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Bewegung: Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Diagramme

Ein Körper bewegt sich, wenn sich sein Ort mit der Zeit ändert. Der Weg ist die ganze Länge der Strecke (ein Skalar). Die Verschiebung ist der gerade Abstand von Start zu Ziel mit einer Richtung (ein Vektor). Geschwindigkeit als Tempo = Weg ÷ Zeit; Geschwindigkeit als Vektor = Verschiebung ÷ Zeit. Beschleunigung = Änderung der Geschwindigkeit ÷ Zeit. Die Steigung im s–t-Diagramm gibt die Geschwindigkeit, die Steigung im v–t-Diagramm gibt die Beschleunigung, und die Fläche unter dem v–t-Diagramm gibt den Weg. Bei gleichmäßiger Beschleunigung gilt: v = u + at, s = ut + ½at², v² = u² + 2as.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Ein Auto fährt 40 m vorwärts und dann 15 m zurück. Es ist insgesamt 55 m gefahren (Weg), aber nur 25 m vom Start entfernt (Verschiebung).
  2. Jetzt fährt das Auto gleichmäßig mit 10 m/s. Jede Sekunde setzt es einen Punkt, und die Abstände sind gleich. Der grüne Pfeil ist seine Geschwindigkeit: Tempo plus Richtung.
  3. Als Nächstes wird das Auto schneller. Die Abstände zwischen den Punkten wachsen jede Sekunde. Seine Geschwindigkeit steigt jede Sekunde um 2 m/s. Das ist eine Beschleunigung von 2 m/s².
  4. Zeichne den Weg gegen die Zeit. Ein gleichmäßiges Auto ergibt eine Gerade. Ein Auto, das schneller wird, ergibt eine Kurve, die immer steiler wird.
  5. Zeichne die Geschwindigkeit gegen die Zeit. Gleichmäßiges Schnellerwerden ergibt eine schräge Gerade. Die grüne Fläche darunter ist gleich dem gefahrenen Weg.
  6. Du bist dran: Stelle die Startgeschwindigkeit u, die Beschleunigung a und die Zeit t ein. Beobachte das Auto und prüfe v = u + at und s = ut + ½at².

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum ist die Verschiebung 25 m, obwohl das Auto 55 m gefahren ist?

Die Verschiebung zählt nur, wo du gestartet und wo du angekommen bist. Das Auto endete 25 m vom Start entfernt, also ist die Verschiebung 25 m. Die 15 m zurück heben einen Teil der 40 m vorwärts auf.

Kann sich die Geschwindigkeit ändern, wenn das Tempo gleich bleibt?

Ja. Die Geschwindigkeit hat eine Richtung. In der 3D-Szene dreht sich der grüne Pfeil um, wenn das Auto umkehrt, auch wenn die Zahl für das Tempo gleich bleibt. Auf einer Kreisbahn ändert sich die Richtung dauernd.

Wie sehe ich Beschleunigung ohne Tacho?

Sieh dir die Punkte an, die jede Sekunde gesetzt werden. Gleiche Abstände bedeuten keine Beschleunigung. Wachsende Abstände bedeuten Schnellerwerden; kleiner werdende Abstände bedeuten Langsamerwerden.

Warum ist das s–t-Diagramm eine Kurve, wenn das Auto schneller wird?

Jede Sekunde legt es mehr Meter zurück als in der Sekunde davor, also steigt die Linie immer steiler. Eine steilere Steigung bedeutet ein höheres Tempo.

Warum ist die Fläche unter einem v–t-Diagramm der Weg?

Fläche = Höhe × Breite = Geschwindigkeit × Zeit, und Geschwindigkeit × Zeit = Weg. Wenn man dünne Streifen dieser Fläche über die ganze Zeit addiert, bekommt man den gesamten Weg.

Kann die Beschleunigung negativ sein, während das Auto trotzdem vorwärts fährt?

Ja. Setze im freien Spiel ein negatives a: Das Auto fährt weiter vorwärts, wird aber langsamer. Das ist Verzögerung, wie beim Bremsen.

