Die Formel für konstante Geschwindigkeit lautet wie?
Die Formel für konstante Geschwindigkeit ist
v = s / t, wobei v die Geschwindigkeit, s die zurückgelegte Strecke und t die dafür benötigte Zeit ist. Mit anderen Worten: Geschwindigkeit ist gleich Strecke geteilt durch Zeit.
v
s
t
Die Formel für konstante Geschwindigkeit
Erklärung,Beispiel und Zusatzinfo
Erklärung:
v: Geschwindigkeit (z.B. m/s, km/h).
s: Strecke (z.B. m, km).
t: Zeit (z.B. s, h).
Beispiel:
Wenn ein Auto in 20 Sekunden 100 Meter zurücklegt, ist seine Geschwindigkeit:
v = 100 m / 20 s = 5 m/s.
Zusätzliche Informationen:
Die Formel v = s / t gilt nur für konstante Geschwindigkeiten, d.h. wenn die Geschwindigkeit während der gesamten Bewegung gleich bleibt.
Bei einer gleichförmigen Bewegung ist die Beschleunigung immer null, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit konstant bleibt.
Die Einheit der Geschwindigkeit ist in der Regel Meter pro Sekunde (m/s) oder Kilometer pro Stunde (km/h).
Das Wichtigste auf einen Blick!
Das Wichtigste auf einen Blick
Bei der gleichförmigen Bewegung gilt
Das Zeit-Weg-Gesetz der gleichförmigen Bewegung lautet
Dabei hat der Körper zu noch keine Strecke zurückgelegt
Die Geschwindigkeit des Körpers ist während der gesamten Bewegung konstant: v = k o n s t a n t .
Man berechnet diese Geschwindigkeit , indem man für eine beliebige seit dem Start der Bewegung zurückgelegte Strecke diese durch die seit dem Start der Bewegung vergangene Zeit dividiert:
v = s t .
Charakterisierung der gleichförmigen Bewegung
Ein Körper bewegt sich gleichförmig, wenn er sich auf einer geraden Linie bewegt und die seit dem Start der Bewegung zurückgelegte Strecke proportional zu der seit dem Start der Bewegung vergangenen Zeit ist. Dies erkennt man unter anderem daran, dass
in der Zeit-Weg-Tabelle zur doppelten, dreifachen, ... Zeit die doppelte, dreifache, ... Strecke gehört und deshalb für alle -Wertepaare der Quotient aus zurückgelegter Strecke und dafür benötigter Zeit den selben Wert besitzt
der Zeit-Weg-Graph auf einer Ursprungsgeraden liegt
die Funktionsgleichung der Zeit-Weg-Funktiondie Form hat.
Wie sind Geschwindigkeit und Richtung definiert?
Bei gleichförmiger Bewegung ist die Geschwindigkeit konstant.
Bei einer gleichförmigen Bewegung ändert sich die Richtung der Bewegung nicht.
Nenne Beispiele aus dem Alltag?
Die gleichförmige Bewegung ist eine der wichtigsten Bewegungstypen im Alltag. Förderbänder und Rolltreppen bewegen sich gleichförmig, Fahrräder, Autos, Züge und Flugzeuge bewegen sich ebenfalls zwischen den Beschleunigungs- und Bremsvorgängen auf geradlinigien Strecken nahezu gleichförmig.
Geschwindigkeit der gleichförmigen Bewegung. Mit dem Formelbuchstaben für die Geschwindigkeit (velocitas (lat.): Geschwindigkeit, Schnelligkeit) ergibt sich so…?
Bewegt sich ein Körper gleichförmig, dann bezeichnet man den Quotienten aus der seit dem Beginn der Bewegung zurückgelegten Strecke und der seit Beginn der Bewegung verstrichenen Zeit als die Geschwindigkeit der gleichförmigen Bewegung.
Mit dem Formelbuchstaben für die Geschwindigkeit (velocitas (lat.): Geschwindigkeit, Schnelligkeit) ergibt sich soFür die Einheit der Geschwindigkeit ergibt sich durch die Definition
Hinweis: Diese Definition gilt nur dann, wenn die Bewegung zum Zeitpunkt beginnt und der Körper zu diesem Zeitpunkt noch keine Strecke zurückgelegt hat, wovon wir bisher stets ausgegangen sind.
Bei gleichförmiger Bewegung wird in doppelter Zeit die doppelte Strecke zurückgelegt usw.
