-Diagramm ist die Beschleunigung. Beim Bremsen ist die Steigung negativ – man spricht dann von einer Verzögerung.
Beispiel: Beschleunigung berechnen
Ein Auto beschleunigt aus dem Stand in 5 s auf 20 m/s (72 km/h).
a = Δv / Δt = 20 m/s ÷ 5 s = 4 m/s²
Das bedeutet: In jeder Sekunde nimmt die Geschwindigkeit um 4 m/s zu.
Bremsvorgang: Dasselbe Auto bremst von 20 m/s in 2,5 s bis zum Stillstand.
a = (0 − 20 m/s) ÷ 2,5 s = −8 m/s²
Das Minuszeichen zeigt an, dass die Geschwindigkeit abnimmt.
Zeichnung: t-v-Diagramm: gleichförmig, beschleunigt, gebremst
Aufgabe 1.2.1: Diagramme zeichnen: Fahrt mit Ampelstopp
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Aufgabenpool 1.2.2: Beschleunigte Bewegung – Lückentexte [0/2]
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Aufgabenpool 1.2.3: Beschleunigte Bewegung – Selbsttest [0/2]
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1.3 Kräfte erkennen und darstellen
Erklärung: Woran man eine Kraft erkennt
Eine Kraft kann man nicht sehen – man erkennt sie nur an ihren Wirkungen. Eine Kraft wirkt auf einen Körper, wenn sich mindestens eines davon ändert:
1. Bewegungsänderung – der Körper wird schneller, langsamer oder ändert die Richtung
2. Formänderung – der Körper wird verformt (gedehnt, gestaucht, verbogen)
3. Energieänderung – der Körper nimmt Energie auf oder gibt sie ab
Das Formelzeichen der Kraft ist F (von engl. force), ihre Einheit ist das Newton (N).
Kraft als gerichtete Größe: Eine Kraft ist erst dann vollständig beschrieben, wenn drei Angaben vorliegen:
- Betrag – wie stark ist die Kraft? (Länge des Pfeils)
- Richtung – wohin wirkt sie? (Richtung des Pfeils)
- Angriffspunkt – wo greift sie an? (Anfang des Pfeils)
Deshalb zeichnet man Kräfte als Pfeile. Man legt einen Maßstab fest, z. B. 1 cm ≙ 10 N.
Beispiel: Größenordnungen von Kräften
| Situation | ungefähre Kraft |
|---|---|
| Gewichtskraft einer Tafel Schokolade (100 g) | 1 N |
| Gewichtskraft eines Schulbuchs (500 g) | 5 N |
| Gewichtskraft eines Schülers (50 kg) | 500 N |
| Kraft beim Anheben einer Getränkekiste | 150 N |
| Zugkraft einer Lokomotive | 300 000 N |
Merkhilfe: 1 N ist ungefähr die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade.
Zeichnung: Eine Kraft vollständig darstellen
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Aufgabenpool 1.3.2: Kräfte erkennen – Selbsttest [0/3]
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1.4 Kräfte zusammensetzen und Kräftegleichgewicht
Erklärung: Die Ersatzkraft zeichnerisch bestimmen
Wirken auf einen Körper mehrere Kräfte gleichzeitig, so kann man sie durch eine einzige Ersatzkraft (auch: resultierende Kraft, Fres) ersetzen. Diese hat dieselbe Wirkung wie alle Einzelkräfte zusammen.
Fall 1 – gleiche Richtung: Die Beträge werden addiert.
Fres = F₁ + F₂
Fall 2 – entgegengesetzte Richtung: Die Beträge werden subtrahiert. Die Ersatzkraft zeigt in Richtung der größeren Kraft.
Fres = F₁ − F₂
Fall 3 – beliebiger Winkel: Man zeichnet ein Kräfteparallelogramm. Beide Kraftpfeile werden vom gemeinsamen Angriffspunkt aus maßstabsgetreu gezeichnet, das Parallelogramm ergänzt – die Diagonale ist die Ersatzkraft.
Kräftegleichgewicht: Ist die Ersatzkraft null, herrscht Kräftegleichgewicht. Der Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich gleichförmig weiter. Wichtig: Beim Kräftegleichgewicht greifen alle Kräfte am selben Körper an.
Beispiel: Tauziehen und Kräfteparallelogramm
Fres = 500 N − 500 N = 0 N → Kräftegleichgewicht, das Seil bewegt sich nicht.
