Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, G-Niveau

Die schiefe Ebene - Physik

Einleitung

Die schiefe Ebene ist eine der einfachen Maschinen. Sie hilft Dir, einen Körper mit einer kleineren Kraft anzuheben oder abzusenken. Dafür wird der Weg länger. Typische Beispiele sind Rampen, Serpentinenstraßen, Laderampen und Treppenersatzrampen.

Ohne Reibung gilt die Goldene Regel der Mechanik: Was Du an Kraft sparst, musst Du an Weg zusetzen. Die verrichtete mechanische Arbeit bleibt dabei gleich.

Aufbau und Größen

Eine schiefe Ebene bildet mit dem Boden ein rechtwinkliges Dreieck. Wichtige Größen sind:

Länge $l$ : Weg entlang der Ebene
Höhe $h$ : überwundener Höhenunterschied
Grundseite $b$ : waagerechte Strecke
Winkel $α$ : Neigungswinkel
Masse $m$ : Masse des Körpers

Für das Dreieck gelten:

$\sin (α) = \frac{h}{l}$

$\cos (α) = \frac{b}{l}$

$\tan (α) = \frac{h}{b}$

Je größer der Winkel $α$ ist, desto steiler ist die Ebene.

Kräfte auf der schiefen Ebene

Die Gewichtskraft wirkt immer senkrecht nach unten. Ihr Betrag ist:

$F_{G} = m \cdot g$

Dabei ist $g \approx 9,81 \frac{m}{s^{2}}$ die Erdbeschleunigung. Für viele Schulaufgaben wird näherungsweise $g \approx 10 \frac{m}{s^{2}}$ verwendet.

Die Gewichtskraft wird in zwei Komponenten zerlegt:

Hangabtriebskraft $F_{H}$ : wirkt parallel zur Ebene nach unten
Normalkraft $F_{N}$ : wirkt senkrecht zur Ebene

Es gilt:

$F_{H} = F_{G} \cdot \sin (α)$

$F_{N} = F_{G} \cdot \cos (α)$

Bei einer flachen Ebene ist die Hangabtriebskraft klein. Bei einer steilen Ebene wird sie größer.

Warum wird die benötigte Zugkraft kleiner?

Soll ein Körper ohne Reibung gleichförmig nach oben gezogen werden, muss die Zugkraft die Hangabtriebskraft ausgleichen:

$F_{Z} = F_{H} = m \cdot g \cdot \sin (α)$

Weil $\sin (α) = \frac{h}{l}$ gilt, folgt:

$F_{Z} = m \cdot g \cdot \frac{h}{l}$

Eine längere und flachere Rampe verringert also die nötige Kraft.

Reibung

Reibung wirkt einer Bewegung oder einer drohenden Bewegung entgegen. Auf der schiefen Ebene unterscheidest Du besonders zwischen Haftreibung und Gleitreibung.

Die maximale Haftreibung ist:

$F_{R, H, \max} = μ_{H} \cdot F_{N}$

Die Gleitreibung ist näherungsweise:

$F_{R, G} = μ_{G} \cdot F_{N}$

Dabei sind $μ_{H}$ und $μ_{G}$ Reibungskoeffizienten. Sie hängen von den berührenden Oberflächen ab.

Ein Körper beginnt abwärts zu rutschen, wenn die Hangabtriebskraft größer als die maximale Haftreibung ist:

$F_{H} > F_{R, H, \max}$

Am Grenzfall des Losrutschens gilt:

$\tan (α) = μ_{H}$

Bewegung und Beschleunigung

Ohne Reibung beschleunigt ein gleitender Körper die Ebene hinunter mit:

$a = g \cdot \sin (α)$

Mit Gleitreibung und Bewegung nach unten gilt:

$a = g \cdot (\sin (α) - μ_{G} \cdot \cos (α))$

Die Formel setzt voraus, dass der Körper tatsächlich abwärts gleitet und weitere Kräfte wie Luftwiderstand vernachlässigt werden.

Arbeit, Energie und Goldene Regel

Ohne Reibung ist die Arbeit beim direkten Anheben und beim Hochschieben auf der schiefen Ebene gleich:

$W = m \cdot g \cdot h$

Für die schiefe Ebene gilt zugleich:

$W = F_{Z} \cdot l$

Daraus folgt:

$F_{Z} \cdot l = m \cdot g \cdot h$

Die Kraft wird kleiner, der Weg wird länger. Die ideale Kraftübersetzung ist:

$\frac{F_{G}}{F_{Z}} = \frac{l}{h}$

Bei Reibung muss zusätzlich Reibungsarbeit verrichtet werden:

$W_{R} = F_{R} \cdot l$

Ein Teil der mechanischen Energie wird dabei in thermische Energie umgewandelt.

Rechenbeispiel

Ein Klotz mit $m = 2,0 k g$ liegt auf einer Ebene mit $α = 3 0^{\circ}$ . Der Gleitreibungskoeffizient beträgt $μ_{G} = 0,20$ .