Der Zeit-Weg-Graph einer gleichförmigen Bewegung ist eine Ursprungsgerade
Es gilt: s=v•t
Umrechnen der Formel:
Grundformel: v = s/t (Geschwindigkeit)
Umformen nach Strecke (s): s = v * t
Umformen nach Zeit (t): t = s / v
a
konstante durchschnittliche Beschleunigung in m/s² im Intervall [t0; t1]
Δv
Geschwindigkeitsänderung (= Geschwindigkeitsdifferenz) in m/s im Intervall [t0; t1]
Δt
benötigte Zeit (= Zeitdifferenz) in s (Englisch time, daher die Abkürzung t)
v(t0) bzw. v0
Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t0 (Anfangsgeschwindigkeit); v0 und t0 sind oft 0
v(t1) bzw. v1
Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t1 (Endgeschwindigkeit)
Ein negativer Wert für die Beschleunigung bedeutet, dass tatsächlich gebremst bzw. verzögert wird.
Den folgenden Formeln liegt die obige Definition der durchschnittlichen Beschleunigung bzw. dessen Integral zugrunde. Die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t0 wird als Anfangsgeschwindigkeit v0 bezeichnet und die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t1 als Endgeschwindigkeit v.
Die Zeitdifferenz Δt und die Wegdifferenz Δs werden vereinfacht durch t bzw. s dargestellt. Sind s(t0) und t0 gleich 0, kann man jedoch ignorieren, dass es sich bei Weg und Zeit eigentlich um Differenzen handelt. Ein Anfangsweg s0 ist in den Formeln also prinzipiell nicht berücksichtigt, da er für die meisten Aufgaben nicht relevant ist. Man kann aber den Weg s durch den Term s – s0 ersetzen, wie dieses Beispiel nach den Formeln zeigt.
Weiter unten finden Sie ein weiteres Beispielmit der Berechnung einer Zeitdifferenz.
Mechanik in der Physik ist ein umfassendes Gebiet
Kynematik vs Dynamik
Das Thema “Mechanik” beschäftigt sich sowohl mit der Beschreibung von Bewegungen (Kinematik) als auch mit der Ursache von Bewegungsänderungen (Dynamik).
Mechanik in der Physik ist ein umfassendes Gebiet, das sich mit der Bewegung und dem Gleichgewicht von Körpern beschäftigt. Die Kinematik beschreibt die Bewegung geometrisch, während die Dynamik die Kräfte, die diese Bewegung verursachen, untersucht. Dynamik wird in Statik (Kräfte im Gleichgewicht) und Kinetik (beschleunigte Bewegung) unterteilt.
Zusammenfassend:
Die Mechanik ist ein breites Feld, das in Kinematik (beschreibt die Bewegung) und Dynamik (beschreibt die Ursache der Bewegung) unterteilt ist. Die Dynamik selbst wird in Statik (Gleichgewicht) und Kinetik (beschleunigte Bewegung) unterteilt.
Physik Mechanik
Was wird untersucht?
Im Teilbereich “Kinematik” werden verschiedene Bewegungsarten untersucht und die zugrundeliegenden Gesetze erfasst, mathematisch formuliert und angewandt. Ein wichtiges Element ist dabei auch die Darstellung von Bewegungen in Diagrammen.
Im Teilbereich “Dynamik” wird die Kraft als Ursache für Bewegungsänderungen erfasst, und es werden die Zusammenhänge zwischen Masse, Kraft und Beschleunigung analysiert und angewandt.
Wie lange gibt es die Mechanik schon?
Die Mechanik ist das historisch älteste Teilgebiet der Physik. Sie beschäftigt sich mit Grundeigenschaften von Körpern und Stoffen (Volumen, Masse, Dichte), mit dem Aufbau von Stoffen, mit der Bewegung von Körpern sowie mit Kräften und deren Wirkungen.
Wichtige Teilbereiche der Mechanik sind die Kinematik und die Dynamik. Gegenstand der Kinematik sind die Gesetze der Bewegung von Körpern ohne Betrachtung der dabei wirkenden Kräfte. Die Bewegungen werden mithilfe solcher physikalischer Größen wie Weg, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung beschrieben.
Die Physik ist eine ———. Sie beschäftigt sich mit grundlegenden ——— und ——- in unserer Umwelt und ermöglicht auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse die Erklärung und Voraussage vieler Erscheinungen in der Natur. Das Wort "Physik" ist von dem griechischen Wort "physis" abgeleitet, das "Natur" bedeutet. Die Physik untersucht vielfältige ——- und wendet typische Denk- und Arbeitsweisen an, die z. B. mit solchen Tätigkeiten wie dem ——-, dem —— und dem ——— verbunden sind. Traditionell wird die Physik in die Teilgebiete ——, Wärmelehre (Thermodynamik), Elektrizitätslehre (Elektrik), Optik, Atom- und Kernphysik sowie Energie eingeteilt.