Zieht die linke Mannschaft mit 550 N, die rechte mit 500 N:
Fres = 550 N − 500 N = 50 N nach links → das Seil bewegt sich nach links.
Zwei Schlepper: Zwei Boote ziehen ein Schiff mit je 8000 N unter einem Winkel von 60°. Die Ersatzkraft ist kleiner als 16 000 N – zeichnerisch über das Kräfteparallelogramm ergeben sich etwa 13 900 N.
Zeichnung: Kräfteparallelogramm
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Aufgabe 1.4.2: 10-a-Bew-02-Resultierende
1.5 Kraftmessung und das hookesche Gesetz
Erklärung: Wie eine Feder Kräfte misst
Eine Schraubenfeder wird umso stärker gedehnt, je größer die angreifende Kraft ist. Genau das nutzt der Federkraftmesser (Newtonmeter) aus.
Hookesches Gesetz: Solange die Feder nicht überdehnt wird, ist die Verlängerung s der Feder proportional zur wirkenden Kraft F:
F = D · s
- F = Kraft in Newton (N)
- s = Verlängerung der Feder in Metern (m)
- D = Federkonstante (Federhärte) in Newton pro Meter (N/m)
Die Federkonstante D ist eine Eigenschaft der jeweiligen Feder. Ein großes D bedeutet eine harte Feder, die sich nur wenig dehnen lässt.
Im F-s-Diagramm ergibt das hookesche Gesetz eine Ursprungsgerade. Ihre Steigung ist die Federkonstante D. Genau daran erkennt man die Proportionalität: Verdoppelt man die Kraft, verdoppelt sich die Verlängerung.
Grenze des Gesetzes: Wird die Feder zu stark belastet, verlässt die Kurve die Gerade – die Feder wird bleibend verformt. Das hookesche Gesetz gilt dann nicht mehr.
Beispiel: Federkonstante bestimmen
An eine Feder wird ein Körper gehängt, dessen Gewichtskraft 6 N beträgt. Die Feder verlängert sich dabei um 4 cm.
Federkonstante:
D = F / s = 6 N ÷ 0,04 m = 150 N/m
Wie weit dehnt sich dieselbe Feder bei 9 N?
s = F / D = 9 N ÷ 150 N/m = 0,06 m = 6 cm
Probe über die Proportionalität: 9 N sind das 1,5-Fache von 6 N, also ist auch die Verlängerung das 1,5-Fache von 4 cm.
Zeichnung: F-s-Diagramm einer Feder
Experiment: Station 1: Die Federkonstante bestimmen Klasse: 7–8 | Dauer: 30 min | Schwierigkeit: mittel | Hookesches Gesetz
Material
- Stativ mit Stange und Muffe
- Schraubenfeder (weich) zum Aufhängen
- Satz Massestücke (z. B. 5 × 50 g)
- Lineal oder Maßband (Millimeterteilung)
- Millimeterpapier für das Diagramm
Aufgabe
Hänge nacheinander immer schwerere Massestücke an eine Feder und miss, wie weit sie sich dabei dehnt. Bestimme daraus die Federkonstante D der Feder.
Sicherheit: Belaste die Feder nicht über den vorgegebenen Bereich hinaus – sonst wird sie bleibend verformt. Das Stativ standsicher aufbauen, damit es nicht kippt.
Durchführung
1. Hänge die Feder an das Stativ und lies bei unbelasteter Feder die Position des unteren Federendes ab. Das ist die Nulllage.
2. Hänge ein Massestück von 50 g an. Lies die neue Position ab und berechne die Verlängerung s als Differenz zur Nulllage.
3. Notiere die zugehörige Kraft: F = m · g, mit g = 10 N/kg. 50 g = 0,05 kg ergeben also 0,5 N.
4. Wiederhole mit 100 g, 150 g, 200 g und 250 g. Trage alle Werte in eine Tabelle ein:
| m in g | 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| F in N | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 |
| s in cm | 0 |
5. Wichtig: Vor jeder Messung warten, bis die Feder ruhig hängt, und immer an derselben Stelle der Feder ablesen.
Auswertung
- Protokolliere den Versuch. Gehe dabei auf die vier Aspekte Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung ein.
- Zeichne das F-s-Diagramm: die Verlängerung s auf der Rechtsachse, die Kraft F auf der Hochachse.
- Liegen die Messpunkte auf einer Geraden durch den Ursprung? Was bedeutet das?
