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Zielformeln:

Ekin=12mv2,Epot=mgh,WH=12kx2,P=Wt,  1kWh=3,6⋅106J

Gültigkeitsbereich/Annahmen: Beschleunigung mit konstanter Kraft (d. h. a=konst.), Start aus der Ruhe (v0=0); Epot=mgh gilt nur im homogenen Schwerefeld (nahe der Erdoberfläche, kleines h, g als konstant betrachtet); Federenergie nur im elastischen Bereich (linearer Bereich des Hooke-Gesetzes).

★ Maturarelevant: Die Herleitungen von Ekin und Epot wurden in einer echten Prüfung wörtlich verlangt („Ableitungen durchführen", Prüfungsbogen zu Thema 8).

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
W=F→⋅s→Arbeit✅ S. 2 („Arbeit")
F=m⋅aNewton'sches Axiom (Aktionsprinzip)✅ S. 2 („Newton'sches Axiom")
F=m⋅gSchwerkraft (nahe Erdoberfläche)✅ S. 2 („Schwerkraft")
F=−k⋅ΔxHooke-Gesetz / Federkraft✅ S. 2 („Hooke-Gesetz")
Ekin=mv22Kinetische Energie — Zielformel selbst im Heft✅ S. 2 („Kinetische Energie")
Epot=mghPotentielle Energie — Zielformel selbst im Heft✅ S. 2 („Potentielle Energie")
Eelast=kx22Federenergie — Zielformel selbst im Heft✅ S. 2 („Federenergie")
P=ΔWΔtLeistung✅ S. 2 („Leistung")
v=at, s=12at2Bewegungsgleichungen (gleichm. beschleunigt)❌ nicht im Formelnheft — siehe [[Kinematik
kWh-UmrechnungEnergieeinheit❌ nicht im Formelnheft — auswendig: 1kWh=1000W⋅3600s

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

A) ★ Kinetische Energie Ekin=12mv2 (Beschleunigungsarbeit in fünf Schritten) ​

  1. Idee (Definition). Ekin ist definiert als die Arbeit, die nötig ist, um einen Körper der Masse m aus der Ruhe auf die Geschwindigkeit v zu beschleunigen. Beschleunigt werde mit konstanter Kraft F (⇒ a=konst., alle Formeln der gleichmäßig beschleunigten Bewegung sind anwendbar).
  2. Definition der Arbeit (Formelnheft S. 2). Kraft und Weg sind parallel (cos⁡0°=1), das Skalarprodukt wird zum Produkt:W=F⋅s
  3. Kraft einsetzen (Newton'sches Axiom, S. 2): F=m⋅a, alsoW=m⋅a⋅s
  4. Weg einsetzen (gleichmäßig beschleunigt, aus der Ruhe: s=12at2, siehe H01 B):W=m⋅a⋅12at2=12m(at)2(Im letzten Schritt wurde a⋅at2 als (at)2 geschrieben — reine Algebra.)
  5. Geschwindigkeit erkennen (gleichmäßig beschleunigt, aus der Ruhe: v=at, siehe H01 A). (at) durch v ersetzen:W=12mv2=EkinBegründung jedes Schrittes: ① Definition der kinetischen Energie über die Beschleunigungsarbeit; ② Definition der Arbeit; ③ Newton'sches Axiom; ④+⑤ Kinematik der gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Beachte: Ekin ist über v bezugssystemabhängig (relativ).

