Mechanik

Kinematik, Dynamik, Impuls, Kreisbewegung und Rotation, spezielle Relativitästheorie

Leistungskurs Klasse 11

Die Schüler vertiefen und erweitern ihre Kenntnisse aus der Mechanik.Während im vorangegangenen Physikunterricht die Erkenntnisse weitgehend durch Auswertung von Beobachtungen und Experimenten gewonnen wurden, steht jetzt die mathematische Durchdringung als wichtiges Element der Auswertung und Theoriebildung im Vordergrund. Dabei kommt dem deduktiven Ableiten eine große Bedeutung zu. Die Schüler werden befähigt, auch umfangreichere Herleitungen zu verstehen, nachzuvollziehen und an einfachen Beispielen selbständig auszuführen.
Die Experimente finden im stärkeren Maße zum Überprüfen von Hypothesen und Prognosen Einsatz. In Form von Schülerexperimenten und Praktikumsexperimenten dienen sie gleichzeitig der Vervollkommnung der experimentellen Fähigkeiten und Fertigkeiten. Dabei werden dem Messprozess und den Messfehlern besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
Die Gesetze der gleichmäßig beschleunigten Bewegung mit beliebigen Anfangsbedingungen werden hergeleitet und auf den Wurf angewandt.
Im Mittelpunkt der Dynamik des Massenpunktes stehen die Newton’schen Gesetze.
Als weitere grundlegende und über das Stoffgebiet Mechanik hinaus bedeutsame physikalische Größen werden die Arbeit und die Energie vertieft sowie der Impuls eingeführt.
Am Beispiel der mechanischen Energie und des Impulses lernen die Schüler das Anwenden von Erhaltungssätzen zum Lösen vielfältiger Aufgaben und zum Erklären von Sachverhalten kennen. Bei der Formulierung der Gesetze der Kreisbewegung und der Rotation starrer Körper werden ihnen die Analogien zur Mechanik der geradlinigen Bewegung bewusst gemacht.
Bei der Behandlung der Gravitation erkennen die Schüler, wie durch das Auswerten empirischer Daten physikalische Gesetze gewonnen werden und diese bei der Erklärung von Erscheinungen und Vorausberechnung von Ereignissen Anwendung finden können.
Die Untersuchung der mechanischen Schwingungen und mechanischen Wellen dient einerseits der Vertiefung grundlegender Begriffe und Gesetze der Mechanik und andererseits der Schaffung von Grundlagen für die Elektrizitätslehre, Optik und Atomphysik.
Durch historische Betrachtungen erhalten die Schüler einen Einblick in die Entdeckung physikalischer Gesetze sowie deren technische Anwendung. Dabei werden
Leistungen großer Physiker gewürdigt.

Kinematik

Inhalt	Hinweis	Links
Modell Massenpunkt Gleichförmige Bewegung	Physik 6, Lernbereich Mechanik Physik 9, Lernbereich Mechanik
Bezugssysteme Relativitätsprinzip
Ungleichförmige Bewegung Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit Beschleunigung Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Freier Fall SE Gleichmäßig beschleunigte Bewegung	Gewinnen des Weg-Zeit-Gesetzes durch grafische Integration Interpretation der Terme Nutzung moderner Messverfahren in Experimenten
Würdigung G. Galileis
Überlagerung von Bewegungen Superpositionsprinzip Vektorielle Addition und Zerlegung von Geschwindigkeiten Vertikaler und horizontaler und schräger Wurf Wurfparabel	Berechnungen ohne Luftwiderstand Computersimulation von Wurfbahnen

Dynamik

Inhalt	Hinweis	Links
Kraft Vektorielle Addition und Zerlegung von Kräften	Physik 7, Lernbereich Mechanik Darstellen an statischen Beispielen Grafische und numerische Lösung
Newton’sche Gesetze Trägheitsgesetz Grundgesetz Wechselwirkungsgesetze	SE Grundgesetz
Würdigung I. Newtons
Kräfte in beschleunigten Bezugssystemen
Inertialsysteme

Arbeit, Energie, Leistung

Inhalt	Hinweis	Links
Mechanische Arbeit Arbeit bei vom Weg unabhängigen Kräften, die nicht in Wegrichtung wirken Hubarbeit Reibungsarbeit Arbeit bei wegabhängigen Kräften Spannarbeit	Physik 7, Lernbereich Mechanik Interpretieren der Gleichungen und Diagramme Gewinnen durch grafische Integration
Mechanische Energie Potentielle Energie Kinetische Energie Rolle der Bezugssysteme bei der Bestimmung der Energie
Energieerhaltungssatz für mechanische Vorgänge	Lösen von Aufgaben mit dem Energieansatz
Mechanische Leistung

Impuls

Inhalt	Hinweis	Links
Impuls
Impulserhaltungssatz	Anwenden des Impulserhaltungssatzes auf Systeme mit mehreren Körpern
Raketenantrieb	Triebwerke von Raketen und Flugzeugen
Stoß Zentraler unelastischer Stoß Ballistisches Pendel Zentraler elastischer Stoß Reflexion an fester Wand	Beschränkung der Berechnungen auf Systeme mit zwei Massenpunkten Herleiten der Gleichung für die Geschwindigkeit und kinetische Energie nach dem Stoß Computersimulation Spezialfälle: m₁ = m₂; m₁ <<m₂ SE Stoß und Impuls

Kreisbewegung und Rotation

Inhalt	Hinweis	Links
Bewegung eines Massenpunktes auf einer Kreisbahn Bahngeschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit Winkelbeschleunigung Tangential- und Radialbeschleunigung
Gleichförmige Kreisbewegung als beschleunigte Bewegung
Radialbeschleunigung
Radialkraft	Radialkraft als Kraft, die zur Aufrechterhaltung einer Kreisbewegung erforderlich ist und keine Arbeit verrichtet Kurvenneigung bei Verkehrswegen, Loopingbahn Kräfte bei rotierenden Maschinenteilen
Zentrifugalkraft	Zentrifugalkraft als Kraft, die ein mitbewegter Beobachter wahrnimmt
Z Zentrifuge
Modell starrer Körper Trägheitsmoment	Nutzen der Gleichungen für Trägheitsmomente von Kugel und Zylinder ohne Herleitung
Trägheitsmoment (Je-desto-Aussage)	Analogien zwischen der Translations- und Rotationsbewegung
Drehmoment	Rollender Körper auf geneigter Ebene SE Rotation
Grundgesetz der Rotation M=J·a
Rotationsenergie	Analogien zwischen Gleichungen für die Translations- und Rotationsbewegung
Drehimpuls
Z Erhaltung des Drehimpulses beim Kreisel

Himmelsmechanik

Inhalt	Hinweis	Links
Gravitationsgesetz	Astronomie 10, Lernbereich 2, Das Planetensystem
Historisches Experiment zur Bestimmung der Gravitationskonstanten
Gravitationsfeld
Gravitationspotential
Berechnung astronomischer Daten	Durchmesser von Satelliten- und Planetenbahnen Massen von Himmelskörpern Fluchtgeschwindigkeiten
Kepler’sche Gesetze	Herleitung des 3. Kepler’schen Gesetzes für den Näherungsfall der Kreisbahn Computersimulation von Planeten- und Satellitenbahnen
Erhaltung der mechanischen Energie und des Drehimpulses bei Planetenbahnen
Würdigung J. Keplers

Ausblick auf die spezielle Relativitätstheorie

Inhalt

Hinweis

Links

Masse-Energie-Beziehung

Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse

Gesetze der klassischen Physik als Sonderfall für v<<c