- Bestimme die Federkonstante als Steigung der Geraden: D = ΔF / Δs. Achte auf die Einheit N/m – rechne cm vorher in m um.
- Berechne D zusätzlich aus jeder einzelnen Messung (D = F / s) und vergleiche die Werte. Woher kommen die Abweichungen?
- Sage vorher, wie weit sich die Feder bei 300 g dehnen würde, und überprüfe es im Versuch.
Erwartetes Ergebnis
Die Verlängerung wächst proportional zur angehängten Kraft: Verdoppelt man die Kraft, verdoppelt sich die Verlängerung. Im F-s-Diagramm liegen die Messpunkte auf einer Ursprungsgeraden.
Ihre Steigung ist die Federkonstante D. Für eine typische Schulfeder ergeben sich Werte in der Größenordnung von 10 N/m bis 50 N/m. Die aus den Einzelmessungen berechneten Werte streuen leicht – das liegt an Ablesefehlern von ein bis zwei Millimetern und daran, dass die Feder ein wenig nachschwingt.
Deutung: Solange die Feder nicht überdehnt wird, gilt F = D · s. Genau diese Proportionalität macht die Feder zum Messgerät für Kräfte – im Federkraftmesser ist die Skala nichts anderes als eine umgerechnete Längenskala.
Aufgabe: Hookesches Gesetz anwenden
a) An einer Feder mit D = 25 N/m hängt ein Körper. Die Feder dehnt sich um 8 cm. Wie groß ist die Kraft?
b) Eine Feder verlängert sich unter einer Kraft von 12 N um 5 cm. Berechne die Federkonstante in N/m.
c) Feder A hat D = 40 N/m, Feder B hat D = 120 N/m. Welche Feder ist härter? Begründe.
d) Eine Feder mit D = 50 N/m soll um höchstens 10 cm gedehnt werden. Welche Kraft darf höchstens angreifen?
e) In einem Versuch werden folgende Werte gemessen:
| F in N | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| s in cm | 0 | 1,5 | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 8,4 |
Zeichne das F-s-Diagramm. Ab welchem Messwert gilt das hookesche Gesetz nicht mehr? Bestimme D aus dem geradlinigen Teil.
Erweiterte Information: Warum heißt es „hookesches Gesetz"?
Robert Hooke veröffentlichte seine Entdeckung 1676 zunächst als Anagramm: ceiiinosssttuv. Erst 1678 löste er es auf zu ut tensio, sic vis – „wie die Dehnung, so die Kraft".
Das war damals durchaus üblich: So konnte man sich die Priorität für eine Entdeckung sichern, ohne sie schon preiszugeben. Erst wenn jemand anderes dasselbe behauptete, löste man das Anagramm auf und konnte beweisen, früher dran gewesen zu sein.
1.6 Trägheit und Masse
Erklärung: Das Trägheitsprinzip
Das Trägheitsprinzip (1. newtonsches Gesetz) besagt:
> Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, solange keine resultierende Kraft auf ihn wirkt.
Trägheit ist also der Widerstand eines Körpers gegen jede Änderung seines Bewegungszustands – gegen Beschleunigen genauso wie gegen Abbremsen und gegen Richtungsänderungen.
Die Masse m ist das Maß für die Trägheit eines Körpers. Ihre Einheit ist das Kilogramm (kg). Je größer die Masse, desto schwerer lässt sich ein Körper in Bewegung setzen oder abbremsen.
Masse hat zwei Gesichter: Sie ist zugleich das Maß für die Trägheit eines Körpers und für seine Schwere, also dafür, wie stark er von der Erde angezogen wird. Dass beides durch dieselbe Größe beschrieben wird, ist keineswegs selbstverständlich – es ist eine der bemerkenswertesten Beobachtungen der Physik.
Beispiel: Größenordnungen von Massen und Trägheit im Alltag
| Körper | ungefähre Masse |
|---|---|
| Brief | 20 g = 0,02 kg |
| Tafel Schokolade | 100 g = 0,1 kg |
| Schulbuch | 0,5 kg |
| Schüler | 50 kg |
| Kleinwagen | 1000 kg = 1 t |
| Lokomotive | 80 000 kg = 80 t |
Trägheit erleben:
- Sicherheitsgurt: Beim plötzlichen Bremsen bewegt sich der Insasse wegen seiner Trägheit weiter – der Gurt hält ihn zurück.