B) ★ Potentielle Energie Epot=mgh (Hubarbeit) ​

  1. Idee (Definition). Epot ist definiert als die Hubarbeit, die nötig ist, um einen Körper mit konstanter Geschwindigkeit um h anzuheben. Konstante Geschwindigkeit ⇒ Hubkraft gleicht genau die Schwerkraft aus, F=FG (wäre die Hubkraft größer, ginge die überschüssige Arbeit in kinetische Energie — dann wäre es keine reine „Lageenergie" mehr).
  2. Schwerkraft einsetzen (Formelnheft S. 2, nahe der Erdoberfläche): F=FG=m⋅g. Näherung: g wird hier als konstant behandelt — erlaubt nur für h≪RE (von der Oberfläche bis ca. 40 km Höhe ändert sich g nur um ca. 1 %).
  3. Definition der Arbeit (S. 2). Kraft und Weg (senkrecht nach oben) sind parallel, Weglänge s=h:W=F⋅s=mg⋅h
  4. Ergebnis. Diese Arbeit ist als Lageenergie gespeichert:Epot=mghDer Nullpunkt (wo h=0 liegt) ist frei wählbar — messbar sind physikalisch nur Energie-Differenzen. Für große Abstände (Raumfahrt) gilt stattdessen Epot=−GMmr, siehe H06.

C) Federenergie WH=12kx2 (Dreiecksfläche im F-x-Diagramm) ​

  1. Problem benennen. Beim Spannen einer Feder ist die Kraft nicht konstant: Nach dem Hooke-Gesetz (S. 2) wächst die nötige Zugkraft linear mit der Dehnung, F(x′)=k⋅x′ (Beträge; das Minuszeichen besagt nur, dass die Federkraft der Verformung entgegenwirkt). W=F⋅s ist daher nicht direkt anwendbar.
  2. Arbeit = Fläche unter der F-x-Kurve. Analog zu „Weg = Fläche im v-t-Diagramm" (H01): Man zerlegt den Spannvorgang in viele kleine Stücke; in jedem Stück ist die Kraft näherungsweise konstant und verrichtet ≈F(x′)Δx′; die Summe ist die Fläche unter der Kurve. Hier wird der Grenzwert genommen (Stückbreite →0), denn nur so wird „näherungsweise konstant" exakt.
  3. Fläche berechnen. F(x′)=kx′ ist eine Ursprungsgerade; die Fläche unter ihr von 0 bis x ist ein Dreieck: Breite x, Höhe F(x)=kx:WH=12⋅x⋅kx
  4. Zusammenfassen:WH=12kx2Diese Arbeit ist als elastische Energie in der Feder gespeichert (im Formelnheft als Eelast=kx22 — dieselbe Formel).

D) Leistung P=W/t und kWh-Umrechnung ​

  1. Definition (Formelnheft S. 2): Leistung = Arbeit pro Zeit:P=ΔWΔt(bei gleichmäßigem Vorgang kurz P=Wt)Einheit: 1W=1J/s.
  2. Umstellen nach der Energie. Beide Seiten mal t: W=P⋅t — „Leistung × Zeit = Energie".
  3. kWh-Umrechnung (unabhängig nachgerechnet). kWh ist eine Energie-Einheit, keine Leistungseinheit:1kWh=1000W⋅3600s=3600000J=3,6⋅106J✓

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
W, WHArbeit; Spannarbeit der FederJ
EkinKinetische EnergieJ
EpotPotentielle Energie (homogenes Feld)J
FKraft (A: Beschleunigungskraft; B: Hubkraft =FG; C: Zugkraft =kx′)N
FGSchwerkraftN
mMassekg
aBeschleunigung (konstant)m/s²
vEndgeschwindigkeitm/s
sWegm
tZeits
gFallbeschleunigung =9,807 m/s² (Formelnheft S. 1; im Skript meist 9,81)m/s²
hHubhöhem
kFederkonstanteN/m
x, x′Dehnung (Endwert; Laufvariable)m
PLeistungW

Verknüpfungen ​

  • Herleitung der verwendeten Kinematik v=at, s=12at2 → H01
  • Ekin und Epot im Zusammenspiel (Energieerhaltung) → H03
  • Potentielle Energie für große Abstände (−GMm/r, Gravitationsenergie) → H06
  • Skript: Thema 8 §8.5 (Fünf-Schritt-Herleitung, potentielle Energie, Leistung, kWh), Thema 8 §8.4 (Federenergie als Dreiecksfläche)