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Ballistisches Pendel – Geschossgeschwindigkeit messen

PhysikEnergie und ImpulsAlter 15–16

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Ein Geschoss der Masse m mit der Geschwindigkeit v bleibt in einem Holzklotz der Masse M stecken, der an einer leichten Stange der Länge L hängt. Der vollständig unelastische Stoß erhält den Impuls, aber fast die gesamte kinetische Energie geht verloren; danach schwingt der Klotz bis zur Höhe h, weil die mechanische Energie erhalten bleibt. Balkendiagramme vergleichen Impuls und Energie vor und nach dem Stoß, und ein Messmodus verbirgt v, damit die Lernenden es aus h berechnen.

Lektion: Vollständig unelastischer Stoß, Impulserhaltung und Energieerhaltung – das ballistische Pendel

Was sie zeigt

Mit dem ballistischen Pendel misst man die Geschwindigkeit eines Geschosses. Das Geschoss bleibt in einem hängenden Klotz stecken, ein vollständig unelastischer Stoß: Der Impuls bleibt erhalten, m·v = (m + M)·V, die kinetische Energie jedoch nicht, denn der Anteil M/(m + M) wird zu Wärme, Schall und Verformung. Beim Ausschwingen bleibt die mechanische Energie erhalten, also ½V² = gh. Beide Schritte zusammen ergeben v = (m + M)/m · √(2gh). Das Modell vernachlässigt Luftwiderstand und Reibung im Lager, betrachtet die Stange als masselos und nimmt an, dass der Stoß endet, bevor sich der Klotz bewegt.

So funktioniert es

Stellen Sie Geschoss m, Geschw. v, Klotz M und Stange L ein, klicken Sie auf Schießen und beobachten Sie das Höhenlineal, während der Klotz ausschwingt. Vergleichen Sie die Impulsbalken vor und nach dem Stoß, dann die Energiebalken. Aktivieren Sie danach Messmodus (v verbergen): Klicken Sie auf Schießen, lesen Sie h ab, berechnen Sie die Geschossgeschwindigkeit, tragen Sie sie bei Ihre berechnete Geschwindigkeit ein und klicken Sie auf Prüfen. Neues Geschoss liefert eine andere verborgene Geschwindigkeit.

Einstellbare Parameter

  • Masse des Geschosses 2–50 g
  • Geschwindigkeit des Geschosses 100–900 m/s
  • Masse des Klotzes 0,5–10 kg
  • Länge der Stange 0,5–3 m
  • Messmodus (Geschossgeschwindigkeit verbergen)

Fragen zum Erkunden

  1. Warum darf man die Energieerhaltung nicht vom Flug des Geschosses bis zum höchsten Punkt des Klotzes anwenden?
  2. Wie ändern sich die Steighöhe h und der Anteil der verlorenen Energie, wenn Sie die Klotzmasse M verdoppeln?
  3. In welche Energieformen wird die beim Stoß verlorene kinetische Energie umgewandelt?

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