- Tischtuch-Trick: Zieht man das Tuch schnell weg, bleiben die Gläser wegen ihrer Trägheit stehen.
- Voller vs. leerer Einkaufswagen: Der volle Wagen ist schwerer in Bewegung zu setzen und schwerer zu stoppen – größere Masse, größere Trägheit.
Zeichnung: Trägheit beim Bremsen
Experiment: Station 2: Der Klotz, der weiter will Klasse: 7–8 | Dauer: 25 min | Schwierigkeit: einfach | Newton 1
Material
- Fahrbahn (Schiene) mit Maßskala
- Experimentierwagen
- mehrere Klötze / Aufsatzstücke zum Aufstecken
- Endstück als Hindernis
Aufgabe
Baue den Aufbau wie auf dem Bild auf. Lasse den Wagen mit verschiedenen Geschwindigkeiten gegen das Hindernis fahren und beobachte, was mit dem locker aufgesteckten Klotz passiert.
Durchführung
1. Setze das Endstück als Hindernis auf die Schiene und fixiere es.
2. Stecke einen Klotz locker auf den Wagen – er darf nicht festgeschraubt sein.
3. Lasse den Wagen langsam gegen das Hindernis fahren. Beobachte den Klotz.
4. Wiederhole den Versuch mit größerer Geschwindigkeit.
5. Wichtig: Der Klotz darf nicht auf den Boden fallen – halte eine Hand bereit oder polstere die Auftreffstelle.
Auswertung
- Protokolliere den Versuch. Gehe dabei auf die vier Aspekte Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung ein.
- Was passiert mit dem Klotz, wenn der Wagen abrupt stoppt?
- Welchen Unterschied macht die Geschwindigkeit des Wagens?
- Fasse die Erkenntnis in einem Satz mit den Wörtern „keine Kraft", „gleichmäßig fortgesetzt" und „Bewegung" zusammen.
Erwartetes Ergebnis
Der Wagen wird vom Hindernis abrupt gestoppt – der Klotz aber bewegt sich weiter und rutscht nach vorn oder fällt herunter. Je größer die Geschwindigkeit, desto weiter fliegt der Klotz.
Deutung: Auf den Klotz wirkt in Fahrtrichtung keine Kraft, die ihn bremst. Seine Bewegung wird deshalb gleichmäßig fortgesetzt – genau das ist das Trägheitsprinzip. Es ist dasselbe Prinzip, das den Sicherheitsgurt im Auto nötig macht.
Experiment: Station 3: Hatte Aristoteles recht? Klasse: 7–8 | Dauer: 25 min | Schwierigkeit: mittel | Newton 1
Material
- Fahrbahn (Schiene)
- Experimentierwagen
- Endstück
- Bleistift zum gleichmäßigen Schieben
Aufgabe
Aristoteles behauptete, dass eine Bewegung eine ständig wirkende Kraft benötigt – andernfalls komme sie zum Stillstand. Überprüfe diese Behauptung experimentell.
Durchführung
1. Lege das Endstück nur lose auf die Schiene – nicht festschrauben.
2. Schiebe das Endstück ohne Wagen mit einem Bleistift gleichmäßig über die Schiene. Beschreibe deine Beobachtung und nimm dabei Bezug auf Aristoteles.
3. Schiebe nun das Endstück wie in Schritt 2, aber mit dem Wagen davor. Stoppe abrupt.
4. Beschreibe deine Beobachtung und nimm dabei erneut Bezug auf Aristoteles.
Auswertung
- Was passiert mit dem Endstück, sobald du aufhörst zu schieben?
- Was passiert mit dem Wagen, wenn du abrupt stoppst?
- Wo scheint Aristoteles recht zu behalten – und wo widerspricht der Versuch ihm?
- Welche Rolle spielt die Reibung bei der Beurteilung seiner Behauptung?
- Formuliert eine eigene Aussage zur Bewegung von Körpern, auf die keine Kraft wirkt.
Erwartetes Ergebnis
Das lose Endstück bleibt sofort stehen, sobald man aufhört zu schieben – hier scheint Aristoteles recht zu haben. Der Wagen dagegen rollt beim abrupten Stopp weiter, obwohl keine Kraft mehr in Fahrtrichtung wirkt.
