Physik 12. Klasse <__<

[TheBiber]

Schulphysik löst man am besten, indem man sich ein Bild von der Situation macht und nachschaut, welche Werte gegeben und gesucht sind. Anschliessend lassen sich diese eigentlich immer in eine oder mehrere Formeln packen und entsprechend auflösen.

Aufgabe 1: Hattest du zwar schon gelöst, aber hier lässt es sich am einfachsten erklären: Du hast gegeben die Gewichtskraft der Kugel und eine Kraft, die seitlich eine bestimmte Zeit lang wirkt. Die typischen Formeln, die man da so braucht, ist sicher mal das zweite newtonsche Gesetz: F=m*a, wobei die Beschleunigung in Kraftrichtung wirkt. Wenn eine konstante Kraft wirkt, entsteht automatisch eine gleichmässig beschleunigte Bewegung. Hierfür braucht man die Beschleunigung: a=v/t. Mit dem newtonschen Axiom und der Gewichtskraft lässt sich die Masse bestimmen: m=FG/g = 1.5N / 9.81 m/s² = 0.153 kg. Mit dem zweiten newtonschen Gesetz und der Formel für die Beschleunigung lässt sich nun die Geschwindigkeit berechnen: F=m*a=m*v/t => v=F*t/m = 30N*2s/0.153kg = 392 m/s.

Aufgabe 2: Die Aufgabe ist ähnlich. Die Grössen müssen allerdings erst einmal in SI-Einheiten umgerechnet werden:
FG = 20kN = 20000N
v = 140km/h = 38.9m/s
t = 5s (keine Umrechnung nötig)
Wieder lässt sich aus der Gewichtskraft die Masse bestimmen: m = FG/g = 2039kg
Anschliessend wieder das 2. Newton-Gesetz mit der Formel für die Beschleunigung kombinieren: F=m*a=m*v/t = 396500N.

Aufgabe 3: Wieder dasselbe, herausschreiben der Grössen und allfälliges Umrechnen in SI-Einheiten.
FG = 20kN = 20000N
v = 35 km/h = 9.72 m/s
F = 66kN = 66000N
Masse wieder durch die Gewichtskraft: m = FG/g = 2039kg
Und erneut obige Kombination: F=m*v/t => t = m*v/F = 0.3s.

Die ersten 3 Aufgaben behandeln im Grunde dasselbe. Wichtig zu wissen ist hierbei, dass die Beschleunigungskraft waagerecht wirkt und die Gewichtskraft senkrecht, weshalb es zwingend ist, erst die Masse zu berechnen. Das zweite Newtonsche Gesetz darf nur angewendet werden, wenn Beschleunigung und Kraft in die gleiche Richtung wirken.

Aufgabe 4: Plastilinkugeln bifilar an langen Fäden aufgehängt... what?
Auf jeden Fall geht es hier um den Impulssatz (Impuls p=m*v). Dieser besagt, dass der Gesamtimpuls aller beteiligten Massen vor und nach einem Stoss konstant ist. Deshalb lässt sich bei einem Stoss mit zwei Massen immer schreiben: m1*v1+m2*v2=m1*v'1+m2*v'2.
Ein v ohne Strich ist die Geschwindigkeit VOR dem Stoss und ein v' mit Strich ist die Geschwindigkeit NACH dem Stoss. Bei Stossaufgaben ist es unerlässlich zu wissen, ob es sich um einen elastischen oder unelastischen (oder gänzlich anderer) Stoss handelt:

- beim vollkommen elastischen Stoss werden die Impulse beider Massen vollständig ausgetauscht und es gilt:
m1*v'1=m2*v2
m2*v'2=m1*v1

- beim vollkommen unelastischen Stoss sind die Geschwindigkeiten nach dem Stoss gleich, da die beiden Massen aneinander kleben bleiben:
m1*v1+m2*v2=v'*(m1+m2)

Welch Art Stoss hier vorliegt, müsste man wohl an diesem Plastilin-bifilar-Zeugs heraslesen können, weshalb ich die Aufgabe didaktisch als äusserst schlecht einstufen würde. Ausserdem steht überhaupt nirgends, ob die zweite Kugel stillsteht oder sich ebenso bewegt. Auf jeden Fall wird sie je nach Fall mit obigen Formeln gelöst.