Was ist Bewegung?

Ein Körper ist in Bewegung, wenn sich sein Ort mit der Zeit ändert. Ein Körper ist in Ruhe, wenn sich sein Ort nicht ändert.

Um zu sagen, wo etwas ist, brauchen wir einen Bezugspunkt (auch Ursprung genannt). Zum Beispiel: „Die Schule liegt 2 km nördlich vom Busbahnhof.“ Hier ist der Busbahnhof der Bezugspunkt.

Bewegung hängt vom Beobachter ab. Eine Frau, die in einem fahrenden Bus sitzt, ist für die Person neben ihr in Ruhe, aber für einen Menschen an der Straße in Bewegung.

In dieser Lektion untersuchen wir Bewegung auf einer geraden Linie.

Weg und Verschiebung

Der Weg ist die gesamte Länge der Strecke. Er hat nur eine Größe (Betrag). Eine Größe nur mit Betrag heißt Skalar.

Die Verschiebung ist der kürzeste gerade Abstand vom Startpunkt zum Endpunkt, mit seiner Richtung. Eine Größe mit Betrag und Richtung heißt Vektor.

Beispiel: Du gehst 40 m nach Osten und dann 15 m nach Westen. Weg = 55 m. Verschiebung = 25 m nach Osten.

SI-Einheit von beiden: Meter (m).

Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung

Bei gleichförmiger Bewegung legt ein Körper in gleichen Zeiten gleiche Strecken zurück, egal wie klein die Zeitabschnitte sind. In der 3D-Szene haben die Punkte, die jede Sekunde gesetzt werden, gleiche Abstände.

Bei ungleichförmiger Bewegung legt er in gleichen Zeiten ungleiche Strecken zurück, wie ein Bus im Stadtverkehr.

Geschwindigkeit als Tempo und als Vektor

Das Tempo (Bahngeschwindigkeit) = Weg ÷ Zeit. Es sagt, wie schnell. Es ist ein Skalar.

Die Geschwindigkeit (als Vektor) = Verschiebung ÷ Zeit. Sie sagt, wie schnell und in welche Richtung. Sie ist ein Vektor.

SI-Einheit von beiden: m/s (auch m s⁻¹ geschrieben). Ebenfalls üblich: km/h. Um km/h in m/s umzurechnen, multipliziere mit 5/18. Beispiel: 72 km/h = 72 × 5/18 = 20 m/s.

Durchschnittliches Tempo = gesamter Weg ÷ gesamte Zeit.

Durchschnittsgeschwindigkeit = gesamte Verschiebung ÷ gesamte Zeit. Wenn sich die Geschwindigkeit gleichmäßig ändert, gilt: Durchschnittsgeschwindigkeit = (u + v) ÷ 2, wobei u die Startgeschwindigkeit und v die Endgeschwindigkeit ist.

Die Geschwindigkeit ändert sich, wenn sich das Tempo ändert, oder die Richtung, oder beides. Ein Auto, das mit gleichbleibendem Tempo auf einer Kreisbahn fährt, hat trotzdem eine veränderliche Geschwindigkeit, weil sich seine Richtung dauernd ändert (das ist die gleichförmige Kreisbewegung).

Beschleunigung

Die Beschleunigung sagt, wie schnell sich die Geschwindigkeit ändert.

a = (v − u) ÷ t

Dabei ist u = Startgeschwindigkeit (Anfangsgeschwindigkeit), v = Endgeschwindigkeit, t = benötigte Zeit. SI-Einheit: m/s².

Weg-Zeit-Diagramme

Trage die Zeit auf der x-Achse und den Weg auf der y-Achse ab.

Um das Tempo aus dem Diagramm zu finden, wähle zwei Punkte (t₁, s₁) und (t₂, s₂). Tempo = (s₂ − s₁) ÷ (t₂ − t₁).

Geschwindigkeit-Zeit-Diagramme

Trage die Zeit auf der x-Achse und die Geschwindigkeit auf der y-Achse ab.

