Blatt für Lehrkräfte · 15–16 Jahre · etwa 45–50 Minuten
Schwerkraft: von fallenden Äpfeln bis zum Wiegen der Erde
Lektionsseite: echoesof.science/school/de/gravity/ages-15-16/ · Arbeitsblatt für Schülerinnen und Schüler: echoesof.science/school/de/gravity/ages-15-16/print/
Lernziele
- F = Gm₁m₂/r² und das Abstandsquadratgesetz anwenden.
- g = GM/R² herleiten und erklären, warum g nicht von der fallenden Masse abhängt.
- t = √(2h/g) für den freien Fall auf verschiedenen Himmelskörpern nutzen.
- g mit einem Pendel messen, mit einem linearen Diagramm (T² gegen L) und einer Fehlerbetrachtung.
- Erkennen, wie sich Belege und Geschichten in der Wissenschaftsgeschichte unterscheiden (Pisa, Delft, der Apfel).
Stundenverlauf
| Zeit | Aktivität |
|---|---|
| 5 Min. | Einstieg: zwei Kugeln unterschiedlicher Masse fallen lassen. Vorhersagen, beobachten, erklären. |
| 10 Min. | Text lesen und besprechen; g = GM/R² herleiten. |
| 25 Min. | Pendelversuch zu zweit, 4 Längen × 3 Messungen. |
| 5 Min. | Diagramm T² gegen L, g berechnen, in der Klasse vergleichen. |
| 5 Min. | Quiz oder das Spiel „Versorgungsabwurf“ als Hausaufgabe. |
Material für den Versuch
- Fester Faden, etwa 1,2 m
- Ein kleiner, schwerer Pendelkörper (eine große Mutter oder ein paar Unterlegscheiben)
- Ein Stativ mit Klemme oder ein stabiler Haken in einem Türrahmen
- Ein Meterstab
- Eine Stoppuhr (oder ein Handy)
- Ein Winkelmesser
Sicherheit: Sorge dafür, dass das Stativ nicht umkippen kann (Fuß festklemmen oder beschweren). Halte das Gesicht vom schwingenden Pendelkörper fern.
Häufige Fehlvorstellungen
| Schülerinnen und Schüler denken vielleicht… | Tatsächlich… |
|---|---|
| Schwerere Körper beschleunigen schneller. | Die Kraft ist größer, aber a = F/m ist gleich. |
| Im Orbit gibt es keine Schwerkraft. | g in 400 km Höhe beträgt etwa 89 % des Werts an der Oberfläche; ein Orbit ist freier Fall. |
| Die Pendelperiode hängt von der Masse oder dem Ausschlag ab. | Bei kleinen Winkeln (unter etwa 15°) hängt sie nur von L und g ab. |
| Galileis Fallversuch in Pisa ist eine bewiesene Tatsache. | Er stützt sich auf eine einzige spätere Biografie; Stevins Fallversuch von 1586 in Delft ist dokumentiert. |
Lösungen zum Arbeitsblatt
- F = G·m₁·m₂/r²: F Kraft (N), G = 6,674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg², m₁ und m₂ Massen (kg), r Abstand der Mittelpunkte (m).
- F = GMm/R² und a = F/m, also a = GM/R², ohne m.
- Erde: t = √(90/9,8) ≈ 3,0 s. Mars: t = √(90/3,7) ≈ 4,9 s.
- Erwartet 9,5–10,1 m/s². Fehler: Reaktionszeit (20 Schwingungen stoppen, wiederholen), L bis zur Mitte des Pendelkörpers messen, zu großer Ausschlag (unter 15° bleiben), wackelndes Stativ.
Lösungen zum Quiz
- Der Abstand zwischen zwei Massen verdoppelt sich. Die Gravitationskraft wird… 4-mal kleiner. F ∝ 1/r², also (1/2)² = 1/4.[5]
- Warum fällt eine schwere Kugel (ohne Luft) mit derselben Beschleunigung wie eine leichte? Die größere Kraft wird durch die größere Masse ausgeglichen (a = F/m). F = GMm/R² und a = F/m, also a = GM/R²: m kürzt sich heraus.[5]
- In der Höhe der Raumstation (etwa 400 km) beträgt die Schwerkraft etwa… 90 % des Werts an der Oberfläche. Die NASA nennt 88,8 % in etwa 400 km Höhe.[4]
- Wer veröffentlichte 1586 einen dokumentierten Fallversuch mit zwei Bleikugeln unterschiedlichen Gewichts? Simon Stevin, in Delft. Stevin und De Groot ließen sie vom Kirchturm in Delft fallen; die Pisa-Geschichte stützt sich auf eine einzige spätere Biografie.[10]
- Ein Pendel wird 4-mal so lang. Seine Periode wird… 2-mal so lang. T ∝ √L, und √4 = 2.[7]
- Ein Körper fällt auf dem Mond 20 m tief (g = 1,6 m/s²). Wie lange fällt er? 5,0 s. t = √(2h/g) = √(40/1,6) = √25 = 5,0 s.[6][2]
Weiterführend
Mit dem Spiel „Versorgungsabwurf“: Wie weit vor dem Ziel muss man bei 100 m Höhe und 20 m/s auf jedem Himmelskörper abwerfen? Im Spiel überprüfen. Danach das Spiel Newton's Cannon auf echoesof.science ausprobieren.
Quellen dieser Lektion
- [2] Planetary Fact Sheet (Metric) (NASA Space Science Data Coordinated Archive): Zuverlässigkeit Hoch
- [4] What Is Microgravity? (NASA): Zuverlässigkeit Hoch
- [5] College Physics 2e, 6.5 Newton's Universal Law of Gravitation (OpenStax, Rice University): Zuverlässigkeit Hoch
- [6] University Physics Volume 1, 3.5 Free Fall (OpenStax, Rice University): Zuverlässigkeit Hoch
- [7] University Physics Volume 1, 15.4 Pendulums (OpenStax, Rice University): Zuverlässigkeit Hoch
- [8] June 1798: Cavendish weighs the world (APS News, American Physical Society): Zuverlässigkeit Hoch
- [9] Story of Newton's encounter with apple goes online (Phys.org (news report, 2010)): Zuverlässigkeit Eher hoch
- [10] Galileo Galilei's and Simon Stevin's experiments (John Plaice (Substack essay)): Zuverlässigkeit Mittel
- [11] The Delft Tower Experiment (Amusing Planet (popular history site, 2024)): Zuverlässigkeit Mittel
Vollständige Liste mit Links und einer Einschätzung der Zuverlässigkeit jeder Quelle: echoesof.science/school/de/gravity/sources/
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