Ph10 Impuls und Impulserhaltung: Unterschied zwischen den Versionen

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Die Geschwindigkeiten <math>v'</math> der beiden Körper nach dem Stoß erhält man aus dem IES <br>
 
Die Geschwindigkeiten <math>v'</math> der beiden Körper nach dem Stoß erhält man aus dem IES <br>
 
<math>v'=\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1+m_2}</math> }}
 
<math>v'=\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1+m_2}</math> }}
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Der Impuls ist eine gerichtete Größe. In der Physik wird er als Vektor mit Betrag und Richtung behandelt.
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{{Merksatz|MERK=In jedem abgeschlossenen System ist die vektorielle Summe der Impulsvektoren vor der Wechselwirkung gleich der vektoriellen Summe der Impulsvektoren nach der Wechselwirkung.}}
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{{Aufgaben-blau|5|1. Schaue dir am Ende der [https://www.leifiphysik.de/mechanik/impulserhaltung-und-stoesse/grundwissen/impuls-und-impulserhaltungssatz Seite] die Ausführungen zum Newton-Pendel an und erkläre wieso durch den IES <br>
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a) Variante 1 möglich ist,<br>
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b) Variante 2 nicht möglich ist.
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2. Bearbeite das [https://www.leifiphysik.de/mechanik/impulserhaltung-und-stoesse/aufgabe/quiz-zu-stoessen Quiz]. }}

Version vom 22. November 2020, 11:24 Uhr

Nuvola apps edu science.png   Versuch

Was passiert mit dem Impuls bei einem Kraftstoß? Dies soll mit dem folgenden Applet untersucht werden.
Öffne das Applet auf der Seite von Walter Fendet.

a) Schaue dir zuerst die Seite an, was kannst du einstellen?
b) Was ist der Unterschied zwischen elastischen und unelastischen Stoß?

a) Man kann einstellen:
elastischer oder unelastischer Stoß
Für Wagen 1 und Wagen 2 jeweils Masse und Geschwindigkeit
Für die Ausgabe: Geschwindigkeit, Impuls, Energie

b) Bei einem elastischen Stoß stoßen zwei Körper aufeinander, dabei wird keine Energie in innere Energie umgewandelt. Die Summe der kinetischen Energien (Bewegungsenergien) der beteiligten Körper konstant ist. Es gilt der Energieerhaltungssatz (EES)
Bei einem unelastischen Stoß geht beim Stoßen Energie verloren, sie wird in innere Energie (Wärme, Verformung) umgewandelt. Nach dem Stoß sind die beiden Körper zusammen, sie haben die gleiche Geschwindigkeit. Die Summe ihrer Bewegungsenergien ist gegenüber vor dem Stoß rduziert, da sich ein Teil in Wärme und Verformungsenergie umgewandelt hat.
Schaue dir dazu im Applet an wie die zwei Stöße realisiert werden.
Beim elastischen Stoß trifft ein Wagen auf einen anderen Wagen, zwischen den Wägen ist eine Feder, die sich verformen kann. Beim Stoß verformt sich die Feder, geht aber wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück, nach dem Stoß sind die zwei Wägen wieder auseinander.

Beim unelastischen Stoß haben die Wägen eine Kupplung, die beim Stoß einrastet und die zwei Wägen bleiben nach dem Stoß zusammen.


Wir wollen zuerst den elastischen Stoß untersuchen. Stelle dazu elastischer Stoß ein.
Für die zwei Wägen kannst du deren Masse und Anfangsgeschwindigkeit (m1 und v1 für Wagen 1 und m2 und v2 für Wagen2) einstellen.
Stelle als Ausgabe Geschwindigkeit ein.
Den Versuch startest du durch Betätigen des Start-Buttons.
Mache die Einstellungen, notiere was die Einstellungen bedeuten und führe den Versuch aus. Notiere jeweils deine Beobachtungen.
Notiere auch die angezeigten Geschwindigkeiten vor und nach dem Stoß. Die Geschwindigkeiten nach dem Stoß sind für Wagen 1 v1' und für Wagen 2 v2'.

1. m1 = m2 = 0,5 kg und v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s.