Der Unterschied ist die Reibung: Beim Endstück ist sie groß und bremst die Bewegung schnell ab, beim gut gelagerten Wagen ist sie klein. Aristoteles hat also nur deshalb plausibel gewirkt, weil im Alltag fast immer Reibung im Spiel ist.
Eigene Aussage: Wirkt auf einen Körper keine resultierende Kraft, so bewegt er sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit geradlinig weiter – oder er bleibt in Ruhe.
Aufgabenpool 1.6.1: Trägheit und Masse – Lückentexte [0/2]
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Aufgabenpool 1.6.2: Trägheit und Masse – Selbsttest [0/4]
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1.7 Masse und Gewichtskraft unterscheiden
Erklärung: Zwei Größen, die oft verwechselt werden
- gibt an, wie viel Materie ein Körper enthält
- ist das Maß für Trägheit und Schwere
- ist ortsunabhängig – auf der Erde, dem Mond und im Weltall gleich
Gewichtskraft FG (Einheit: Newton, N)
- ist die Kraft, mit der ein Himmelskörper einen Körper anzieht
- ist ortsabhängig
FG = m · g
- m = Masse in kg
- g = Ortsfaktor in N/kg
| Ort | Ortsfaktor g |
|---|---|
| Erde | 9,81 N/kg ≈ 10 N/kg |
| Mond | 1,62 N/kg |
| Mars | 3,7 N/kg |
| Jupiter | 24,8 N/kg |
Messen:
- Masse → Balkenwaage (vergleicht Massen, funktioniert überall gleich)
- Gewichtskraft → Federkraftmesser (misst eine Kraft, zeigt am selben Körper auf dem Mond weniger an)
Umgangssprachlich sagt man „ich wiege 50 Kilo" – physikalisch korrekt ist das die Masse. Die Gewichtskraft beträgt dann etwa 500 N.
Beispiel: Astronaut auf dem Mond
Ein Astronaut hat eine Masse von 80 kg.
Auf der Erde: FG = 80 kg · 9,81 N/kg ≈ 785 N
Auf dem Mond: FG = 80 kg · 1,62 N/kg ≈ 130 N
Die Masse bleibt in beiden Fällen 80 kg – der Astronaut ist auf dem Mond genauso träge wie auf der Erde. Nur die Gewichtskraft ist auf etwa ein Sechstel gesunken. Deshalb kann er dort weit springen, muss beim Abbremsen aber genauso viel Kraft aufwenden wie auf der Erde.
Zeichnung: Gewichtskraft auf Erde und Mond
Aufgabenpool 1.7.1: Masse und Gewichtskraft – Lückentexte [0/2]
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Aufgabenpool 1.7.2: Masse und Gewichtskraft – Selbsttest [0/4]
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1.8 Wechselwirkung – actio und reactio
Erklärung: Kräfte treten immer paarweise auf
Das 3. newtonsche Gesetz (Wechselwirkungsgesetz):
> Übt Körper A eine Kraft auf Körper B aus (actio), so übt Körper B eine gleich große, entgegengerichtete Kraft auf Körper A aus (reactio).
Merkmale des Wechselwirkungspaares:
- gleich groß und entgegengesetzt gerichtet
- greifen an zwei verschiedenen Körpern an
- treten immer gleichzeitig auf – es gibt keine Kraft ohne Gegenkraft
Der wichtigste Unterschied zum Kräftegleichgewicht:
| Wechselwirkungspaar | Kräftegleichgewicht | |
|---|---|---|
| Angriffspunkt | zwei verschiedene Körper | derselbe Körper |
| Wirkung | heben sich nicht auf | heben sich auf |
| Beispiel | Rakete und Abgas | Buch auf dem Tisch |
Genau deshalb kann sich eine Rakete überhaupt bewegen: Actio und reactio greifen an verschiedenen Körpern an – am Abgas und an der Rakete.
Beispiel: Raketenantrieb und Schwimmen
Schwimmen: Der Schwimmer drückt Wasser nach hinten (actio), das Wasser drückt ihn nach vorn (reactio).
Gehen: Der Fuß drückt den Boden nach hinten, der Boden drückt den Menschen nach vorn. Auf Glatteis fehlt die Reibung – die Kraft auf den Boden lässt sich nicht aufbauen, man kommt nicht vom Fleck.
Skateboard: Man stößt sich von einer Wand ab – die Wand drückt zurück, das Skateboard rollt rückwärts.
