Ph10 Impuls und Impulserhaltung: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 20. November 2020, 16:33 Uhr

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?

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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.
Bei einem unelastischen Stoß geht beim Stoßen Energie verloren, sie wird in innere Energie (Wärme, Verformung) umgewandelt.
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.

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

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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.

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

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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.

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

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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.

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Es ergeben sich analoge Ergebnisse.

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

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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

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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

[Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

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.)

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

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

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.

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

Aufgabe 1

Formuliere die Aussage des Merksatzes in einem Satz.

[Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

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 $p^'_1 + p^'_2$ .

Merke:

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

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

Aufgabe 2

Schaue dir diesen Video an und fasse die Aussagen zusammen.

[Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

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

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 b) Bei einem elastischen Stoß stoßen zwei Körper aufeinander, dabei wird keine Energie in innere Energie umgewandelt.<br>
-Bei einem unelastischen  Stoß gehtd beim Stoßen Energie verloren, sie wird in innere Energie (Wärme, Verformung) umgewandelt.<br>
+Bei einem unelastischen  Stoß geht beim Stoßen Energie verloren, sie wird in innere Energie (Wärme, Verformung) umgewandelt.<br>
 Schaue dir dazu im Applet an wie die zwei Stöße realisiert werden. <br>
 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.<br>
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 Stelle als Ausgabe Geschwindigkeit ein.<br>
 Den Versuch startest du durch Betätigen des Start-Buttons. <br>
-Mache die Einstellungen, notiere was die Einstellungen bedeuten und führe den Versuch aus. Notiere jeweils deine Beobachtungen.
+Mache die Einstellungen, notiere was die Einstellungen bedeuten und führe den Versuch aus. Notiere jeweils deine Beobachtungen.<br>
+Notiere auch die angezeigten Geschwindigkeiten vor und nach dem Stoß.
 . m1 = m2  = 0,5 kg und v1 = 0,2m/s, v2 = 0m/s.
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 Die Summe der Impule vor dem Stoß ist gleich der Summe der Impule nach dem Stoß. }}
+{{Aufgaben-blau|2|2=Schaue dir diesen Video an und fasse die Aussagen zusammen.
+<center>{{#ev:youtube |0ctk4BxwKH0|350}}</center> }}
+{{Lösung versteckt|Beim elastischen Stoß gelten der Energieerhaltungssatz (EES) und Impulserhaltungssatz (IES).<br>
+EES: <math>\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</math><br>
+IES: <math>m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v'_1 + m_2 v'_2</math>
+Die Geschwindigkeiten <math>v'_1</math> und <math>v'_2</math> der Körper nach dem Stoß erhält man durch die Formeln<br>
+<math>v'_1=2\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_+m_2}-v_1</math> und <math>v'_2=2\frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_+m_2}-v_2</math> }}

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