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1.Einführung "Der Apfel fällt nicht weit vom Stamm". Dieser Spruch lässt sich nicht nur im Alltag anwenden, sondern man kann ihn auch physikalisch betrachten. Im Herbst fallen Äpfel und Blätter vom Baum, jedoch auf ganz unterschiedliche Art und Weiße, der Apfel fällt schnell und gradlinig senkrecht nach unten, das Blatt hingegen taumelt langsam zu Boden. Eigentlich ganz natürlich, immerhin ist das Blatt viel leichter als der Apfel, oder? Dies lässt sch mit einem simplen Experiment leicht widerlegen. Apfel und Blatt können durch eine Metallkugel und ein Blatt Papier ersetzt werden.
Lässt man die beiden Ersatzobjekte gleichzeitig fallen verhalten sie sich wie man es aus der Natur kennt. Nimmt man nun aber das Blatt, knüllt es zusammen und führt den Versuch noch einmal durch fallen beide Objekte auf den ersten Meter mit der selben Geschwindigkeit. Aber das Papier hat noch immer das selbe Gewicht, nur die Form wurde geändert. 2.Ohne Luftwiderstand fallen alle Körper gleich schnell Man sollte beide Körper in einem Luftleerenraum fallen lassen, dafür gibt es eine so genannte Fallröhre ("In einer Fallröhre mit und ohne Luft kann man Fallbewegungen unter vereinfachten Bedingungen beobachten. NEWTONs Physik liefert die dazu passende Theorie.
" Dorn-Bader, Physik 11, Ausgabe A, Gymnasium SEK ll, S.45) Die Fallröhre enthält eine Bleikugel und ein Feder, die Röhre wird leer gepumpt und dann umgedreht. Beide Körper fallen gleichzeitig. Führt man den Versuch jedoch noch mal durch, wenn die Fallröhre mit Luft gefüllt ist, verhalten sich die beiden wie wir es gewohnt sind, die Kugel fällt schnell die Feder taumelt langsam zu Boden. Zeichnung einer Fallröhre: Also ist es die umgebene Luft, die leichte Körper langsamer fällt als schwere Ein weiteres Beispiel, wenn man die Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos hebt spürt man großen Luftwiderstand, ballt man die Hand zu einer Faust, wird des Widerstand geringer, zunächst betrachten wir nu Fallbewegungen bei denen Luftwiderstand keine Rolle spielt, bei denen also die Gewichtskraft des fallenden Körpers Einfluss auf den Bewegungszustand hat, der freie Fall. Merksatz Die Fallbewegung eines Körpers, auf den allein seine Gewichtskraft wirkt, wird freier Fall genannt.
3.Ortsfaktor gleich Fallbeschleunigung Wenn man einen Körper fallen lässt, ändert sich nicht die Gewichtskraft die ein Körper erfährt. Im freien Fall (ohne Luftwiderstand) beschleunigt die konstante Gewichtskraft G=m*g einen Körper. G ist der Ortsfaktor. Bei uns beträgt dieser 9,81 N/kg. Ersetzt man in NEWTONS Grundgesetz F durch G erhält man für die Beschleunigung: a = G/m = m*g = g m →Alle Körper fallen am selben Ort mit der selben Beschleunigung, vorausgesetzt sie erfahren keinen Luftwiderstand, dann gilt a=g.
Auch die Einheiten stimmen Überein 1N/kg = 1kg*m/s² = 1m/s² kg "Das Bleikügelchen in der Fallröhre habe die 1000faxhe Masse der Feder. Dann erfährt es auch eine 1000-mal so große Gewichtskraft. Es müsste also 1000-mal so stark beschleunigt werden. 1000fache Masse bedeutet auch 1000fache Trägheit. Schwere und Trägheit wirken also gegeneinander," (heben sich auf) "Bleikügelchen und Feder fallen mit der gleichen Beschleunigung" (Dorn-Bader, Physik 11, Ausgabe A, Gymnasium SEK ll, S.47) Merksatz Beim freien Fall ist die Beschleunigung aller Körper am selben Ort gleich groß und gleich dem Ortsfaktor g.
4.Die Fallgesetzte für den freien Fall Beim freien Fall handelt es sich um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung, daher lassen sich die Bewegungsgesetzte aufstellen. Merksatz Fallgesetzte für den freien Fall aus der Ruhe Zeit-Weg-Gesetz: s=1/2*g*t² (1) Zeit-Geschwindigkeits-Gesetz: v=g*t (2) 5. Fallversuch zur Bestimmung des Ortsfaktors In Versuch eins wird bei einer frei fallenden Kugel gleichzeitig der Fallweg und die Fallzeit gemessen. Mit dem t-s-Gesetz (2) wird die Fallbeschleunigung g und somit der Ortsfaktor berechnet. Bei der Auswertung der Tabelle 1 erhält man für den Mittelwert der drei Werte für die Fallbeschleunigung g=9,83 m/s².
Mit dem exakten Wert g=9,81 m/s² berechnen wir nun mit Hilfe des Zeit-Geschwindigkeits-Gesetztes v, welche die Kugel nach t=0,404s erreicht hat. Man erhält: v=g*t=9,81m/s²*0,404s=3,96m/s. Diese Geschwindigkeit lässt sich auch auf eine andere Art und Weise berechnen, und zwar mit der Verdunklungszeit einer Lichtschranke, die dort angebracht ist, wo die Kugel nach 0,404s ist. Überschlagsrechnungen werden gerne mit dem Nährungswert g=10m/s ( Tabelle 2). Versuch 1 Die Stahlkugel wird mit Hilfe eines Magneten bei der Höhe x gehalten und schließt einen elektrischen Kontakt. Beim Freigeben der Kugel wird der Kontakt unterbrochen und damit die elektrische Uhr gestartet.
Beim Aufprall auf dem Boden erfasst das am Boden liegende Mikrofon das Geräusch der auf dem Boden fallenden Kugel und stoppt dadurch die Uhr. Die Null des nach unten gerichteten Maßstabs befindet sich in Höhe der Unterkante der Startbereiten Kugel. Tabelle 1 Fallweg s in m Fallzeit t in s Fallbeschleunigung G in m/s² Tabelle 2 Zeitt in s Wegs in m Geschwindigkeit v in m/s 7.Andere Ortsfaktoren Europa: g=9,81m/s^2 Am Nordpol: der Wert ist größer als g=9,81m/s^2 Am Äquator: der Wert ist kleiner als g=9,81m/s^2 Auf dem Mond: g=1,62m/s^2
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