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Erarbeitung

Zur Orientierung

Wir beschäftigen uns hier mit folgender Frage.

Leitfrage

Wie kann man die momentane Geschwindigkeit eines fallenden Körpers vorhersagen?

Wir setzen dabei voraus, dass die Bewegung eines frei fallenden Körpers mit der Zeit-Weg-Funktion s(t)=5t2 beschrieben wird. Beachte: Wir nutzen hier eine vereinfachte Zeit-Weg-Funktion. Genauere Angaben gibt es im Physikunterricht.

Die Momentangeschwindigkeit beim freien Fall bestimmen

Welche Momentangeschwindigkeit erreicht ein fallender Gegenstand nach einer vorgegebenen Fallzeit? Dieses Problem kannst du mit dem folgenden Applet lösen. Das Applet zeigt die vereinfachte Zeit-Weg-Funktion s(t)=5t2 eines frei fallenden Gegenstands (unter idealen Bedingungen).

Zum Herunterladen: freierfall4.ggb

Aufgabe 1

Bestimme für die in der Tabelle angegebenen konkreten Zeitintervalle jeweils die mittlere Geschwindigkeit. Kontrolliere die berechneten Ergebnisse im Applet.

Zeitintervallbenötigte Zeit
h
zurückgelegter Weg
s(t+h)s(t)
mittlere Geschwindigkeit
m(t,t+h)=s(t+h)s(t)h
2t312525
2t2.10.1
2t2.01
2t2.001
2t2.0001
...
2t2+h

Aufgabe 2

Stelle ausgehend von den berechneten Werten eine Vermutung auf, wie man die mittlere Geschwindigkeit direkt mit einer Formel berechnen kann.

m(2,2+h)=...

Aufgabe 3

Die Formel für m(2,2+h) kann man auch herleiten. Setze die Umformungen fort. Alternativ: Erkläre jeden Schritt der Umformung in der Kontrolle.

m(2,2+h)=s(2+h)s(2)h=5(2+h)2522h=...

Kontrolle

m(2,2+h)=s(2+h)s(2)h=5(2+h)2522h=5(22+4h+h2)522h=(20+20h+5h2)20h=20h+5h2h=h(20+5h)h=20+5h

Aufgabe 4

Betrachte jetzt den Grenzprozess h0. Ergänze die Formel für s(t).

s(2,2+h)=20+5hh0s(2)=

Kontrolle

s(2,2+h)=20+5hh0s(2)=20

Aufgabe 5

Formuliere das Ergebnis: Nach 2 Sekunden Fallzeit ...

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