Freier Fall und Fall mit Luftwiderstand
PhysikKinematikAlter 15–16Virtuelles Labor
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Als Nächstes in Kinematik
Zwei Körper mit unterschiedlicher Masse und Querschnittsfläche werden gleichzeitig aus derselben Höhe fallen gelassen. Ohne Luftwiderstand kommen beide gleichzeitig am Boden an, v = gt. Mit Luftwiderstand erreicht der leichtere Körper mit größerem Widerstand seine Endgeschwindigkeit und fällt langsamer. Das v(t)-Diagramm und die Fallstrecke werden in Echtzeit aktualisiert. Ein Laborbildschirm misst g mit Elektromagnet und Lichtschranken (die Steigung von 2h gegen t² ist g) und passt v(t)-Messwerte von Kaffeefiltern an lineare (bv) und quadratische (cv²) Reibungsmodelle an.
Lektion: Freier Fall
Was sie zeigt
Ohne Luft fallen alle Körper unabhängig von ihrer Masse mit derselben Beschleunigung g; es gilt v = gt, und die Fallzeit t = √(2h/g) ist für einen schweren und einen leichten Körper gleich. In Luft wirkt der Luftwiderstand der Bewegung entgegen; die leichtere Kugel hat ein größeres Verhältnis von Fläche zu Masse, erreicht eine kleinere Endgeschwindigkeit und landet später. Der Laborbildschirm macht daraus Praktika: Die Fallzeit einer Stahlkugel vom Elektromagneten bis zur Lichtschranke bei mehreren Höhen liefert g als Steigung von 2h gegen t², und gestapelte Kaffeefilter zeigen, ob die Messwerte F = bv oder F = cv² folgen.
So funktioniert es
Schalten Sie Luftwiderstand aktivieren aus, klicken Sie auf Neu fallen lassen und vergleichen Sie die Landezeiten und v(t)-Geraden von Körper 1 und Körper 2; schalten Sie ihn dann ein und wiederholen Sie. Wählen Sie im Labor g mit Lichtschranken, stellen Sie Fallhöhe h ein, klicken Sie pro Höhe dreimal auf Magnet ausschalten und lesen Sie g im Diagramm ab. Oder wählen Sie Reibung an Kaffeefiltern, lassen Sie mit Filter loslassen 1 bis 8 Filter fallen, klicken Sie jeweils auf Eintragen und vergleichen Sie die Diagramme gegen m.
Einstellbare Parameter
- Fallhöhe 5–120 m
- Fallbeschleunigung 1,6–11 m/s²
- Masse von Körper 1 0,05–10 kg
- Masse von Körper 2 0,05–10 kg
- Luftwiderstand aktivieren
- Bildschirm Zwei Körper fallen lassen, Labor
- Versuch (Laborbildschirm) g mit Lichtschranken messen, Reibung an Kaffeefiltern
- Fallhöhe bis zur Lichtschranke h (Labor) 0,1–1,5 m
- Anzahl gestapelter Kaffeefilter n (Labor) 1–8
Fragen zum Erkunden
- Warum fallen eine Feder und eine Stahlkugel im Vakuum gleich schnell?
- Wie verhält sich die Luftwiderstandskraft zur Gewichtskraft, wenn ein Körper seine Endgeschwindigkeit erreicht hat?
- Wie viel länger dauert der freie Fall, wenn die Fallhöhe vervierfacht wird?
Ideen für den Unterricht
Alle Leitfäden- Vorhersagen, beobachten, erklären mit SimulationenVorhersagen, beobachten, erklären mit Simulationen: Vorhersagen festlegen, Versuch ausführen, die Lücke besprechen. Mit ausgearbeitetem Beispiel und Gesprächszügen.
- Simulation remixen: Bibliothekssimulation mit KI anpassenSimulation remixen mit KI für 20 Credits: Kontext, Einheiten oder Graphen ändern, das funktionierende Modell behalten, prüfen und mit der Klasse teilen.
- Hausaufgaben mit Simulationen: Aufgaben, die gelingenHausaufgaben mit Simulationen: Aufgaben fürs Smartphone gestalten, Antworten automatisch prüfen, Fristen setzen und 3 fertige Aufgaben mit Lösungen nutzen.
- Reaktionszeit im virtuellen Labor: der LinealfalltestReaktionszeit im virtuellen Labor: eigene Linealfänge messen, Fallstrecke in Zeit umrechnen, mit einer simulierten Klasse Ablenkung, Ton und Koffein testen.