Die Physik ist eine Naturwissenschaft. Sie beschäftigt sich mit grundlegenden Erscheinungen und Gesetzen in unserer Umwelt und ermöglicht auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse die Erklärung und Voraussage vieler Erscheinungen in der Natur. Das Wort "Physik" ist von dem griechischen Wort "physis" abgeleitet, das "Natur" bedeutet. Die Physik untersucht vielfältige Naturerscheinungen und wendet typische Denk- und Arbeitsweisen an, die z. B. mit solchen Tätigkeiten wie dem Beobachten, dem Messen und dem Experimentieren verbunden sind. Traditionell wird die Physik in die Teilgebiete Mechanik, Wärmelehre (Thermodynamik), Elektrizitätslehre (Elektrik), Optik, Atom- und Kernphysik sowie Energie eingeteilt.
Traditionell wird die Physik in folgende Teilgebiete eingeteilt:
Mechanik: Sie beschäftigt sich mit den Eigenschaften (Volumen, Masse, Dichte) und der Bewegung von Körpern, Kräften und ihren Wirkungen, dem Auftrieb und dem Schwimmen, dem Fliegen, den mechanischen Schwingungen und Wellen, der Entstehung und den Eigenschaften von Schall.
Wärmelehre oder Thermodynamik: Ihr Untersuchungs-gegenstand ist die Temperatur von Körpern, die Aggregatzustände und ihre Änderungen, die Übertragung von Wärme und Wärmekraftmaschinen.
Elektrizitätslehre oder Elektrik: Sie beschäftigt sich u. a. mit den Eigenschaften von elektrisch geladenen Körpern, dem Magnetismus, den Wirkungen des elektrischen Stromes, den Gesetzen in elektrischen Stromkreisen, der Erzeugung und Umformung von Elektroenergie, den elektromagnetischen Schwingungen und Wellen.
Optik: Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht, der Reflexion und Brechung, der Bildentstehung bei Spiegeln und Linsen, dem Aufbau und der Wirkungsweise optischer Geräte sowie mit Farben.
Atom- und Kernphysik: Untersuchungsgegenstand dieses Teilgebietes ist der Aufbau von Atomen, die Umwandlung von Atomkernen, Radioaktivität und die Eigenschaften radioaktiver Strahlung, die Erzeugung von Kernenergie.
Energie, das man als ein übergreifendes Teilgebiet abtrennen kann. Gegenstände der Betrachtung sind Energieformen und Energieträger, die Umwandlung und Übertragung von Energie, die Speicherung und Entwertung von Energie, die Auswirkung der Nutzung von Energie auf die Umwelt.
Darüber hinaus haben sich in enger Verbindung zu anderen Naturwissenschaften solche Bereiche wie die Biophysik oder die physikalische Chemie herausgebildet.
Definieren ist eine Tätigkeit, die eng mit physikalischen Begriffen, speziell mit Größen, verbunden ist. Beim Definieren wird ein Begriff durch die Festlegung wesentlicher, gemeinsamer Merkmale eindeutig bestimmt und von anderen Begriffen unterschieden. Wichtig ist dabei, dass eine Definition zweckmäßig sein muss und nicht im Widerspruch zu anderen Festlegungen stehen darf.
Beim Definieren kann man häufig folgendermaßen vorgehen:
Nennen Sie den Oberbegriff!
Nennen Sie Art bildende Merkmale!
Beispiel 1: Definieren Sie den Begriff mechanische Schwingung!
Eine mechanische Schwingung ist eine zeitlich periodische Bewegung eines Körpers um eine Gleichgewichtslage. Der Oberbegriff ist hierbei „Bewegung“, das Art bildende Merkmal ist „zeitlich periodisch“. Damit kann man für beliebige Bewegungen entscheiden, ob sie den mechanischen Schwingungen zuzurechnen sind oder nicht.
Ein Definieren von Begriffen kann auch so erfolgen, dass man aufzählt, welche Dinge mit einem Begriff gemeint sind.
Beispiel 2: Definieren Sie den Begriff elektrischen Bauelement!
Elektrische Bauelemente sind elektrische Quellen, Glühlampen, Schalter, Widerstände, Spulen, Kondensatoren, Dioden, Transistoren oder Sicherungen.