Die Einstellungen bedeuten, dass ein Wagen 1 mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, gleich schweren Wagen 2 trifft.
Der Wagen 1 trifft auf Wagen 2. Beim Stoß bleibt Wagen 1 stehen und Wagen 2 bewegt sich mit der Geschwindigkeit von Wagen 1 weiter.

v1'=0m/s, v2'=0,2m/s

2. m1 = 1kg, m2 = 0,5kg, v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s

Der Wagen 1 trifft mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, halb so schweren Wagen 2.
Der Wagen 1 trifft auf Wagen 2 und stößt diesem an. Wagen 2 bewegt sich mit schnellerer Geschwindigkeit als 0,2m/s nach rechts, Wagen 1 rollt mit langsamerer Geschwindigkeit als 0,2m/s auch nach rechts.

v1'=0,0667m/s, v2'=0,267m/s

3. m1 = 0,5kg, m2 = 1,0kg, v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s

Der Wagen 1 trifft mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, doppelt so schweren Wagen 2.

Der Wagen 1 trifft auf den Wagen 2 und stößt diesen an. Wagen 2 bewegt sich mit langsamerer Geschwindigkeit als 0,2m/s nach rechts, Wagen 1 rollt mit langsamerer Geschwindigkeit als 0,2m/2 zurück nach links.

4. Mache nun selbst Änderungen für v1 und schau was sich beim Versuch mit sonst gleichen Einstellungen wie 1. - 3. ändert.

Es ergeben sich analoge Ergebnisse.

5. m1 = m2 = 0,5 kg und v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s.

Die gleich schweren Wägen 1 und 2 fahren in entgegengesetzte Richtung. Wagen 1 fährt nach rechts, Wagen 2 nach links.

Die Wägen fahren aufeinander zu und stoßen zusammen. Wagen 1 fährt danach mit der Geschwindigkeit -0,2m/s nach links und Wagen 2 fährt mit der Geschwindigkeit 0,2m/s nach rechts. Der Betrag ihrer Geschwindigkeiten ändert sich nicht, die Wägen ändern jeweils ihre Bewegungsrichtung.

6. m1 = 1kg, m2 = 0,5kg, v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s

Der doppelt so schwere Wagen 1 fährt gegen den entgegen kommenden Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen wieder auseinander. Wagen 1 fährt langsamer als 0,2m/s nach links, Wagen 2 fährt schneller als 0,2m/s nach rechts.

7. m1 = 0,5kg, m2 = 1kg, v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s

Der halb so schwere Wagen 1 fährt gegen den entgegen kommenden Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen wieder auseinander. Wagen 1 fährt schneller als 0,2m/s nach links, Wagen 2 fährt langsamer als 0,2m/s nach rechts. (Wie 6. nur mit gewechselten Rollen von Wagen 1 und 2.)

8. Mache bei nun gleichen Einstellungen für v1, m1, m2 neue Einstellungen für v2 und schaue was sich bei dem Versuch ändert.

9. Mache nun beliebige Einstellungen für m1, v1, m2, v2.


Für die Wechselwirkung der beiden Wägen trifft das 3. Newtonsche Gesetz zu:

F_{12} = - F_{21}

, dabei ist F_{12} die Kraft die Wagen 2 auf Wagen 1 und F_{21} die Kraft die Wagen 1 auf Wagen 2 ausübt. Die beiden Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet. Die Richtung wird durch - ausgedrückt.

Die Kräfte bewirken jeweils eine Beschleunigung der Wägen:

F_{12} = - F_{21}
m_1 \cdot a_1 = - m_2 \cdot a_2

Die Beschleunigung a bewirkt jeweils eine Geschwindigkeitsänderung \Delta v. Es ist a = \frac{\Delta v}{\Delta t} und damit

m_1 \cdot \frac{\Delta v_1}{\Delta t} = - m_2 \cdot \frac{\Delta v_2}{\Delta t}

Bezeichnen v_1 und v_2 die Geschwindigkeiten von Wagen 1 und Wagen 2 vor dem Stoß und v^'_1 und v^'_2 die Geschwindigkeiten von Wagen 1 und Wagen 2 nach dem Stoß, so ist \Delta v_1 = v^'_1 - v_1 und \Delta v_2=v^'_2 - v_2. Damit

m_1 \cdot \frac{v^'_1 - v_1}{\Delta t} = - m_2 \cdot \frac{ v^'_2 - v_2}{\Delta t}