Die Fläche unter einem v–t-Diagramm = Verschiebung (Weg bei Bewegung in nur eine Richtung). Für ein Auto, das aus dem Stand in 7 s auf 14 m/s kommt, ist die Fläche = ½ × 7 × 14 = 49 m.

Bewegungsgleichungen (grafische Herleitung)

Für Bewegung auf einer Geraden mit gleichmäßiger Beschleunigung bekommen wir drei Gleichungen. Nimm ein v–t-Diagramm: Die Linie startet bei der Geschwindigkeit u (bei t = 0) und erreicht nach der Zeit t den Wert v.

1. Beziehung Geschwindigkeit–Zeit: v = u + at
Steigung der Linie = a = (v − u) ÷ t. Umformen ergibt v = u + at.

2. Beziehung Ort–Zeit: s = ut + ½at²
Weg = Fläche unter der Linie = Rechteck (u × t) + Dreieck (½ × t × (v − u)). Da v − u = at, gilt s = ut + ½ × t × at = ut + ½at².

3. Beziehung Ort–Geschwindigkeit: v² = u² + 2as
Die Fläche ist ein Trapez: s = ½ × (u + v) × t. Setze t = (v − u) ÷ a ein: s = (v + u)(v − u) ÷ 2a = (v² − u²) ÷ 2a. Also v² = u² + 2as.

Tipps: „Startet aus der Ruhe“ bedeutet u = 0. „Kommt zum Stehen“ oder „hält an“ bedeutet v = 0. Beim Bremsen ist a negativ. Rechne alle Größen in m, s und m/s.

Probier es aus: Miss dein eigenes Tempo

Markiere eine gerade Strecke von 20 m auf deiner Straße oder auf dem Sportplatz (etwa 26 große Schritte, oder nimm ein Maßband). Bitte einen Freund, dich mit der Stoppuhr am Handy zu stoppen.

  1. Geh die 20 m. Notiere die Zeit. Tempo = 20 ÷ Zeit.
  2. Jetzt renne die Strecke. Ist dein Tempo größer?
  3. Bitte deinen Freund, alle 2 Sekunden deinen Ort zu rufen, und zeichne dein eigenes Weg-Zeit-Diagramm. Ist es eine Gerade?

Im freien Spiel der 3D-Szene: Schätze zuerst. Mit u = 0 und a = 2 m/s², wie weit fährt das Auto in 5 s? Dann prüfe nach (Antwort: 25 m).

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein Mädchen geht 300 m nach Norden zu einem Laden und dann 100 m nach Süden zum Haus einer Freundin. Finde den Weg und die Verschiebung.

Weg = 300 + 100 = 400 m. Verschiebung = 300 − 100 = 200 m nach Norden.

2. Ein Bus fährt 180 km in 3 Stunden. Finde sein durchschnittliches Tempo in km/h und in m/s.

Durchschnittliches Tempo = 180 ÷ 3 = 60 km/h. In m/s: 60 × 5/18 = 16.7 m/s (ungefähr).

3. Ein Läufer läuft einmal um eine Kreisbahn mit dem Radius 35 m in 44 s. Finde den Weg, die Verschiebung und das durchschnittliche Tempo.

Weg = Umfang = 2πr = 2 × 22/7 × 35 = 220 m. Verschiebung = 0 (er ist wieder am Start). Durchschnittliches Tempo = 220 ÷ 44 = 5 m/s. Durchschnittsgeschwindigkeit = 0 ÷ 44 = 0.

4. Ein Roller wird in 4 s von 5 m/s auf 15 m/s schneller. Finde seine Beschleunigung.

a = (v − u) ÷ t = (15 − 5) ÷ 4 = 10 ÷ 4 = 2.5 m/s².

5. Ein Auto startet aus der Ruhe und beschleunigt 7 s lang mit 2 m/s². Finde seine Endgeschwindigkeit und den zurückgelegten Weg.

u = 0, a = 2 m/s², t = 7 s. v = u + at = 0 + 2 × 7 = 14 m/s. s = ut + ½at² = 0 + ½ × 2 × 49 = 49 m. (Kontrolle mit dem v–t-Diagramm: Dreiecksfläche = ½ × 7 × 14 = 49 m.)