Definitionen können sich auch aus Zusammenhängen ergeben, insbesondere aus experimentellen Untersuchungen. Dabei ist nicht immer klar zu unterscheiden, ob man bei einer gegebenen Gleichung eine Definitionoder ein Gesetz vor sich hat. Das geht nur aus dem Zusammenhang hervor.
Beispiel 3: Wie ist der elektrische Widerstand definiert?
Der elektrische Widerstand eines Bauelementes gibt an, welche Spannung erforderlich ist, damit durch das Bauelement ein Strom der Stärke 1 A fließt. Diese Definition kann auch als Gleichung formuliert werden:
R=UI
Diese Gleichung wird häufig auch als ohmsches Gesetz bezeichnet.
Bei physikalischen Einheiten sind Definitionen mitunter eine Möglichkeit, komplizierte zusammengesetzte Einheiten in kurzer Form zu charakterisieren.
Beispiel 4: Wie lautet die Einheit der Kraft? Die Einheit der Kraft ist das Newton, benannt nach dem englischen Naturforscher ISAAC NEWTON. Es gilt:
1 N = 1kg⋅ms2
Damit man nicht immer mit dem rechts stehenden relativ langen Ausdruck arbeiten muss, hat man zur Vereinfachung vereinbart (definiert), den rechts stehenden Ausdruck als 1 N zu bezeichnen. Das ist ein typisches Vorgehen bei der Festlegung von Einheiten in der Physik.
Weitere Beispiele für Definitionen (sinnvolle Festlegungen) sind:
die Festlegung einer Stromrichtung;
die Festlegung der Richtung der Feldlinien bei elektrischen, magnetischen und Gravitationsfeldern;
die Festlegung eines Bezugsniveaus bei der Angabe der potenziellen oder der kinetischen Energie eines Körper;
die Festlegung des Vorzeichens bei der Arbeit, die an einem Körper verrichtet wird, oder bei der Wärme, die er aufnimmt;
die Festlegung von Normbedingugnen bei Gasen.
Klassifizieren ist eine Erkenntnistätigkeit. Beim Klassifizieren werden verschiedene Objekte aufgrund gemeinsamer und unterscheidender Merkmale in Klassen eingeteilt. Alle Objekte, die gemeinsame Merkmale besitzen, werden zu einer Klasse zusammengefasst. Stoffe kann man z.B bezüglich ihrer Härte, ihrer Dichte, ihrer Wärmeleitfähigkeit oder ihrer elektrischen Leitfähigkeit klassifizieren.
Beim Klassifizieren sollte man folgendermaßen vorgehen:
Untersuchen und Vergleichen der Eigenschaften von Objekten! Feststellen von gemeinsamen und unterscheidenden Merkmalen!
Zusammenfassen der Objekte mit gemeinsamen Eigenschaften!
Bezeichnen der Klassen von Objekten!
Beispiel 1: Klassifizieren Sie die verschiedenen Stoffe hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit!
Experimentell werden verschiedene Stoffe hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit untersucht. Es zeigt sich: Es gibt Stoffe, die den elektrischen Strom leiten und solche, die ihn nicht leiten. Darüber hinaus gibt es eine gruppe von Stoffen, deren elektrische Leitfähigkeit dazwischen liegt. Damit hat man drei Klassen von Stoffen: Das gemeinsame Merkmal einer Klasse von Stoffen ist eine ähnliche elektrische Leitfähigkeit. Das unterscheidende Merkmal zwischen den beiden Klassen ist die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit. Die drei Klassen werden als elektrische Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (Isolatoren) bezeichnet.
Elektrische Leiter sind z. B. Kupfer, Eisen, Aluminium, Grafit, Salzwasser, Schwefelsäure.
Halbleiter sind z.B. Germanium, Silicium und Tellur.
Isolatoren sind z. B. Glas, Kunststoff, Papier, Gummi, Luft, destilliertes Wasser, Öl.
Beispiel 2: Die Bewegung von Körpern kann in sehr unterschiedlicher Weise erfolgen. Klasifizieren Sie die Bewegungen von Körpern!
Körper können sich auf unterschiedlichen Bahnen und dort in verschiedener Weise bewegen. Es ist deshalb zweckmäßig, bei der Klassifizierung von Bewegungen zwischen Bahnformen und Bewegungsarten zu unterscheiden. Bei den Bahnformen gibt es zwei charakteristische Fälle:
Der Körper bewegt sich entlang einer geradlinigen Bahn. Er führt eine geradlinige Bewegung aus.
Der Körper bewegt sich nicht geradlinig, sondern auf einer beliebigen anderen Bahn. Er führt eine krummlinige Bewegung aus. Ein spezuieller Fall eienr solchen krummlinigen Bewegung ist eine Kreisbewegung.