Aufgabe 5: Auch hier geht es wieder um den Impulssatz. Da die Kugel stecken bleibt, handelt es sich um einen vollkommen unelastischen Stoss und es gilt die Formel:
m1*v1+m2*v2=v'*(m1+m2)
Die beiden Massen und die erste Geschwindigkeit ist gegeben. Da der Wagen (und die Kugel, da gemeinsame Geschwindigkeiten) nach dem Stoss stillsteht, wird die ganze rechte Seite = 0 und die Formel kann herkömlich aufgelöst werden. Die gesuchte Geschwindigkeit wird negativ ausfallen, was aber richtig ist, da sich die Kugel in entgegengesetzter Richtung zum Wagen bewegte vor dem Stoss. Auf Zahlendetails verzichte ich jetzt auf weiteres. Selbst nachrechnen ist eine nette Übung, ausserdem ist das nur noch pure Algebra.

Aufgabe 6: Hier haben wir an sich wieder den Impulssatz, aber keinen eigentlichen Stoss mehr. Trotzdem, der Satz besagt, dass der Impuls konstant ist, solange keine Kraft wirkt. Diese Aufgabe muss daher extremst idealisiert aufgefasst werden, dann ist sie einfach: m*v=m'*v'.

Aufgabe 7: Auch hier gilt wieder der Impulssatz für unelastischen Stoss. Ich verzichte auf die Details, gehe dafür auf die Verformungsenergie ein: Wann immer ein unelastischer Stoss stattfindet, wird ein Teil der kinetischen Energie in Verformungsenergie umgewandelt. Ich weiss nicht, ob dir folgende Formel bekannt ist:
U = 1/2 * (m1*m2)/(m1+m2)*(v2-v1)²
Jedenfalls berechnet man damit die Verformungsenergie beim unelastischen Stoss.

Aufgabe 8: Auch hier gilt wieder Impulssatz. Bei Stahlkugeln kannst du auf vollkommen elastische Stösse tippen. Du musst dir immer vor Augen halten, dass die Physik ein idealisiertes Modell der Realität aufbaut. Leider sind die Aufgaben für die Schule meistens zu idealisiert, und solche Realitätsaufgaben sorgen deshalb schnell mal für Verwirrung. Sobald dieses Hindernis überwunden ist, brauchst du nur noch die Formeln anzuwenden, die du kennst, es wird jedenfalls immer darauf hinauslaufen bei Schulphysik.

Aufgabe 9: Auch hier: Impulssatz, elastischer Stoss. Am besten wiederum zuerst die Werte herausschreiben und kurz überlegen, was in den Formeln wo hin kommt. Falls du wirklich Schwierigkeiten hast mit den Impulsformeln, kann ich sie dir gerne anhand einiger Beispiele näher erläutern.

Aufgabe 10: Wieder Impulssatz. Die Fragen sind allerdings eher phänomenologischer Natur. Aus der zweiten Frage kannst du aus dem Wort "einkuppeln" entnehmen, dass es sich um einen unelastischen Stoss handeln wird. Aus diesem Grund wird bei der ersten Frage offensichtlich der elastische Stoss gemeint sein.


Am besten wäre es, du stellst dir eine Formelsammlung zusammen mit kurzen Erklärungen. Ich fasse kurz zusammen, was man für diese Aufgaben konkret wissen muss:

Definition der Beschleunigung: a=v/t, Geschwindigkeitsänderung geteilt durch Zeitabschnitt, genauer a=Δv/Δt
2. Newtonsches Gesetz: Eine Kraft erzeugt eine Beschleunigung in Wegrichtung F = m*a.
Für den freien Fall gilt: a=g=9.81m/s², genannt Fallbeschleunigung.
Entsprechend für die Gewichtskraft: FG=m*g
Impulssatz: Wenn keine Kraft wirkt, bleibt der Impuls konstant: p=m*v=konst.
Insbesondere gilt, dass bei einem Stoss zweier Massen der Impuls vor und nach dem Stoss deshalb gleich ist: m1*v1+m2*v2=m1*v'1+m2*v'2
1. Spezialfall vollkommen elastischer Stoss: Die Impulse beider Massen tauschen sich vollständig aus:
m1*v'1=m2*v2
m2*v'2=m1*v1
2. Spezialfall vollkommen unelastischer Stoss: Die Massen bleiben nach dem Stoss aneinander haften:
m1*v1+m2*v2=v'*(m1+m2)
Hierbei wird ein Teil der kinetischen Energie in innere Energie oder Deformationsenergie umgewandelt vom Betrag:
U = 1/2 * (m1*m2)/(m1+m2)*(v2-v1)²

Das sollte reichen.