Zielformel:
Gültigkeitsbereich / Annahmen:
ist kugelsymmetrisch verteilt (Schalentheorem: das Außenfeld einer kugelsymmetrischen Masse ist identisch mit dem einer Punktmasse im Zentrum — genau das rechtfertigt den Abstand „zum Massenmittelpunkt"). vom Massenmittelpunkt aus, mit Radius des Himmelskörpers (Außenfeld). - Newtonsche Gravitation (schwaches Feld); Zentrifugaleffekt der Rotation vernachlässigt (daher die kleinen Breitenunterschiede von
an der Erdoberfläche).
Verwendete Formeln
| Formel | Name | Formelnheft |
|---|---|---|
| Gewichtskraft | ✅ S. 2 („ | |
| Gravitationsgesetz | ✅ S. 2 („Gravitationsgesetz") | |
| Gravitationsfeldstärke | ❌ nicht im Formelnheft — in der Prüfung selbst herleiten (genau diese Herleitung, zwei Zeilen) |
Herleitung (Schritt für Schritt)
- Für eine Probemasse
an der Oberfläche dieselbe Kraft auf zwei Arten schreiben (Gewichtskraft und Gravitationsgesetz beschreiben ein und dieselbe Kraft — das Gleichsetzen ist physikalische Identität, keine Näherung): - Probemasse
kürzen (auf beiden Seiten linear, ; physikalische Bedeutung: ist unabhängig von der Probemasse — Eigenschaft des Feldes, nicht des Körpers; genau deshalb fallen im Vakuum alle Körper gleich schnell): heißt Gravitationsfeldstärke (Ortsfaktor, Einheit m/s² bzw. gleichwertig N/kg): erzeugt das Feld, ist der Abstand zu seinem Massenmittelpunkt.
„Wiegen der Erde": nach Cavendishs Messung von ★
Newton kannte
Schritt 2 nach
auflösen (beide Seiten mal ; mit , also an der Erdoberfläche): Zahlenprobe (alle Werte aus dem Formelnheft S. 1:
m/s², m, N·m²/kg²): ✓
Probe: stimmt mit
kg aus dem Formelnheft S. 1 überein (Abweichung <0,2 %, durch Rundung und den Rotationsanteil in ). Darum sagt man, Cavendish habe „die Erde gewogen" — sein eigentliches Ziel war die Dichte der Erde, fiel dabei mit ab.
Mond: m/s² — über das Verhältnis
- Dieselbe Formel für den Mond ansetzen und durch die Erd-Version teilen (Vorteil der Verhältnismethode:
kürzt sich, es bleiben Massen- und Radienverhältnis; Monddaten kg, m aus dem Skript, nicht im Formelnheft): - Zahlen einsetzen:
(Direkt eingesetzt: m/s² — beide Wege stimmen überein.) Auf dem Mond wiegt man nur ein Sechstel — die Masse bleibt gleich.
Variablentabelle
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Gravitationsfeldstärke (Ortsfaktor); an der Erdoberfläche | m/s² = N/kg | |
| Probemasse (wird gekürzt) | kg | |
| felderzeugende (Zentral-)Masse | kg | |
| Abstand zum Massenmittelpunkt von | m | |
| Gravitationskonstante | N·m²/kg² | |
| Erdmasse | kg | |
| Erdradius | m | |
| Mondmasse | kg | |
| Mondradius | m |
Verknüpfungen
- H07 — dasselbe Schema „zwei Kräfte gleichsetzen,
kürzen"; nach der Messung von führen beide Wege zum „Wiegen" von Himmelskörpern: H08 über das Oberflächen- , H07 über die Bahn eines Umlaufenden. - H09 — die Kombination
taucht im Schwarzschildradius wieder auf. - Thema 11 §11.2 — Skript-Fassung (inkl. Gezeiten-Nachfrage); §11.3 „Wiegen der Erde".
- Thema 4 §4.2 — Drehwaage und Auswertung Schritt für Schritt.