Längs einer Bahn kann sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit, gleichmäßig beschleunigt oder in beliebiger anderer Weise bewegen. Demzufolge kann man Bewegungen auch nach der Bewegungsartklassifizieren.
Eine bestimmte Bewegung lässt sich dann eindeutig einer Bahnform und einer Bewegungsart zuordnen:
Ein Auto, das mit einer konstanten Geschwindigkeit durch eine Kurve mit bestimmtem Krümmungsradius fährt, vollführt eine gleichförmige Kreisbewegung.
Die Erde um die Sonne führt eine krummlinige Bewegung aus, die insgesamt weder gleichförmig noch gleichmäßig beschleunigt ist.
Die Klassifizierung von Bewegungen kann auch in anderer Weise als beschrieben erfolgen. Man kann Bewegungen z.B. auch einteilen in
unbeschleunigte Bewegungen (a = 0) und
beschleunigte Bewegungen (a≠0).
Bei dieser Klassifizierung ist jede krummlinige Bewegung und damit auch die gleichförmige Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung.
Ein wichtiges Ziel der Physik ist das Anwenden physikalischer Gesetze zum Lösen von Aufgaben und Problemen, z. B. zum Erklären und Voraussagen von Erscheinungen, zum Berechnen von Größen oder zum Konstruieren technischen Geräte. Dabei gibt es immer wieder bestimmte Schritte, die durchlaufen werden müssen.
Nachfolgend sind die genannten Schritte genauer charakterisiert und an einem Beispiel aus der Physik dargestellt. Zu lösen ist die folgende Aufgabe:
Eine Person mit einer Masse von 63 kg springt im Schwimmbad von einem 5 m hohem Sprungturm ins Wasser (Bild 1). Welche Geschwindigkeit hat sie beim Auftreffen auf die Wasseroberfläche?
Allgemeine Schritte
Beispiel
1. Es geht zunächst darum, den Sachverhalt genauer zu erfassen. Dazu hilft häufig eine einfache Skizze. Darüber hinaus werden die gesuchten und gegebenen Größen und Fakten übersichtlich zusammengestellt.
Das Herunterspringen kann näherungsweise als freier Fall eines Körpers angesehen werden. Dabei wird die ursprünglich vorhandene potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt (Bild 2). Gesucht: v Gegeben:m=63 kgh=5 mg=9,81ms2
2. Wesentliche Seiten werden mit Hilfe physikalischer Gesetze beschrieben. Dazu muss man die gesetzmäßig wirkenden Zusammenhänge und die Bedingungen für das Wirken bekannter physikalischer Gesetze im Sachverhalt erkennen.
Bei dem gegebenen Sachverhalt kann man unterschiedlich herangehen. 1. Möglichkeit: Aus energetischer Sicht erfolgt unter der Bedingung, dass man die Energieumwandlung in andere Energieformen während des Falles vernachlässigen kann, eine Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie. Unter der genannten Bedingung gilt der Energieerhaltungssatz der Mechanik. 2. Möglichkeit: Der Sprung des Mädchens kann näherungsweise als freier Fall angesehen werden, da der Luftwiderstand bei einer solchen Fallhöhe zu vernachlässigen ist. Damit gelten das Weg-Zeit-Gesetz und das Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz des freien Falls.
3. Die genannten Gesetze werden zum Berechnen der gesuchten Größe angewendet. Dabei gibt es mitunter völlig unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten.
1. Möglichkeit: Der Energieerhaltungssatz der Mechanik gilt in folgender Form:
Epot=Ekinm⋅g⋅h=12⋅m⋅v2v2=2g⋅hv=2g⋅h−−−−√v=2⋅9,81 ms2⋅5 m−−−−−−−−−−−−√v=9,9 ms=36 kmh
2. Möglichkeit: Für den freien Fall gilt: v=g⋅t(1)Die Zeitterhält man aus demWeg-Zeit-Gesetzs=g2⋅t2durch Umstellen:t2=2sg(2)Nun werden die Gleichungen (1) und (2)miteinander verknüpft.Durch Quadrieren von Gleichung (1)erhält man:v2=g2⋅t2Durch Einsetzen vont2aus Gleichung 2erhält man:v2=g2⋅2sgv2=2g⋅sv=2g⋅s−−−−√Durch Einsetzen erhält man dasgleiche Ergebnis wie bei derersten Möglichkeit.
Das Ergebnis wird mit Blick auf die Aufgabenstellung formuliert.
