Bezugssysteme - Ein Arbeitsplan

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Aufgaben

des Arbeitsplanes sind:

  1. Die Beispiele durchzuarbeiten und schriftlich im Übungsheft zu beantworten
  2. Einen Heftaufschrieb für das Regelheft zu erarbeiten.

Beispiele

Verschiedene Bezugspunkte

1) Elisabeth steht auf einer Wiese.

Auf welche Art und Weise kann man die Frage „Wo steht Elisabeth?“ beantworten?


Verschiedene Geschwindigkeiten

2) Elisabeth läuft in einem fahrenden Zug zunächst in, danach gegen die Fahrtrichtung, beidesmal mit 5 km/h, während der Zug mit 200 km/h schnell fährt.

Wie schnell ist Elisabeth in den beiden Fällen von Außen betrachtet?

Zur Vertiefung:


Beschleunigtes System (linear)

3) Elisabeth sitzt in einem Zug, der zunächst am Bahnhof steht, dann losfährt bis er schließlich eine konstante Geschwindigkeit erreicht hat. Vor dem nächsten Bahnhof bremst der Zug wieder ab.

  • Sichtweise von Außen:

a) Wie verändert sich Elisabeths Impuls während des Zugfahrens?

b) Welche Kräfte bewirken ihre Impulsveränderung?

  • Sichtweise von Innen:
Relativ zum Zug befindet sich Elisabeth immer in Ruhe, also hat sie keinen Impuls!

a) Was spürt sie während der Zugfahrt beim Beschleunigen, Fahren und Bremsen?

b) Welche Kräfte wirken während der Zugfahrt beim Beschleunigen, Fahren und Bremsen?

Mache dazu Zeichnungen, an denen auch ersichtlich ist, wo die Kräfte Ziehen oder Drücken.

Zur Vertiefung:


Drehendes System (Gegenstand "ruht")

4) Elisabeth fährt Karussell und hält einen Ball in der Hand.

  • Sichtweise von Außen:

a) Wie verändert sich während des Drehens der Impuls des Balles?

b) Wie wird diese Veränderung bewirkt? Zeichne eine Skizze mit Kraftpfeil dazu.

  • Sichtweise von Innen:
Relativ zum Karussell ist Elisabeth in Ruhe, dass heißt, sie hat keinen Impuls!

a) Was spürt Elisabeth während ihrer Karussellfahrt?

b) Welche Kräfte wirken währen des Fahrens? Mache dazu eine Zeichnung, an der auch ersichtlich ist, wo die Kräfte Ziehen oder Drücken.

Zur Vertiefung:


Drehendes System (Gegenstand bewegt sich)

Dieser Abschnitt ist nur für solche Leute gedacht, welche die anderen Abschnitte schnell und gut bearbeitet haben und daher noch Zeit haben. Oder für Solche, die neugierig sind.

5) Elisabeth läßt beim Karussellfahren den Ball über das Karussell rollen. Dazu gibt sie dem Ball einen „Schubs“, das heißt durch eine Wurfkraft gibt sie ihm Impuls mit.

  • Sichtweise von Außen:
Nachdem der Ball die Hand verlassen hat rollt er ohne weitere Krafteinwirkung. Welche Bahnkurve beschreibt der Ball daher?
  • Sichtweise von Innen
Die Person auf dem Karussell kann seltsame Sachen beobachten. Nichts, was man so erwarten würde. Eine Untersuchung erlaubt diese Animation. (Runterladen, Entpacken und die *.html-Datei starten.)
Die Animation kann man mit dem Knopf links unten (>) starten oder die Zeit t am Schieberegler einstellen.
Versuche mit einer geeigneten Wurfkraft folgendes zu erreichen:
-Die gegenübersitzende Person fängt den Ball eine Umdrehung nach dem Abwurf.
-Die werfende Person fängt den Ball eine Umdrehung nach dem Abwurf.
-Die werfende Person fängt den Ball eine 3/4 oder 1/4 Umdrehung nach dem Abwurf.


Heftaufschrieb

Der Heftaufschrieb soll die folgende Frage für vier verschiedenen Fälle beantworten:

Welche der physikalischen Größen Ort, Geschwindigkeit, Impuls und Kraft wird von zwei BetrachterInnen in verschiedenen Bezugssystemen genauso oder verändert wahrgenommen, bzw. gemessen?

1) Zwei BetrachterInnen in Ruhe an verschiedenen Orten.

2) Eine BetrachterIn ruht, die andere bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.

3) Eine BetrachterIn ruht, die andere beschleunigt gerade.

4) Eine BetrachterIn ruht, die andere dreht sich.

Problemstellung

Bezugssysteme mit konstanter Geschwindigkeit

Beschleunigte Bezugssysteme

Drehende Bezugssysteme

Inertialsysteme

 In zwei Bezugssystemen, die sich zueinander mit einer konstanten Geschwindigkeit (in Größe und Richtung) bewegen,
treten die gleichen Kräfte auf. Je nach Bezugssystem unterscheiden sich nur die Beschreibung der Orte und Geschwindigkeiten.

Als Beispiel kann man sich einen durch einen Bahnhof rollenden Zug vorstellen oder einen Aufzug, der mit gleichbleibender Geschwindigkeit fährt.

Beschleunigte Bezugssysteme

Beschreibt man einen Vorgang in zwei zueinander beschleunigten Systemen, so unterscheidet sich
die Beschreibung der wirkenden Kräfte!

Im beschleunigten System, bei dem die Geschwindigkeit sich in Größe oder Richtung verändern kann, wirkt eine "Trägheitskraft" entgegen der Beschleunigungsrichtung. Im anderen Bezugssystem gibt es diese Trägheitskraft nicht, hier kann man eine beschleunigende Kraft feststellen.

Beispiele sind ein anfahrender oder bremsender Zug oder Aufzug. Oder ein Auto (Zug, Fahrrad, Raumstation, Erde, Karussell, Waschtrommel), welches eine Kurve fährt.

Drehende Bezugssysteme

Geogebra-Simulation

Aus Sicht des beschleunigten Systems werden wir beim anfahrenden Auto von der Trägheitskraft in den Sitz gedrückt, beim bremsenden Fahrrad drückt uns die Trägheitskraft auf den Lenker. In der Kurve werden wir von der Zentrifugalkraft nach Außen gedrückt. Aus Sicht des nichtbeschleunigten Systems wirken Kräfte, welche die Beschleunigung verursachen: Das Auto schiebt uns nach vorne, der Gurt bremst uns und die Zentripetalkraft hält uns auf der Kreisbahn.

Wird von einem Körper auf einen anderen eine Kraft ausgeübt, so kann man die Kraftwirkung an Verformungen erkennen oder Messen. Trägheitskräfte sind dagegen von gleicher Art wie die Gewichtskraft: Die Übertragung der Kraft geschieht nicht durch einen verformten Gegenstand. Interpretiert man die Gewichtskraft deshalb als Trägheitskraft, so kann man mit der allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitation als Krümmung der Raumzeit erklären.

Durch die Unterscheidungsmöglichkeit der Trägheitskräfte von anderen Kräften, kann man Bezugssysteme finden, in denen keine Trägheitskräfte wirken. Solche Systeme heißen Intertialsysteme.

Links

Der Coriolis-Effekt

Aufzug fahren

Kunstflug

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