Der freie Fall

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Beim freien Fall fällt ein Körper nur durch die Schwerkraft. In der Luft wirkt zusätzlich der Luftwiderstand. Darum ist ein Fall in Luft oft nur ungefähr ein freier Fall.

Die Animation zeigt: Der Körper wird immer schneller. Der freie Fall ist eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung.

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Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du den freien Fall erklären, einfache Rechnungen durchführen und den Einfluss des Luftwiderstands beschreiben.

Das Wichtigste

Erdbeschleunigung

Nahe der Erdoberfläche gilt ungefähr:

$g=\mathrm{9,81}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}$

Das bedeutet: In jeder Sekunde wächst die Geschwindigkeit um etwa $\mathrm{9,81}\mathrm{m}/\mathrm{s}$.

Das Foto zeigt die Positionen eines fallenden Balls in gleichen Zeitabständen. Die Abstände werden größer.

Formeln

Ein Körper wird aus der Ruhe losgelassen. Der Luftwiderstand wird vernachlässigt.

Gesuchte Größe	Formel	Bedeutung
Geschwindigkeit	$v=g\cdot t$	Der Körper wird mit der Zeit schneller.
Fallstrecke	$s=\frac{1}{2}\cdot g\cdot t^2$	Die Strecke wächst mit dem Quadrat der Zeit.
Fallzeit	$t=\sqrt{\frac{2s}{g}}$	Damit berechnest Du die Zeit für eine Fallstrecke.

Beispiel: Aus 5 Metern Höhe dauert der Fall ohne Luftwiderstand ungefähr 1 Sekunde.

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Masse und Luftwiderstand

Im Vakuum fallen leichte und schwere Körper gleich schnell. In Luft kann ein flaches Blatt Papier langsamer fallen als eine Kugel. Der Grund ist der Luftwiderstand.

Auf dem Mond fallen Hammer und Feder gemeinsam zu Boden, weil es dort fast keine Atmosphäre gibt.

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Experiment und Sicherheit

Nutze nur leichte oder weiche Gegenstände und kleine Fallhöhen. Lass niemals etwas aus einem Fenster, von einer Treppe oder von einem Dach fallen. Achte darauf, dass niemand getroffen werden kann.

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Lernbereiche

1. Mechanik: Bewegungen und Kräfte untersuchen.
2. Gravitation: Die Wirkung der Schwerkraft verstehen.
3. Gleichmäßig beschleunigte Bewegung: Geschwindigkeit und Strecke berechnen.
4. Experimentieren im Physikunterricht: Beobachten, messen und Ergebnisse auswerten.
5. Mathematische Modelle in der Physik: Formeln anwenden und ihre Grenzen erkennen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wann spricht man in der Physik von einem freien Fall? (Wenn nur die Schwerkraft auf den Körper wirkt) (!Wenn der Körper auf einem Tisch liegt) (!Wenn der Körper gleich schnell bleibt) (!Wenn keine Kraft auf den Körper wirkt)

Wie groß ist die Erdbeschleunigung nahe der Erdoberfläche ungefähr? (9,81 Meter pro Sekunde zum Quadrat) (!1 Meter pro Sekunde zum Quadrat) (!98,1 Meter pro Sekunde) (!981 Meter pro Sekunde)

Wie groß ist die Geschwindigkeit nach zwei Sekunden ungefähr? (19,6 Meter pro Sekunde) (!4,9 Meter pro Sekunde) (!9,8 Meter pro Sekunde) (!39,2 Meter pro Sekunde)

Wie verändert sich die Geschwindigkeit beim freien Fall aus der Ruhe? (Sie wächst gleichmäßig) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird gleichmäßig kleiner) (!Sie springt sofort auf den größten Wert)

Wovon ist die Fallbeschleunigung im Vakuum nicht abhängig? (Von der Masse des Körpers) (!Vom Ort) (!Vom Himmelskörper) (!Von der Stärke des Schwerefelds)

Warum fällt ein flaches Blatt Papier in Luft oft langsam? (Wegen des Luftwiderstands) (!Wegen seiner Farbe) (!Wegen seiner Temperatur) (!Wegen seiner Form ohne Einfluss der Luft)

Welche Formel beschreibt die Geschwindigkeit beim freien Fall aus der Ruhe? (v gleich g mal t) (!v gleich g geteilt durch t) (!v gleich t geteilt durch g) (!v gleich g mal t zum Quadrat)

Welche Formel beschreibt die Fallstrecke beim freien Fall aus der Ruhe? (s gleich ein halb mal g mal t zum Quadrat) (!s gleich g mal t) (!s gleich zwei mal g geteilt durch t) (!s gleich ein halb mal t geteilt durch g)