Zeichnung: Actio und Reactio
Experiment: Station 4: Zwei Wagen Klasse: 7–8 | Dauer: 30 min | Schwierigkeit: mittel | Newton 3
Material
- Fahrbahn (Schiene) mit Maßskala
- 2 Experimentierwagen
- gespannte Feder oder 2 Magnete zwischen den Wagen
- Massestücke zum Beladen
- Metallringe / Klötze als Zusatzmasse
Aufgabe
Halte zwei Wagen auf der Schiene fest, zwischen denen eine Feder gespannt ist. Lasse beide gleichzeitig los und untersuche, wie sie auseinanderfahren. Variiere anschließend das Gewicht auf den Wagen.
Durchführung
1. Setze beide Wagen so auf die Schiene, dass die gespannte Feder (oder die sich abstoßenden Magnete) zwischen ihnen liegt.
2. Halte beide Wagen mit den Fingern fest und notiere ihre Startpositionen auf der Skala.
3. Lasse beide gleichzeitig los. Beobachte, wie weit und wie schnell jeder Wagen fährt.
4. Wiederhole den Versuch, nachdem du einen Wagen mit Massestücken beladen hast.
5. Wichtig: Beide Wagen müssen exakt gleichzeitig losgelassen werden, sonst ist das Ergebnis verfälscht.
Auswertung
- Protokolliere den Versuch. Gehe dabei auf die vier Aspekte Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung ein.
- In welche Richtungen fahren die Wagen? Wie verhalten sich die Geschwindigkeiten bei gleicher Masse?
- Was ändert sich, wenn ein Wagen schwerer beladen ist?
- Auf welche Körper wirken die beiden Kräfte jeweils?
Erwartetes Ergebnis
Bei gleicher Masse fahren beide Wagen gleich schnell in entgegengesetzte Richtungen auseinander. Ist ein Wagen schwerer beladen, fährt er langsamer als der leichtere.
Deutung: Die Feder drückt beide Wagen mit gleich großen, entgegengesetzten Kräften auseinander – ein Wechselwirkungspaar. Die Kräfte greifen an zwei verschiedenen Körpern an und heben sich deshalb nicht auf. Dass der schwerere Wagen langsamer wird, liegt an seiner größeren Trägheit, nicht an einer kleineren Kraft.
Experiment: Station 5: Zwei rollende Stühle Klasse: 7–8 | Dauer: 20 min | Schwierigkeit: einfach | Newton 3
Material
- 2 Rollstühle / Bürostühle mit Rollen
- 1 stabiles Seil
- freie Fläche ohne Hindernisse
Aufgabe
Zwei Personen sitzen auf rollenden Stühlen und halten dasselbe Seil. Untersucht, was passiert, wenn nur eine Person zieht.
Durchführung
1. Nehmt euch zwei Stühle und ein Seil. Je eine Person setzt sich auf einen Stuhl. Achtet darauf, dass die Personen ähnlich schwer sind.
2. Beide halten das Seil fest. Stellt die Füße auf den Fußring der Stühle – nicht auf den Boden.
3. Versucht, die andere Person zu euch zu ziehen, ohne euch selbst zu bewegen.
4. Probiert anschließend: Was passiert, wenn beide gleichzeitig ziehen? Und wenn niemand zieht, sondern nur einer festhält?
5. Wichtig: Genug Abstand zu Tischen und Wänden halten. Die Füße bleiben auf dem Fußring, damit die Stühle frei rollen können.
Auswertung
- Protokolliert den Versuch. Geht dabei auf die drei Aspekte Aufbau, Durchführung und Beobachtung ein.
- Gelingt es einer Person, die andere zu sich zu ziehen, ohne selbst in Bewegung zu geraten?
- Macht es einen Unterschied, ob eine oder beide Personen ziehen?
- Was beobachtet ihr, wenn die beiden Personen unterschiedlich schwer sind?
- Beschreibt eure Deutung in einem Satz mit den Wörtern: „Kraft", „Gegenkraft", „gleich stark" und „paarweise".
Erwartetes Ergebnis
Egal wer zieht – beide Stühle bewegen sich aufeinander zu und treffen sich ungefähr in der Mitte. Es ist unmöglich, die andere Person zu sich zu ziehen und dabei selbst stehen zu bleiben. Ob eine oder beide Personen ziehen, ändert am Ergebnis nichts. Sind die Personen unterschiedlich schwer, bewegt sich die leichtere weiter.