6. Ein Auto mit 72 km/h bremst und steht nach 5 s. Finde die Verzögerung und den Bremsweg.

u = 72 × 5/18 = 20 m/s, v = 0, t = 5 s. a = (0 − 20) ÷ 5 = −4 m/s² (Verzögerung 4 m/s²). s = ut + ½at² = 20 × 5 + ½ × (−4) × 25 = 100 − 50 = 50 m.

7. Ein Zug mit 10 m/s beschleunigt gleichmäßig mit 0.5 m/s² auf einer Strecke von 300 m. Wie groß ist seine Geschwindigkeit am Ende?

Nimm v² = u² + 2as = 10² + 2 × 0.5 × 300 = 100 + 300 = 400. v = 20 m/s.

8. In einem v–t-Diagramm steigt die Geschwindigkeit eines Wagens in einer Geraden von 0 auf 6 m/s in 3 s und bleibt dann 4 s lang bei 6 m/s. Finde die Beschleunigung im ersten Teil und den gesamten Weg.

Erster Teil: Steigung = 6 ÷ 3 = 2 m/s². Weg = Fläche = Dreieck + Rechteck = ½ × 3 × 6 + 6 × 4 = 9 + 24 = 33 m.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Ein Junge läuft einmal ganz um eine Kreisbahn und kommt zum Start zurück. Seine Verschiebung ist:
2. Die SI-Einheit der Beschleunigung ist:
3. Die Steigung eines Geschwindigkeit-Zeit-Diagramms gibt:
4. 54 km/h sind gleich:
5. Das Weg-Zeit-Diagramm eines ruhenden Körpers ist:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Tempo und Geschwindigkeit?

Das Tempo sagt nur, wie schnell sich etwas bewegt (Weg ÷ Zeit). Die Geschwindigkeit sagt, wie schnell und in welche Richtung (Verschiebung ÷ Zeit). Das Tempo ist ein Skalar, die Geschwindigkeit ist ein Vektor.

Wie leitet man die Bewegungsgleichungen grafisch her?

Zeichne ein v–t-Diagramm für gleichmäßige Beschleunigung. Seine Steigung gibt v = u + at. Die Fläche darunter (Rechteck + Dreieck) gibt s = ut + ½at². Schreibst du die Fläche als Trapez und setzt t = (v − u)/a ein, erhältst du v² = u² + 2as.

Kommt Bewegung im Physikunterricht der Klasse 9 vor?

Ja. Bewegung ist ein Kernthema der Mechanik in der Mittelstufe. Rechenaufgaben zu den drei Gleichungen und Fragen zu Diagrammen kommen oft in Tests vor.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 12B. Indigenous Peoples and Perspectives
Canada (Ontario)Grade 12B. Motion and its Applications
NetherlandsVWO 3 (onderbouw)Forces and motion
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIMotion and forces
Spain2º ESOInteraction
Spain3º ESOInteraction
Spain4º ESOInteraction
Ukraine9 класMotion with changing speed; mechanical oscillations and waves
CBSE (India)Class 9Motion, Force, Work and Sound
England (GCSE, A level)Year 9Physics: Motion and forces
England (GCSE, A level)Year 116.5 Forces
England (GCSE, A level)Year 114.5 Forces
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Motion and forces
Japan高校1年Motion and energy
South Korea중학교 3학년Motion and energy
South Korea고등학교 3학년Mechanics and energy
FranceQuatrièmeMotion and interactions
FranceSecondeMotion and interactions
FrancePremièrePhysics-chemistry: Energy
FrancePremièrePhysics-chemistry: Motion and interactions
FranceTerminalePhysics-chemistry: Motion and interactions
Russia7 классMotion and interaction of bodies
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Russia9 классMechanical phenomena
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China八年级(初二)Ch.1 Mechanical motion

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