Ergebnis: Wenn eine Person von einem 5-mTurm herunterspringt, trifft sie bei Vernachlässigung der Reibung mit einer Geschwindigkeit von 36 km/h auf die Wasseroberfläche auf.
Jede Berechnung kann man als eine Voraussage ansehen. Das Ergebnis hat den Wahrheitswert wahr, wenn alle Bedingungen beachtet und insbesondere die Gültigkeitsbedingungen der betreffenden Gesetze erfüllt sind. Hinweise zum Voraussagen und zum Erklären findet man unter diesen Stichwörtern.
Die Anwendung physikalischer Gesetze zum Konstruieren technischer Geräte ist zumeist ein recht komplexer Vorgang, weil es bei technischen Geräten nicht nur darum geht, dass sie auf der Grundlage physikalischer Gesetze überhaupt funktionieren, sondern auch andere Aspekte zu berücksichtigen sind, z.B. die der Sicherheit, der Ästhetik, der Gebrauchseigenschaften oder der Ökologie. So geht es z.B. bei der Konstruktion eines Mikrowellenherdes nicht nur darum, ein geeignetes Magnetron als Strahlungsquelle zur Verfügung zu haben. Es muss auch gesichert sein, dass die Strahlung im Innenraum möglichst gut verteilt wird, die Streustrahlung minimiert ist, die äußere Form und Farbgebung dem ästhetischen Empfinden der Kunden entspricht, der Energieverbrauch möglichst niedrig ist, das Gerät für alle gewünschten Anwendungen optimiert ist. Erforderlich ist dazu in der Regel im komplexes Zusammenwirken von Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen, von denen die Physik nur eine ist.
Wie vorgesehen?
Analyse der gegebenen Aufgabe und Vereinfachung des Sachverhalts aus der Sicht der Physik.
Erkennen und Benennen der gesetzmäßig wirkenden Zusammenhänge und der Bedingungen im Sachverhalt, Nennen der betreffenden Gesetze.
Anwenden der Gesetze zum Lösen von Aufgaben, d. h. zum Erklären oder Voraussagen, zum Berechnen einer Größe. Dazu kann man verschiedene Mittel und Verfahren nutzen.
Voraussagen ist eine Tätigkeit, die eng mit der Anwendung von Gesetzen und Modellen und damit mit dem Erklären verbunden ist. Beim Voraussagen wird auf der Grundlage von Gesetzen oder Modellen unter Berücksichtigung der gegebenen Bedingungen eine Folgerung in Bezug auf eine Erscheinung abgeleitet und zusammenhängend dargestellt
Eine wissenschaftliche Voraussage oder Prognose stützt sich immer auf Gesetze oder Modelle und hat nichts mit Spekulationen zu tun. Der Wahrheitswert einer Voraussage kann trotzdem unterschiedlich sein. Wird die Voraussage auf der Grundlage eines vielfach bestätigten Gesetzes getroffen und sind alle Wirkungsbedingungen bekannt, so ist die Voraussage mit hoher Wahrscheinlichkeit wahr. Sind dagegen die zugrunde liegenden Gesetze komplex und nicht alle Wirkungsbedingungen oder Einflussfaktoren bekannt, so kann die Voraussage auch unsicher sein. Das kann man z. B. bei Wettervorhersagen festzustellen. Voraussagen müssen deshalb in der Praxis überprüft werden.
Beim Voraussagen sollte man folgendermaßen vorgehen:
Beschreiben Sie wesentliche Seiten der Erscheinung!
Nennen Sie Gesetze und Modelle, die der Erscheinung zugrunde liegen!
Leiten Sie Folgerungen für die Erscheinung ab!
Beispiel 1: Eine Person steigt aus einem Boot aus, wobei das Boot nicht befestigt ist (Bild 1). Sage voraus, was passieren wird! Die Person befindet sich zunächst bezüglich des Bootes in Ruhe. Beim Heraussteigen muss die Person eine Kraft in Bewegungsrichtung aufwenden. Nach dem Wechselwirkungsgesetz gehört bei der Wechselwirkung zwischen zwei Körpern zu jeder Kraft eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft. Demzufolge muss auf das Boot eine gleich große Kraft in entgegengesetzter Richtung wirken, durch die es sich beim Heraussteigen der Person vom Steg entfernt. Damit das nicht geschieht, muss es durch eine zusätzliche Kraft festgehalten werden.
Beispiel 2: In einem Stromkreis wird ein Drahtwiderstand aus Kupfer durch einen gleicher Länge und gleicher Querschnittsfläche aus Konstantan ersetzt. Wie verändert sich damit die Stromstärke in einem einfachen Stromkreis?