Deutung: Kraft und Gegenkraft sind gleich stark und treten immer paarweise auf.
Aufgabenpool 1.8.1: Wechselwirkung – Lückentexte [0/2]
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Aufgabenpool 1.8.2: Wechselwirkung – Selbsttest [0/4]
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1.9 Kraft und Energie unterscheiden
Erklärung: Zwei völlig verschiedene Größen
Kraft und Energie werden im Alltag oft in einen Topf geworfen („der hat viel Kraft", „das kostet Energie"). In der Physik sind es zwei grundverschiedene Größen.
| Kraft F | Energie E | |
|---|---|---|
| Einheit | Newton (N) | Joule (J) |
| Was sie beschreibt | die Ursache einer Bewegungs-, Form- oder Energieänderung | eine Bilanzgröße, die gespeichert und übertragen wird |
| Richtung | hat eine Richtung (Pfeil) | hat keine Richtung |
| Erhaltung | wird nicht erhalten | wird erhalten (Energieerhaltungssatz) |
| Wo sie „sitzt" | zwischen zwei Körpern | in einem Körper oder System gespeichert |
Der entscheidende Punkt: Eine Kraft kann wirken, ohne dass Energie übertragen wird.
Ein Buch liegt auf dem Tisch. Der Tisch drückt mit einer Kraft nach oben, die Gewichtskraft zieht nach unten – beide Kräfte sind da, aber es wird keine Energie übertragen. Es passiert schlicht nichts.
Erst wenn sich der Körper in Richtung der Kraft bewegt, wird Energie übertragen. Hebt man das Buch an, überträgt man Energie auf das Buch – seine Höhenenergie nimmt zu.
Merksatz: Kraft ist der Grund für eine Änderung. Energie ist das, was bei der Änderung übertragen wird.
Beispiel: Kraft ohne und mit Energieübertragung
- Ein Buch liegt auf dem Tisch – der Tisch übt eine Kraft aus, überträgt aber keine Energie.
- Du hältst eine schwere Tasche und stehst still. Du übst eine Kraft aus, überträgst aber keine Energie auf die Tasche. (Dass dein Arm trotzdem müde wird, liegt an deinen Muskeln – dort wird sehr wohl Energie umgesetzt.)
- Ein Satellit umkreist die Erde. Die Anziehungskraft wirkt ständig, seine Energie bleibt aber konstant.
Kraft und Energieübertragung:
- Du hebst die Tasche vom Boden auf den Tisch – die Höhenenergie der Tasche nimmt zu.
- Du schiebst einen Einkaufswagen an – seine Bewegungsenergie nimmt zu.
- Du spannst eine Feder – in der Feder wird Spannenergie gespeichert.
Zeichnung: Kraft ohne und mit Energieübertragung
Aufgabe: Kraft oder Energie?
a) Entscheide jeweils, ob von einer Kraft oder von Energie die Rede ist. Begründe kurz.
1. „Die Feder ist stark gespannt und kann eine Kugel wegschleudern."
2. „Zwei Magnete ziehen sich an."
3. „Der Akku ist leer."
4. „Der Wind drückt gegen das Segel."
5. „Ein Liter Benzin reicht für 15 km."
b) Nenne die Einheit von Kraft und die Einheit von Energie.
c) Ein Kran hält eine Last 10 Minuten lang in konstanter Höhe. Wirkt eine Kraft? Wird Energie auf die Last übertragen? Begründe.
d) Derselbe Kran hebt die Last anschließend um 5 m an. Beantworte die beiden Fragen aus c) erneut.
e) Erkläre mit eigenen Worten, warum der Satz „Kräfte werden verbraucht" physikalisch falsch ist.
Erweiterte Information: Warum Energie erhalten bleibt, Kraft aber nicht
Der Energieerhaltungssatz ist einer der verlässlichsten Sätze der ganzen Physik: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant, sie kann nur umgewandelt oder übertragen werden.
Für Kräfte gibt es nichts Vergleichbares. Kräfte entstehen und verschwinden, sobald sich zwei Körper begegnen oder wieder trennen. Sie sind keine „Substanz", die man aufbrauchen könnte, sondern beschreiben die Wechselwirkung zwischen Körpern.
Wer das einmal verstanden hat, erkennt schnell, warum Aussagen wie „mir geht die Kraft aus" physikalisch danebenliegen: Was ausgeht, ist die Energie in den Muskeln – nicht die Kraft.