Multipliziert man die Gleichung mit \Delta t, so erhält man

m_1 \cdot (v^'_1 - v_1) = - m_2 \cdot (v^'_2 - v_2)

oder

m_1 v^'_1 - m_1 v_1 = - m_2 v^'_2 + m_2 v_2

Bringt man die v-Terme auf die linke Seite und die u-Terme auf die rechte Seite, so ergibt sich:

- m_1 v_1 - m_2 v_2 = -m_1 v^'_1 - m_2 v^'_2

Nun multipliziert man die Gleichung mit -1

m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v^'_1 + m_2 v^'_2

Verwendet man nun für das Produkt m v den Impuls p, erhält man

p_1 + p_2 = p^'_1 + p^'_2


Nuvola apps kig.png   Merke

Beim elastischen Stoß zweier Körper 1 und 2 gilt für ihre Impulse p_1 und p_2 vor dem Stoß und p^'_1 und p^'_2 nach dem Stoß.

p_1 + p_2 = p^'_1 + p^'_2


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 1

1. Formuliere die Aussage des Merksatzes in einem Satz.

2. Veifiziere die Aussage des Merksatzes, indem du jeweils die Ergebnisse des Versuchs verwendest und damit p_1 + p_2 = p^'_1 + p^'_2 für jeden Fall überprüfst.

Die Summe der Impulse p_1 und p_2 vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impulse p^'_1 und p^'_2 nach dem Stoß. Der Gesamtimpuls vor dem Stoß p_1+p_2 ist also gleich dem Gesamtimpuls nach dem Stoß p^'_1 + p^'_2.
Maehnrot.jpg
Merke:

Für einen zentralen elastischen Stoß gilt der Impulserhaltungssatz (IES):

Die Summe der Impule vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impule nach dem Stoß.

p_1 + p_2 = p'_1 + p'_2


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 2

Schaue dir diesen Video an und fasse die Aussagen zusammen.

Beim elastischen Stoß gelten der Energieerhaltungssatz (EES) und Impulserhaltungssatz (IES).
EES: \frac{1}{2} m_1 v_1 ^2-\frac{1}{2} m_2 v_2 ^2= \frac{1}{2} m_1 v_1' ^2+\frac{1}{2} m_2 v_2' ^2
IES: m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v'_1 + m_2 v'_2

Die Geschwindigkeiten v'_1 und v'_2 der Körper nach dem Stoß erhält man durch die Formeln

v'_1=2\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_+m_2}-v_1 und v'_2=2\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_+m_2}-v_2


Als nächstes machen wir das gleiche für den inelastischen Stoß

Nuvola apps edu science.png   Versuch

Stelle im Applet auf der Seite von Walter Fendet nun unelastischer Stoß ein.
Für die zwei Wägen kannst du deren Masse und Anfangsgeschwindigkeit (m1 und v1 für Wagen 1 und m2 und v2 für Wagen2) einstellen.
Stelle als Ausgabe Geschwindigkeit ein.
Den Versuch startest du durch Betätigen des Start-Buttons.
Mache die Einstellungen, notiere was die Einstellungen bedeuten und führe den Versuch aus. Notiere jeweils deine Beobachtungen.
Notiere auch die angezeigten Geschwindigkeiten vor und nach dem Stoß. Die Geschwindigkeit der beiden Körper nach dem Stoß ist v'.

1. m1 = m2 = 0,5 kg und v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s.

Die Einstellungen bedeuten, dass ein Wagen 1 mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, gleich schweren Wagen 2 trifft.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen mit v'=0,1m/s gemeinsam nach rechts weiter.

2. m1 = 1kg, m2 = 0,5kg, v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s

Der Wagen 1 trifft mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, halb so schweren Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen mit v'=0,133m/s gemeinsam nach rechts weiter.

3. m1 = 0,5kg, m2 = 1,0kg, v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s

Der Wagen 1 trifft mit der Geschwindigkeit v1 auf einen ruhenden, doppelt so schweren Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen mit v'=0,0667m/s gemeinsam nach rechts weiter.

4. Mache nun selbst Änderungen für v1 und schau was sich beim Versuch mit sonst gleichen Einstellungen wie 1. - 3. ändert.

Es ergeben sich analoge Ergebnisse.

5. m1 = m2 = 0,5 kg und v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s.

Die gleich schweren Wägen 1 und 2 fahren in entgegengesetzte Richtung. Wagen 1 fährt nach rechts, Wagen 2 nach links.