Die Stromstärke hängt von Spannung und Widerstand ab. Es gilt: I=UR Der Widerstand eines Drahtes hängt seinerseits vom Stoff, von der Länge und von der Querschnittsfläche des Leiters ab. Es gilt: R=ρ⋅lAund damitI=U⋅Aρ⋅lDa Spannung, Querschnittsfläche und Längegleich sind, gilt:I∼1ρ
Konstantan hat einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand als Kupfer. Demzufolge verkleinert sich beim Ersatz des Widerstandes aus Kupfer gegen einen aus Konstantan bei konstanter Spannung die Stromstärke.
Begründen ist eine sprachlich-kommunikativ orientierte Tätigkeit. Beim Begründen wird ein Nachweis geführt, dass eine Aussage richtig oder zweckmäßig ist. Dazu müssen Argumente, z. B. Beobachtungen, Gesetze, Eigenschaften von Körpern und Stoffen, angeführt werden.
Wie vorgehen?
Beim Begründen kann man in folgenden Schrittenvorgehen:
Stelle die zu begründende Aussage (einen Sachverhalt, eine Maßnahme, eine Vorschrift o. Ä.) dar!
Nenne naturwissenschaftliche Argumente (z. B. Gesetze, Zusammenhänge, Fakten), die für oder gegen diese Aussage sprechen!
Im Unterschied zum Erklären werden stets Aussagen begründet. Während beim Erklären immer auf Gesetze oder Modelle zurückgegriffen wird, kann Begründen objektiv (gestützt auf Gesetze, Modelle oder wissenschaftliche Fakten) oder subjektiv (Meinung der begründenden Person) sein.
Beispiele Begründe, warum man mit einem Fahrzeug bei nasser Fahrbahn eine Kurve vorsichtiger durchfahren muss als bei trockener Fahrbahn! Ob man eine Kurve sicher durchfahren kann, hängt von der Reibungskraft zwischen den Rädern des Fahrzeuges und der Fahrbahn ab (Bild 1). Bei trockener Fahrbahn ist die Haftreibungskraft größer als bei nasser Fahrbahn. Deshalb ist bei nasser Fahrbahn die maximale Geschwindigkeit, mit der man eine Kurve sicher durchfahren kann, geringer als bei trockener Fahrbahn. Begründe, weshalb es zweckmäßig ist, eine elektrische Schaltung erst gründlich zu prüfen, bevor man die elektrische Quelle anschließt oder dem Stromkreis schließt! Bei einer elektrischen Schaltung können leicht Fehler im Aufbau auftreten, die zu einem Kurzschluss oder bei falcher Polung sogar zu einer Beschädigung von Geräten oder Bauelementen führen. Um das auszuschließen, ist es sinnvoll, die Schaltung zu prüfen und insbesondere noch einmal zu kontrollieren, ob alle Geräte und Bauelemente richtig gepolt und eingestellt sind.
Dazu gehören?
Dazu gehören:
Erkenntnistätigkeiten wie das Beobachten, das Beschreiben, das Vergleichen und das Klassifizieren,
mit Experimenten verbundene Tätigkeiten wie das Messen, das Experimentieren, das Protokollieren und das Interpretieren,
mit Gesetzen und Modellen verbundene Tätigkeiten wie das Erklären und das Voraussagen,
mit Begriffen und speziell mit Größen verbundene Tätigkeiten wie das Definieren,
sprachlich-kommunikativ orientierte Tätigkeiten wie das Erläutern oder das Begründen.
Vor allem im Zusammenhang mit dem Erkennen und Anwenden physikalischer Gesetze, beim Durchführen von Experimenten sowie beim Arbeiten mit physikalischen Größen gibt es eine Reihe von Tätigkeiten, die immer wieder durchgeführt werden und die für die Physik charakteristisch sind. Jede dieser Tätigkeiten lässt sich genauer kennzeichnen. Für viele Tätigkeiten lassen sich auch Schrittfolgen angeben.
Das Gewinnen von Erkenntnissen, insbesondere das Finden von physikalischen Gesetzen, ist eines der wichtigsten Ziele physikalischer Forschung. Es ist ein äußerst komplexer und in der Regel langwieriger Prozess, der häufig von Irrtümern begleitet war und ist. Neben dem empirischen Weg der Erkenntnisgewinnung, bei dem experimentelle Ergebnisse den Ausgangspunkt bilden, nutzt man auch den theoretischen Weg der Erkenntnisgewinnung, bei dem von als gesichert geltenden Gesetzen ausgegangen wird. Zur Prüfung des Wahrheitswertes von Hypothesen und Prognosen wird die experimentelle Methode genutzt.
