Gleichförmige Bewegung - Physik


Gleichförmige Bewegung - Physik
Einleitung
Eine gleichförmige Bewegung liegt vor, wenn sich die Geschwindigkeit nicht ändert. Bei einer geradlinigen gleichförmigen Bewegung werden in gleichen Zeitabschnitten gleich große Wege zurückgelegt. Die Beschleunigung ist dabei null.
Ein Beispiel ist ein Fahrzeug, das auf einer geraden Strecke längere Zeit mit gleichbleibender Geschwindigkeit fährt. In der Wirklichkeit ist eine Bewegung meist nur näherungsweise gleichförmig, weil beim Starten, Bremsen oder Lenken die Geschwindigkeit verändert wird.

Ein Tachometer zeigt den Betrag der momentanen Geschwindigkeit an.
Kennzeichen der gleichförmigen Bewegung
Für eine geradlinige gleichförmige Bewegung gilt:
| Größe | Bedeutung | Verhalten |
|---|---|---|
| Weg | zurückgelegte Strecke oder Position | nimmt gleichmäßig zu oder ab |
| Zeit | Dauer der Bewegung | läuft fortlaufend weiter |
| Geschwindigkeit | Wegänderung pro Zeit | bleibt konstant |
| Beschleunigung | Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit | ist null |
Wichtig: Bleibt nur der Betrag der Geschwindigkeit gleich, während sich die Richtung ändert, ist die Bewegung nicht geradlinig gleichförmig. Bei einer Kreisbewegung ändert sich zum Beispiel die Richtung der Geschwindigkeit.

Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung bei einer gleichförmigen Bewegung.
Grundformel
Die Geschwindigkeit wird aus Wegänderung und Zeitdauer berechnet:
Für eine Bewegung mit gleichbleibender Geschwindigkeit gelten außerdem:
Beginnt die Bewegung bei der Position , lautet das Weg-Zeit-Gesetz:
Dabei steht für die Startposition. Bei vereinfacht sich die Formel zu .
Einheiten und Umrechnung
Häufig verwendete Einheiten sind Meter und Kilometer für den Weg sowie Sekunde und Stunde für die Zeit. Geschwindigkeiten werden oft in oder angegeben.
Von nach multiplizierst Du mit . In die andere Richtung teilst Du durch .
Rechenbeispiele
Beispiel 1: Fahrradfahrt
Ein Fahrrad legt in einen Weg von zurück.
Beispiel 2: Laufstrecke
Eine Person läuft in .
Umrechnung:
Weg-Zeit-Diagramm
Im Weg-Zeit-Diagramm steht die Zeit auf der waagerechten Achse und der Weg oder die Position auf der senkrechten Achse. Bei einer gleichförmigen Bewegung entsteht eine Gerade.
Die Steigung der Geraden entspricht der Geschwindigkeit:
Eine steilere Gerade bedeutet einen größeren Geschwindigkeitsbetrag. Eine waagerechte Linie bedeutet Stillstand. Eine fallende Gerade zeigt eine Bewegung in negativer Richtung.

Beispiel eines Weg-Zeit-Diagramms.

Verschiedene Bewegungen im Positions-Zeit-Diagramm.
Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm
Im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm steht die Zeit auf der waagerechten Achse und die Geschwindigkeit auf der senkrechten Achse. Bei konstanter Geschwindigkeit verläuft der Graph waagerecht.
Die Fläche zwischen Graph und Zeitachse entspricht der Ortsänderung:
Liegt der Graph unterhalb der Zeitachse, ist die Geschwindigkeit negativ. Das zeigt eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung.

Verschiedene Bewegungen im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm.

Zusammenhang zwischen Positions-Zeit- und Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm.
Drei Diagramme im Vergleich
Bei der geradlinigen gleichförmigen Bewegung gilt gleichzeitig: Das Weg-Zeit-Diagramm ist eine Gerade, das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm ist waagerecht und das Beschleunigungs-Zeit-Diagramm liegt auf der Nullachse.

Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung derselben gleichförmigen Bewegung.
Messen im Experiment
Eine gleichförmige Bewegung kannst Du näherungsweise untersuchen, indem Du ein Spielzeugfahrzeug oder eine Person beobachtest. Markiere mehrere gleich große Wegabschnitte und miss die benötigten Zeiten. Sind die Zeiten für gleich lange Abschnitte ungefähr gleich, ist die Bewegung in diesem Bereich annähernd gleichförmig.
Eine Messwerttabelle kann so aufgebaut sein:
| Zeit in Sekunden | Weg in Metern | Quotient in Metern pro Sekunde |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 2 |
| 2 | 4 | 2 |
| 3 | 6 | 2 |
| 4 | 8 | 2 |
Der Quotient bleibt konstant. Die Geschwindigkeit beträgt daher .
Abgrenzung zur beschleunigten Bewegung
Bei einer beschleunigten Bewegung ändert sich die Geschwindigkeit. Das kann eine Änderung des Betrags, der Richtung oder beider Größen sein. Beim Anfahren, Bremsen oder Kurvenfahren liegt deshalb keine geradlinige gleichförmige Bewegung vor.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wann ist eine geradlinige Bewegung gleichförmig? (Die Geschwindigkeit bleibt konstant) (!Der Weg bleibt immer null) (!Die Zeit bleibt stehen) (!Die Beschleunigung wird ständig größer)
Welche Formel beschreibt die Geschwindigkeit? (v gleich Wegänderung geteilt durch Zeitdauer) (!v gleich Wegänderung mal Zeitdauer) (!v gleich Zeitdauer geteilt durch Wegänderung) (!v gleich Wegänderung plus Zeitdauer)
Welche Form hat das Weg-Zeit-Diagramm einer gleichförmigen Bewegung? (Eine Gerade mit konstanter Steigung) (!Eine zufällige Zickzacklinie) (!Immer eine waagerechte Linie) (!Immer eine Kreislinie)
Was bedeutet die Steigung im Weg-Zeit-Diagramm? (Sie entspricht der Geschwindigkeit) (!Sie entspricht der Masse) (!Sie entspricht der Temperatur) (!Sie entspricht der Kraft)
Wie verläuft der Graph im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm bei positiver konstanter Geschwindigkeit? (Waagerecht oberhalb der Zeitachse) (!Senkrecht durch den Ursprung) (!Kreisförmig) (!Als fallende Parabel)
Wie groß ist die Beschleunigung bei einer geradlinigen gleichförmigen Bewegung? (Sie ist null) (!Sie ist immer eins) (!Sie wächst mit der Zeit) (!Sie ist gleich dem Weg)
Wie rechnest Du Meter pro Sekunde in Kilometer pro Stunde um? (Mit 3,6 multiplizieren) (!Durch 60 teilen) (!Mit 1000 multiplizieren) (!Durch 3,6 teilen)
Ein Körper legt 20 Meter in 4 Sekunden zurück. Wie groß ist seine Geschwindigkeit? (5 Meter pro Sekunde) (!4 Meter pro Sekunde) (!16 Meter pro Sekunde) (!80 Meter pro Sekunde)
Was zeigt eine fallende Gerade im Weg-Zeit-Diagramm? (Eine Bewegung in negativer Richtung) (!Eine wachsende Masse) (!Eine steigende Temperatur) (!Eine fehlende Zeitmessung)
Was entspricht bei konstanter Geschwindigkeit der Fläche im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm? (Der Ortsänderung) (!Der Masse) (!Der Beschleunigung) (!Der Temperatur)
Memory
| Gleichförmige Bewegung | Konstante Geschwindigkeit |
| Geschwindigkeit | Wegänderung pro Zeitdauer |
| Sekunde | Einheit der Zeit |
| Meter | Einheit des Weges |
| Steigung | Geschwindigkeit im Weg-Zeit-Diagramm |
| Fläche | Ortsänderung im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Gerade mit konstanter Steigung | Weg-Zeit-Diagramm |
| Waagerechte Linie oberhalb der Nullachse | Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm |
| Linie auf der Nullachse | Beschleunigungs-Zeit-Diagramm |
| Steilere Gerade | Größerer Geschwindigkeitsbetrag |
| Fallende Gerade | Negative Bewegungsrichtung |
Kreuzworträtsel
| Geschwindigkeit | Wie heißt die Wegänderung pro Zeitdauer? |
| Strecke | Welche Größe wird häufig mit dem Formelzeichen s beschrieben? |
| Sekunde | Welche SI-Einheit wird für die Zeit verwendet? |
| Steigung | Was entspricht im Weg-Zeit-Diagramm der Geschwindigkeit? |
| Tachometer | Welches Gerät zeigt im Fahrzeug die Geschwindigkeit an? |
| Gerade | Welche Linienform entsteht bei konstanter Geschwindigkeit im Weg-Zeit-Diagramm? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Bewegungsbeobachtung: Finde drei Bewegungen im Alltag und begründe, welche davon näherungsweise gleichförmig sind.
- Messwerttabelle: Miss bei einem kurzen Spaziergang oder einer Fahrt mehrere Zeit-Weg-Paare und trage sie in eine Tabelle ein.
- Einheiten: Sammle fünf Geschwindigkeitsangaben aus Alltag oder Verkehr und rechne sie jeweils in eine andere Einheit um.
- Weg-Zeit-Diagramm: Zeichne für eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit ein passendes Weg-Zeit-Diagramm.
Standard
- Experiment: Untersuche ein Spielzeugfahrzeug auf einer geraden Bahn und entscheide anhand Deiner Messwerte, ob es sich annähernd gleichförmig bewegt.
- Diagrammanalyse: Erstelle zu einer eigenen Wertetabelle ein Weg-Zeit- und ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm.
- Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, in dem Du die Formel für die Geschwindigkeit mit einem Beispiel erklärst.
- Fehleranalyse: Erfinde eine fehlerhafte Rechnung zur gleichförmigen Bewegung und erkläre anschließend, wie sie verbessert werden muss.
Schwer
- Modellbildung: Vergleiche eine reale Fahrradfahrt mit dem Modell der geradlinigen gleichförmigen Bewegung und benenne die Grenzen des Modells.
- Videobewegungsanalyse: Filme eine Bewegung aus fester Kameraposition, bestimme Positionen zu mehreren Zeitpunkten und werte sie grafisch aus.
- Versuchsplanung: Plane einen Versuch, mit dem zwei verschiedene Bewegungen hinsichtlich ihrer Gleichförmigkeit verglichen werden können.
- Transferaufgabe: Entwickle eine eigene Sachaufgabe mit Startposition, negativer Geschwindigkeit und zwei verschiedenen Darstellungen.