Gewichtskraft:

$F_{G} = m \cdot g = 2,0 k g \cdot 9,81 \frac{m}{s^{2}} = 19,62 N$

Hangabtriebskraft:

$F_{H} = 19,62 N \cdot \sin (3 0^{\circ}) = 9,81 N$

Normalkraft:

$F_{N} = 19,62 N \cdot \cos (3 0^{\circ}) \approx 16,99 N$

Gleitreibung:

$F_{R, G} = 0,20 \cdot 16,99 N \approx 3,40 N$

Resultierende Kraft:

$F_{r e s} = F_{H} - F_{R, G} \approx 6,41 N$

Beschleunigung:

$a = \frac{F_{r e s}}{m} \approx 3,21 \frac{m}{s^{2}}$

Experiment: Bewegung auf einer Rampe

Du kannst die schiefe Ebene mit einem Brett, Büchern, einem kleinen Wagen, Maßband und Stoppuhr untersuchen. Sichere den Aufbau gegen Verrutschen.

Miss die Länge $l$ und die Höhe $h$ .
Berechne den Winkel mit $\sin (α) = \frac{h}{l}$ .
Lass den Wagen aus derselben Startposition los.
Miss die Zeit für eine festgelegte Strecke mehrfach.
Verändere die Höhe und vergleiche die Messwerte.
Erkläre, wie sich die Beschleunigung mit dem Winkel verändert.

Galileo Galilei nutzte geneigte Bahnen, um beschleunigte Bewegungen langsamer und damit besser messbar zu machen.

Anwendungen im Alltag und in der Technik

Rampe: Überwindet Höhenunterschiede mit geringerer Kraft.
Serpentine: Verlängert den Weg und verringert die Steigung einer Straße.
Keil: Zwei gegeneinander gesetzte schiefe Ebenen trennen oder heben Material.
Schraube: Ihr Gewinde kann als aufgewickelte schiefe Ebene betrachtet werden.
Förderband: Transportiert Güter auf einer geneigten Strecke.
Rutsche: Nutzt die Hangabtriebskraft für eine beschleunigte Bewegung.

Merksätze

Je größer der Neigungswinkel, desto größer ist die Hangabtriebskraft.
Je kleiner der Neigungswinkel, desto kleiner ist die nötige Zugkraft.
Die Normalkraft ist auf einer schiefen Ebene kleiner als die Gewichtskraft.
Reibung wirkt einer Bewegung oder Bewegungsabsicht entgegen.
Ohne Reibung bleibt die mechanische Arbeit beim Anheben gleich.
Eine schiefe Ebene spart Kraft, aber keinen idealen Arbeitsaufwand.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Kraft wirkt parallel zur schiefen Ebene nach unten? (Hangabtriebskraft) (!Normalkraft) (!Auftriebskraft) (!Zentripetalkraft)

Wie berechnet man die Gewichtskraft? (Masse mal Erdbeschleunigung) (!Masse geteilt durch Weg) (!Arbeit mal Zeit) (!Geschwindigkeit mal Höhe)

Welche Formel beschreibt die Hangabtriebskraft? (Gewichtskraft mal Sinus des Winkels) (!Gewichtskraft mal Kosinus des Winkels) (!Normalkraft geteilt durch Masse) (!Reibungskraft mal Weg)

Welche Formel beschreibt die Normalkraft? (Gewichtskraft mal Kosinus des Winkels) (!Gewichtskraft mal Sinus des Winkels) (!Masse mal Geschwindigkeit) (!Arbeit geteilt durch Zeit)

Was geschieht bei größerem Neigungswinkel mit der Hangabtriebskraft? (Sie wird größer) (!Sie wird immer null) (!Sie wird kleiner) (!Sie bleibt stets gleich)

Was besagt die Goldene Regel der Mechanik? (Kraftersparnis erfordert einen längeren Weg) (!Kraftersparnis verkürzt immer den Weg) (!Arbeit entsteht ohne Energie) (!Reibung vergrößert den Wirkungsgrad)

Wovon hängt die Reibungskraft auf der schiefen Ebene direkt ab? (Von Normalkraft und Reibungskoeffizient) (!Nur von der Höhe) (!Nur von der Zeit) (!Von der Farbe des Körpers)

Wann beginnt ein Körper abwärts zu rutschen? (Wenn die Hangabtriebskraft die maximale Haftreibung übersteigt) (!Wenn die Normalkraft größer als die Gewichtskraft ist) (!Wenn keine Gewichtskraft wirkt) (!Wenn der Neigungswinkel immer null ist)

Wie lautet die Beschleunigung ohne Reibung? (Erdbeschleunigung mal Sinus des Winkels) (!Erdbeschleunigung mal Kosinus des Winkels) (!Masse mal Höhe) (!Kraft mal Zeit)

Was geschieht bei Reibung mit einem Teil der mechanischen Energie? (Sie wird in thermische Energie umgewandelt) (!Sie verschwindet vollständig) (!Sie wird zu Masse) (!Sie wird ausschließlich zu Licht)

