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Zielformeln:

v=2gh,h=v22g

Gültigkeitsbereich/Annahmen: abgeschlossenes System (reibungsfrei, Luftwiderstand vernachlässigt); homogenes Schwerefeld nahe der Erdoberfläche (g=konst., h≪RE); freier Fall aus der Ruhe (v0=0).

★ Maturarelevant: h=v2/(2g) ist genau die Boeing-Zusatzfrage aus der echten Prüfung („In welcher Höhe wären beide Energieformen gleich groß?").

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
Ekin=mv22Kinetische Energie✅ S. 2 („Kinetische Energie")
Epot=mghPotentielle Energie✅ S. 2 („Potentielle Energie")
Eges=Ekin+Epot=konst.Energieerhaltungssatz❌ nicht im Formelnheft (nur die einzelnen Energieformen stehen drin) — den Satz selbst muss man bei der Prüfung formulieren
v=2gh, h=v22gEndgeschwindigkeit des Falls / Gleichenergiehöhe❌ nicht im Formelnheft — bei der Prüfung selbst herleiten (siehe unten)

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

A) Endgeschwindigkeit des freien Falls v=2gh (die Masse kürzt sich!) ​

  1. Erhaltungssatz und zwei Zustände anschreiben. Im abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie erhalten. Verglichen werden Start (Höhe h, in Ruhe) und Aufprall (Höhe 0, Geschwindigkeit v):
    • Start: Eges=Epot=mgh (v0=0 ⇒ Ekin=0; Nullpunkt am Boden gewählt).
    • Aufprall: Eges=Ekin=12mv2 (h=0 ⇒ Epot=0).
  2. Gleichsetzen (Energieerhaltung: beide Zustände haben dieselbe Gesamtenergie, keine Reibungsverluste):mgh=12mv2
  3. Masse m kürzen (beide Seiten durch m dividieren, erlaubt wegen m>0):gh=12v2Das ist der Kernpunkt: Die Endgeschwindigkeit ist massenunabhängig — schwere und leichte Körper fallen (im Vakuum) gleich schnell, im Einklang mit Galilei.
  4. Beide Seiten mal 2 (Bruch beseitigen):v2=2gh
  5. Wurzel ziehen (positive Wurzel, da der Geschwindigkeitsbetrag v≥0 ist):v=2gh
  6. Unabhängige Kontrolle (Quervergleich mit H01): Nach H01 gilt bei t=2,5 s: h≈30,7 m, v≈24,5 m/s. Einsetzen: 2⋅9,81⋅30,7=602,3≈24,5 m/s ✓ — Kinematik und Energiemethode liefern dasselbe. Größenordnungsbeispiel (Regentropfen aus dem Skript): Ohne Luftwiderstand erreichte ein Tropfen aus h=2000 m: v=2⋅9,81⋅2000≈198 m/s ✓ (real nur 7–9 m/s wegen Endgeschwindigkeit).

B) ★ Gleichenergiehöhe h=v22g (Boeing-Zusatzfrage) ​

Frage: Ein Flugzeug fliegt mit Geschwindigkeit v — in welcher Höhe gilt Epot=Ekin?

  1. Bedingung anschreiben (die Aufgabe verlangt Gleichheit beider Energieformen):mgh=12mv2
  2. Masse m kürzen (beide Seiten durch m) — die Antwort ist unabhängig davon, wie schwer das Flugzeug ist:gh=12v2
  3. Nach h auflösen (beide Seiten durch g):h=v22g(Formal ist das Schritt 4 von A, nach h aufgelöst — zwei Lesarten derselben Gleichung. Strukturgleich mit der Bremsstrecke SB=v2/(2aB): ersetze aB→g.)
  4. Prüfungszahlen (unabhängig nachgerechnet): v=946 km/h =946/3,6≈262,8 m/s:h=262,822⋅9,81≈6906019,62≈3520 m(Das Skript gibt ≈3519 m — mit dem ungerundeten v=946/3,6 gerechnet; reine Rundungsdifferenz, ca. 3,5 km.) ✓
  5. Bonus fürs Prüfungsgespräch (philosophischer Haken des Lehrers): In der gleichförmig fliegenden Kabine kann man durch kein Experiment feststellen, dass beide Energieformen gerade gleich sind — Ekin ist bezugssystemabhängig, und alle gleichförmig bewegten Bezugssysteme sind gleichberechtigt (Relativitätsprinzip).

C) Energiekreislauf von Fadenpendel und springendem Ball (qualitativ + Formeln) ​

Fadenpendel: Beim idealen Pendel (keine Reibung, kein Luftwiderstand) wandeln sich die beiden Energieformen periodisch ineinander um, die Summe bleibt konstant:

  1. Höchste Punkte (Umkehrpunkte): v=0 ⇒ Ekin=0; die gesamte Energie steckt in Epot=mgh (h = Anhebung gegenüber dem tiefsten Punkt).
  2. Tiefster Punkt: h=0 ⇒ Epot=0; die gesamte Energie steckt in Ekin=12mvmax2.
  3. Aus derselben Gleichung wie in A (mgh=12mvmax2, m kürzt sich) folgen Talgeschwindigkeit und Steighöhe:vmax=2gh,h=vmax22g⇒ Das ideale Pendel kehrt immer auf dieselbe Höhe zurück (direkte Folge der Energieerhaltung).
  4. Reales Pendel: Reibung und Luftwiderstand entziehen pro Periode etwas mechanische Energie (→ Wärme) ⇒ die Amplitude klingt langsam ab — die Energie verschwindet nicht, sie verlässt nur das Konto „kinetisch + potentiell".

Springender Ball: Beim Fallen Epot→Ekin; beim Aufprall wird die kinetische Energie kurz zu Verformungsenergie (elastischer Energie) und wieder zurück; beim Aufsteigen Ekin→Epot. Bei jedem Aufprall geht ein Teil in Wärme und Schall (nicht vollständig elastisch) ⇒ die Sprunghöhe nimmt von Mal zu Mal ab; nur ein ideal elastischer Ball erreichte wieder die Ausgangshöhe h=v2/(2g).

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
EkinKinetische EnergieJ
EpotPotentielle EnergieJ
EgesGesamtenergie (im abgeschlossenen System erhalten)J
mMasse (kürzt sich in jeder Herleitung)kg
vGeschwindigkeit (A: Endgeschwindigkeit; B: Fluggeschwindigkeit)m/s
vmaxPendelgeschwindigkeit im tiefsten Punktm/s
hHöhe (relativ zum gewählten Nullpunkt)m
gFallbeschleunigung =9,807 m/s² (Formelnheft S. 1; im Skript 9,81)m/s²

Verknüpfungen ​

  • Herkunft der Energieformeln (Herleitung von Ekin, Epot) → H02
  • Strukturgleiche Formel SB=v2/(2aB) (ersetze g→aB) → H01
  • Dieselbe Energiemethode für große Abstände im Gravitationsfeld (Fluchtgeschwindigkeit) → H06
  • Skript: Thema 8 §8.5 Energieerhaltung (v=2gh, Boeing-Frage, Bezugssystem-Diskussion), Thema 5 §5.2 (Regentropfen-Beispiel 198 m/s)