Die Wägen fahren aufeinander zu und stoßen zusammen. Die beiden Wägen bleiben stehen, v'=0m/s.

6. m1 = 1kg, m2 = 0,5kg, v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s

Der doppelt so schwere Wagen 1 fährt gegen den entgegen kommenden Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen mit v'=0,0667m/s nach rechts.

7. m1 = 0,5kg, m2 = 1kg, v1 = 0,2m/s, v2 = -0,2m/s

Der halb so schwere Wagen 1 fährt gegen den entgegen kommenden Wagen 2.

Nach dem Stoß fahren beide Wägen mit v'=-0,0667m/s nach links.

8. Mache bei nun gleichen Einstellungen für v1, m1, m2 neue Einstellungen für v2 und schaue was sich bei dem Versuch ändert.

9. Mache nun beliebige Einstellungen für m1, v1, m2, v2.


Für die Wechselwirkung der beiden Wägen gilt auch hier das 3. Newtonsche Gesetz:

F_{12} = - F_{21}

, dabei ist F_{12} die Kraft die Wagen 2 auf Wagen 1 und F_{21} die Kraft die Wagen 1 auf Wagen 2 ausübt. Die beiden Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet. Die Richtung wird durch - ausgedrückt.

Analog wie beim elastischen Stoß erhält man mit den Bezeichnungen des unelastischen Stoßes

m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v^' + m_2 v^'

Verwendet man nun für das Produkt m v den Impuls p, erhält man

p_1 + p_2 = p^'

,wobei p'=(m_1+m_2)v' ist.

Nuvola apps kig.png   Merke

Beim inelastischen Stoß zweier Körper 1 und 2 gilt für ihre Impulse p_1 und p_2 vor dem Stoß und p^' und p^' nach dem Stoß.

p_1 + p_2 = p^'


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 3

1. Formuliere die Aussage des Merksatzes in einem Satz.

2. Verifiziere die Aussage des IES durch Berechnung von v' bei den Versuchen zum unelastischen Stoß.

Die Summe der Impulse p_1 und p_2 vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impulse p^'_1 und p^'_2 nach dem Stoß. Der Gesamtimpuls vor dem Stoß p_1+p_2 ist also gleich dem Gesamtimpuls nach dem Stoß p^'_1 + p^'_2.
Maehnrot.jpg
Merke:

Für einen zentralen elastischen Stoß gilt der Impulserhaltungssatz (IES):

Die Summe der Impule vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impule nach dem Stoß.

p_1 + p_2 = p'


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 4

Schaue dir diesen Video an und fasse die Aussagen zusammen.

Beim inelastischen Stoß gilt nicht der Energieerhaltungssatz für die Bewegungsenergie. Bewegungsenergie wird in Verformungsenergie und Wärme umgewandelt. Der Impulserhaltungssatz (IES) gilt.
Man kann den EES aber trotzdem in der Art
EES: \frac{1}{2} m_1 v_1 ^2-\frac{1}{2} m_2 v_2 ^2= \frac{1}{2} m_1 v_1' ^2+\frac{1}{2} m_2 v_2' ^2 + \Delta W , wobei \Delta W die Wärme und Verformungsenergie ist.
Beim inelastischen Stoß bewegen sich die beiden Körper nach dem Stoß zusammen fort, sie haben also eine gemeinsame Geschwindigkeit v'.
EES: \frac{1}{2} m_1 v_1 ^2-\frac{1}{2} m_2 v_2 ^2= \frac{1}{2} (m_1+m_2) v' ^2 + \Delta W
IES: m_1 v_1 + m_2 v_2 = (m_1+m_2) v'

Die Geschwindigkeiten v' der beiden Körper nach dem Stoß erhält man aus dem IES

v'=\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1+m_2}

Der Impuls ist eine gerichtete Größe. In der Physik wird er als Vektor mit Betrag und Richtung behandelt.

Maehnrot.jpg
Merke:

In jedem abgeschlossenen System ist die vektorielle Summe der Impulsvektoren vor der Wechselwirkung gleich der vektoriellen Summe der Impulsvektoren nach der Wechselwirkung.


Bleistift 35fach.jpg   Aufgabe 5

1. Schaue dir am Ende der Seite die Ausführungen zum Newton-Pendel an und erkläre wieso durch den IES
a) Variante 1 möglich ist,
b) Variante 2 nicht möglich ist.

2. Bearbeite das Quiz.

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