Memory

Hangabtriebskraft	Wirkt parallel zur Ebene nach unten
Normalkraft	Wirkt senkrecht zur Ebene
Haftreibung	Verhindert zunächst das Rutschen
Gleitreibung	Wirkt während des Gleitens
Neigungswinkel	Bestimmt die Steilheit
Goldene Regel	Kraft sparen bedeutet Weg zusetzen
Rampe	Anwendung einer schiefen Ebene

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gewichtskraft	Wirkt senkrecht nach unten
Hangabtriebskraft	Wirkt entlang der Ebene abwärts
Normalkraft	Wirkt senkrecht zur Oberfläche
Reibungskraft	Wirkt der Bewegung entgegen
Zugkraft	Kann einen Körper aufwärts bewegen

Kreuzworträtsel

Hangabtriebskraft	Welche Kraft zieht einen Körper parallel zur Ebene nach unten?
Normalkraft	Welche Kraft wirkt senkrecht zur Oberfläche?
Reibung	Welche Wirkung hemmt eine Bewegung zwischen Oberflächen?
Neigungswinkel	Welche Größe beschreibt die Steilheit der Ebene?
Arbeit	Welche physikalische Größe ist Kraft mal Weg?
Rampe	Welche Alltagseinrichtung ist eine schiefe Ebene?

LearningApps

Lückentext

Eine schiefe Ebene ermöglicht das Überwinden einer Höhe mit kleinerer

. Die Gewichtskraft wirkt stets senkrecht nach

. Die Komponente parallel zur Ebene heißt

. Die Komponente senkrecht zur Ebene heißt

. Mit wachsendem Neigungswinkel wird die Hangabtriebskraft

. Haftreibung kann das Losrutschen zunächst

. Ohne Reibung lautet die Beschleunigung abwärts

a = g \cdot \sin (α)

und hängt damit vom

ab. Nach der Goldenen Regel muss man für eine Kraftersparnis einen längeren

zurücklegen. Bei Reibung wird ein Teil der mechanischen Energie in

umgewandelt.

Offene Aufgaben

Leicht

Schiefe Ebene im Alltag: Fotografiere drei schiefe Ebenen in Deiner Umgebung und beschreibe ihre Funktion.
Kräftebild: Zeichne einen Klotz auf einer Rampe und trage Gewichtskraft, Normalkraft und Hangabtriebskraft ein.
Rampenmodell: Baue aus Karton eine kleine Rampe und untersuche, wie sich ein Spielzeugauto darauf bewegt.
Begriffe erklären: Erstelle Lernkarten zu Gewichtskraft, Hangabtriebskraft, Normalkraft und Reibung.

Standard

Messreihe: Miss die Rollzeit eines Wagens bei mindestens vier verschiedenen Höhen und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
Reibungsvergleich: Vergleiche Holz, Stoff und Sandpapier als Unterlagen und begründe die Unterschiede.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zur Kräftezerlegung auf der schiefen Ebene.
Rampenplanung: Entwirf eine Rampe für einen vorgegebenen Höhenunterschied und berechne Länge sowie Neigungswinkel.

Schwer

Beschleunigungsmodell: Leite die Formel für die Beschleunigung mit Gleitreibung her und erläutere jeden Schritt.
Videoanalyse: Filme einen rollenden Wagen, bestimme Weg und Zeit aus Einzelbildern und untersuche die Beschleunigung.
Wirkungsgrad: Bestimme experimentell die zugeführte Arbeit und die nutzbare Lageenergie einer Rampe.
Technikvergleich: Vergleiche Rampe, Flaschenzug und Hebel hinsichtlich Kraft, Weg, Arbeit und praktischer Anwendung.

Lernkontrolle

Transfer Rampenlänge: Eine Rampe soll dieselbe Höhe erreichen, aber nur halb so steil sein. Erkläre qualitativ, wie sich Länge, Zugkraft und Weg verändern.
Kräfteanalyse: Begründe mit einem Kräftebild, warum ein Klotz auf einer sehr flachen rauen Ebene liegen bleiben kann.
Fehleranalyse: Eine Person behauptet, die Normalkraft sei auf jeder schiefen Ebene gleich der Gewichtskraft. Widerlege die Aussage.
Energievergleich: Vergleiche das direkte Hochheben eines Körpers mit dem Hochschieben auf einer rauen Rampe.
Versuchsplanung: Entwickle einen Versuch, mit dem Du den Haftreibungskoeffizienten aus dem Grenzwinkel des Losrutschens bestimmst.
Alltagsbeurteilung: Erkläre, weshalb Bergstraßen häufig in Serpentinen verlaufen und welche Nachteile dadurch entstehen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

eine schiefe Ebene beschreiben und wichtige Größen benennen kannst,
Gewichtskraft, Hangabtriebskraft und Normalkraft unterscheiden kannst,
Kräfte mit Sinus und Kosinus berechnen kannst,
Haftreibung und Gleitreibung sinnvoll berücksichtigst,
Beschleunigung auf der schiefen Ebene bestimmen kannst,
Arbeit und Energie mit der Goldenen Regel verknüpfen kannst,
Messdaten aus einem Experiment auswerten kannst,
Anwendungen aus Alltag und Technik physikalisch beurteilen kannst.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Die schiefe Ebene - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.