Welche Anfangsgeschwindigkeit hat ein nur losgelassener Körper? (Null Meter pro Sekunde) (!Ein Meter pro Sekunde) (!9,81 Meter pro Sekunde) (!Sie ist immer unbekannt)

Wie lange dauert ein Fall aus fünf Metern Höhe ungefähr? (Eine Sekunde) (!Eine Zehntelsekunde) (!Fünf Sekunden) (!Zehn Sekunden)

Memory

Freier Fall	Nur die Schwerkraft wirkt
Erdbeschleunigung	Beschleunigung durch die Erde
Fallzeit	Dauer des Falls
Fallstrecke	Zurückgelegter Weg
Vakuum	Raum fast ohne Luft
Luftwiderstand	Bremsende Kraft der Luft

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Formelzeichen
Fallzeit	t
Fallstrecke	s
Geschwindigkeit	v
Erdbeschleunigung	g
Masse	m

Kreuzworträtsel

Schwerkraft	Welche Kraft zieht Körper zur Erde?
Vakuum	Wie heißt ein Raum fast ohne Luft?
Fallzeit	Wie heißt die Dauer eines Falls?
Fallstrecke	Wie heißt der beim Fallen zurückgelegte Weg?
Beschleunigung	Welche Größe beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit?
Geschwindigkeit	Welche Größe gibt an, wie schnell sich ein Körper bewegt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Beim freien Fall wirkt nur die auf den Körper.

Nahe der Erdoberfläche beträgt die Fallbeschleunigung ungefähr Meter pro Sekunde zum Quadrat.

Ein losgelassener Körper hat am Anfang die Geschwindigkeit .

Beim Fallen wird seine Geschwindigkeit immer .

Die Fallstrecke wächst mit dem Quadrat der .

Im Vakuum fallen leichte und schwere Körper gleich .

In Luft bremst der den Körper.

Das Formelzeichen für die Fallzeit ist .

Offene Aufgaben

Sicherheit: Arbeite nur mit leichten oder weichen Gegenständen und kleinen Fallhöhen. Halte den Fallbereich frei.

Leicht

1. Begriffsbild: Zeichne einen fallenden Ball und beschrifte Schwerkraft, Fallstrecke und Fallzeit.
2. Papierexperiment: Lass ein flaches und ein zusammengeknülltes Blatt Papier gleichzeitig aus kleiner Höhe fallen. Beschreibe die Beobachtung.
3. Animationsanalyse: Betrachte die Animation am Anfang. Erkläre, woran Du die Beschleunigung erkennst.
4. Formelkarte: Gestalte eine Karte mit den drei Formeln und erkläre jedes Formelzeichen.

Standard

1. Fallzeitmessung: Miss mit einer Partnerperson die Fallzeit eines weichen Balls aus ungefähr einem Meter Höhe. Wiederhole die Messung fünfmal.
2. Messreihe: Vergleiche sichere Fallhöhen und notiere Höhe, gemessene Zeit und berechnete Zeit in einer Tabelle.
3. Weg-Zeit-Diagramm: Zeichne ein Diagramm für die Fallstrecken nach 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 und 1,0 Sekunden.
4. Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, das den Unterschied zwischen freiem Fall und Fall mit Luftwiderstand erklärt.

Schwer

1. Modellkritik: Erkläre, warum die Formeln in der Wirklichkeit nicht immer genau passen.
2. Messunsicherheit: Untersuche mögliche Fehler bei einer Fallzeitmessung und schlage Verbesserungen vor.
3. Mondvergleich: Berechne die Fallzeit aus fünf Metern auf dem Mond mit $g=\mathrm{1,62}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}$ und vergleiche sie mit der Erde.
4. Simulation: Plane eine digitale Simulation, in der Fallhöhe, Erdbeschleunigung und Luftwiderstand verändert werden können.

Lernkontrolle

1. Modell und Wirklichkeit: Ein Ball fällt in einem Versuch langsamer als berechnet. Erkläre mindestens zwei mögliche Ursachen.
2. Transfer zum Mond: Begründe ohne Experiment, warum Hammer und Feder auf dem Mond fast gleichzeitig ankommen.
3. Diagramm deuten: Erkläre, wie Du in einer Bildfolge mit gleichen Zeitabständen eine Beschleunigung erkennst.
4. Versuch planen: Entwickle einen sicheren Versuch, mit dem Du zeigen kannst, dass Luftwiderstand von der Form abhängt.
5. Aussage prüfen: Beurteile die Aussage „Schwere Körper fallen immer schneller“ und nenne die Bedingungen, unter denen sie falsch ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis ist wichtig, dass Du:

1. den freien Fall klar definierst,
2. die Größen $s$, $t$, $v$ und $g$ richtig verwendest,
3. einfache Aufgaben mit den Fallformeln löst,
4. den Einfluss des Luftwiderstands erklärst,
5. Messungen auswertest und mögliche Fehler begründest.

Links

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