Man unterscheidet zwischen?
Grob kann man zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen unterscheiden:
empirischer Weg der Erkenntnisgewinnung,
theoretischer Weg der Erkenntnisgewinnung.
Welche Schritte?
Dieser Weg heißt auch empirischer Weg der Erkenntnisgewinnung. Bei ihm lassen sich einige Schritte unterscheiden, die in der Regel durchlaufen werden:
Beobachtung und Beschreibung von Erscheinungen, Aufstellen von Vermutungen über Zusammenhänge und Entwicklung von Fragen, die genauer untersucht werden müssen.
Experimentelle Untersuchung des Sachverhalts, Verallgemeinerung der Untersuchungen, Formulierung eines Gesetzes.
Überprüfung des Gesetzes durch weitere experimentelle Untersuchungen und durch Anwendung in der Praxis.
Beispiel: Nachfolgend sind die genannten drei Schritte genauer charakterisiert und an einem Beispiel aus der Physik dargestellt. Als gut überschaubares Beispiel ist das von GEORG SIMON OHM entdeckte ohmsche Gesetz gewählt. Eine mögliche Experimentieranordnung ist in Bild 1 dargestellt.
Allgemeine Schritt
1.
Es gibt in der Natur Erscheinungen, die man beobachtet. Durch Vergleichen wird versucht, Gemeinsamkeiten und Unterschiede sowie Regelmäßigkeiten in der Erscheinung zu erkennen.
Untersuchungen an elektrischen Leitern ergeben, dass zwischen der an einem Leiter anliegenden Spannung und der Stromstärke im Leiter Zusammenhänge bestehen. Ein elektrischer Strom fließt nur, wenn eine Spannung anliegt und der Stromkreis geschlossen ist. Die Stromstärke hängt von der Spannung ab.
Im Ergebnis dieser ersten Untersuchungen können Hypothesen (Vermutungen) darüber aufgestellt werden, welche Zusammenhänge es geben könnte und unter welchen Bedingungen zu auftreten.
Die elektrische Stromstärke ist bei einem metallischen Leite umso größer, je größer die anliegende Spannung ist. Dieser Zusammenhang gilt für alle metallischen Leiter.
Es werden Fragen gestellt, die genauer zu untersuchen sind.
Welche Zusammenhang existiert bei einem metallischen Leiter zwischen der anliegenden Spannung und der Stromstärke im Leiter?
2.
Um die Vermutung zu prüfen und die Frage zu beantworten, werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt.
Bei verschiedenen metallischen Leitern wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke untersucht. Genutzt werden dazu z.B. ein Kupferdraht, ein Konstantandraht und ein Draht aus Wolfram (Glühwendel einer Glühlampe). Verwendet wird die in Bild 1 dargestellte Experimentieranordnung. Es werden Messwerte aufgenommen und grafisch dargestellt.
Die Messwerte werden in Messwertetabellen erfasst und rechnerisch oder zeichnerisch ausgewertet.
Uin VI in mAKupferKonstantanWolfram00001228182461735368235048530625112416861304972
Es werden Folgerungen abgeleitet und, wenn erforderlich, weitere experimentelle Untersuchungen durchgeführt.
Damit erhält man die in Bild 2 gezeigte grafische Darstellung. Der Vergleich zeigt: Während bei Kupfer und Konstantan die Stromstärke proportional der Spannung ist, gilt das für den Glühfaden einer Glühlampe offensichtlich nicht. Weitere Untersuchungen bestätigen: Auch für einen Wolframdraht gilt die Proportionalität, wenn die Temperatur konstant ist.
Aufgrund der Untersuchungen wird eine Verallgemeinerungvorgenommen und ein Gesetz formuliert.
Für alle metallischen Leiter gilt unter der Bedingungen einer konstanten Temperatur: Die Stromstärke ist der Spannung proportional.
3.
Das Gesetz muss überprüft werden. Insbesondere muss festgestellt werden, ob die vorgenommene Verallgemeinerung tatsächlich gilt. Jede erfolgreiche Anwendung des Gesetzes in der Praxis ist ein Beleg für seine Gültigkeit unter den gegebenen Bedingungen. Jede Abweichung ist Anlass dafür weitere Untersuchungen durchzuführen.
Der Zusammenhang wird für weitere metallische Leiter, z. B. für Leiter aus Aluminium, Eisen, Silber, ... untersucht und bestätigt.
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