Lernkontrolle
- Modell und Wirklichkeit: Erkläre, warum eine Autofahrt mit Tempomat trotz annähernd konstantem Tachowert nicht immer eine geradlinige gleichförmige Bewegung ist.
- Diagrammtransfer: Zeichne zu einem waagerechten Graphen im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm den passenden Graphen im Weg-Zeit-Diagramm und begründe Deine Darstellung.
- Vergleich: Zwei Personen legen denselben Weg zurück, benötigen aber unterschiedliche Zeiten. Begründe mit Formel und Diagramm, wer schneller ist.
- Messunsicherheit: Messwerte liefern leicht unterschiedliche Geschwindigkeiten. Entscheide, ob die Bewegung trotzdem als näherungsweise gleichförmig beschrieben werden kann, und begründe Deine Kriterien.
- Richtungswechsel: Erkläre, weshalb eine Bewegung mit konstantem Geschwindigkeitsbetrag nach einer Kurve nicht mehr geradlinig gleichförmig ist.
- Alltagsproblem: Plane eine Methode, mit der Du ohne Tachometer die mittlere Geschwindigkeit eines Fahrrads auf einem geraden Abschnitt bestimmen kannst.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- Begriffsklärung: die geradlinige gleichförmige Bewegung korrekt beschreiben kannst.
- Formelanwendung: Weg, Zeit oder Geschwindigkeit mit passenden Einheiten berechnen kannst.
- Einheitenumrechnung: zwischen Metern pro Sekunde und Kilometern pro Stunde sicher umrechnen kannst.
- Diagrammkompetenz: Weg-Zeit-, Geschwindigkeits-Zeit- und Beschleunigungs-Zeit-Diagramme deuten kannst.
- Experimentelle Kompetenz: Messwerte aufnehmen, tabellarisch darstellen und kritisch bewerten kannst.
- Transfer: reale Bewegungen mit dem physikalischen Modell vergleichen und Modellgrenzen erklären kannst.
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