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Geradlinige Bewegung: Graphen und Bewegungsgleichungen

Um eine Bewegung zu beschreiben, wählen wir zuerst ein Bezugssystem: einen Nullpunkt, eine Richtung und eine Uhr. Der Ort x ändert sich mit der Zeit t. Die Geschwindigkeit v = dx/dt ist die Steigung im x–t-Diagramm, die Beschleunigung a = dv/dt ist die Steigung im v–t-Diagramm, und die Fläche unter der v–t-Kurve ist die Verschiebung. Bei konstantem a gilt: v = u + at, x = ut + ½at², v² = u² + 2as.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Bezugssystem: Wähle einen Nullpunkt und eine Richtung. Dasselbe Auto ist 12 m vom Nullpunkt O entfernt, aber nur 6 m vom Baum. Der Ort hängt davon ab, von wo aus du misst.
  2. Das blaue Auto legt jede Sekunde gleich viel Strecke zurück: gleichförmige Bewegung, eine gerade x–t-Linie. Das rote Auto legt jede Sekunde mehr zurück: ungleichförmige Bewegung, eine gekrümmte Linie.
  3. Die mittlere Geschwindigkeit ist Δx ÷ Δt, die Steigung einer Sekante. Wird Δt kleiner, wird die Sekante zur Tangente. Ihre Steigung ist die Momentangeschwindigkeit.
  4. Bei gleichmäßiger Beschleunigung ist das v–t-Diagramm eine Gerade. Ihre Steigung ist a. Die Fläche darunter ist die Verschiebung. Daraus folgen die Bewegungsgleichungen.
  5. Weg mit Analysis: v = dx/dt und a = dv/dt. Integrierst du ein konstantes a einmal, erhältst du v = u + at, zweimal ergibt x = ut + ½at², und aus v dv = a dx folgt v² = u² + 2as.
  6. Du bist dran: Ändere u und a und wechsle zwischen den x–t-, v–t- und a–t-Diagrammen. Prüfe die drei Gleichungen mit den Zahlen unten.

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

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum nennen zwei Personen für dasselbe Auto verschiedene Orte?

Sie benutzen verschiedene Nullpunkte. Der Ort wird immer von einem gewählten Nullpunkt aus gemessen; wechselst du das Bezugssystem, ändert sich die Zahl, die Bewegung bleibt aber dieselbe.

Wie erkenne ich gleichförmige Bewegung an einem Diagramm?

Eine gerade x–t-Linie bedeutet gleiche Strecke in jeder Sekunde. In der 3D-Szene haben die blauen Punkte gleiche Abstände; die roten rücken auseinander und das rote Diagramm ist gekrümmt.

Wie kann es eine Geschwindigkeit "in einem Augenblick" geben, wenn man dafür Zeit braucht?

Wir nehmen ein immer kleineres Δt. Die Sekante wird zur Tangente und Δx/Δt nähert sich einem festen Wert: dx/dt.

Warum ist die Fläche unter dem v–t-Diagramm gleich der Verschiebung?

In einer winzigen Zeit dt ist die Verschiebung = v × dt, ein dünner Streifen der Fläche. Zählt man alle Streifen zusammen, erhält man die ganze Fläche.

Warum kommt in v² = u² + 2as keine Zeit vor?

Wir entfernen t, indem wir t = (v − u)/a in s = ½(u + v)t einsetzen, oder indem wir a = v dv/dx schreiben und über x integrieren.

Kann die Beschleunigung negativ sein, während das Tempo wächst?

Ja. Wenn auch v negativ ist, zeigen beide in dieselbe Richtung und das Tempo wächst. Probiere im freien Spiel u = −2 und a = −1 aus.

Bezugssystem: Von wo aus misst du?

Bewegung ist immer relativ. Um zu sagen, wo etwas ist, brauchen wir ein Bezugssystem: einen Nullpunkt (Ursprung), eine festgelegte positive Richtung und eine Uhr, um die Zeit abzulesen.

Ein Fahrgast im fahrenden Zug ruht im Vergleich zum Zug, bewegt sich aber im Vergleich zum Bahnsteig. Beide Antworten stimmen; sie benutzen nur verschiedene Bezugssysteme.

Auf einer Geraden genügt eine Zahl x (mit Vorzeichen), um den Ort anzugeben. Die Verschiebung Δx = x₂ − x₁ ist die Änderung des Ortes; der zurückgelegte Weg (Weglänge) ist die gesamte Strecke, immer positiv.

Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung

Gleichförmige Bewegung: gleiche Verschiebungen in gleichen Zeitabschnitten, egal wie klein sie sind. Die Geschwindigkeit ist konstant und das x–t-Diagramm ist eine Gerade.

Ungleichförmige Bewegung: ungleiche Verschiebungen in gleichen Zeitabschnitten. Die Geschwindigkeit ändert sich und das x–t-Diagramm ist gekrümmt.

Mittlere und momentane Geschwindigkeit

Mittlere Geschwindigkeit (Vektor) = Verschiebung ÷ Zeit = Δx/Δt. Mittlere Bahngeschwindigkeit = gesamte Weglänge ÷ Zeit. Wenn du 100 m hin und in 50 s wieder zurück läufst, ist die mittlere Geschwindigkeit 0, die mittlere Bahngeschwindigkeit aber 4 m/s.

Momentangeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit in einem einzigen Augenblick: v = lim(Δt→0) Δx/Δt = dx/dt. Im x–t-Diagramm ist sie die Steigung der Tangente. Der Momentanbetrag (Tempo) ist der Betrag der Momentangeschwindigkeit.

Die mittlere Bahngeschwindigkeit ist immer ≥ dem Betrag der mittleren Geschwindigkeit; beide sind nur gleich, wenn der Körper nie umkehrt.

Einfaches Ableiten und Integrieren für Bewegungen

Du brauchst nur wenige Regeln: d/dt(tⁿ) = n tⁿ⁻¹, d/dt(Konstante) = 0 und ∫tⁿ dt = tⁿ⁺¹/(n + 1) + C.

Ableiten geht x → v → a (Steigungen). Integrieren geht a → v → x (Flächen), und die Anfangswerte u und x₀ legen die Konstanten fest.

Beschleunigung und gleichmäßig beschleunigte Bewegung

Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit: mittlere a = Δv/Δt, momentane a = dv/dt (Einheit m/s²). Ist a in jedem Augenblick gleich, nennt man die Bewegung gleichmäßig beschleunigt; ein frei fallender Körper nahe der Erde ist das beste Beispiel (a = g ≈ 9,8 m/s², nach unten).

Ein negatives a bedeutet nicht immer Abbremsen. Der Körper wird nur langsamer, wenn v und a entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Ort-Zeit- und Geschwindigkeit-Zeit-Diagramme

Ein Diagramm kann nie zwei Orte zur selben Zeit zeigen, und das Tempo (Betrag der Geschwindigkeit) kann nie negativ sein.

Bewegungsgleichungen mit Diagrammen und Analysis

Grafische Methode (v–t-Gerade von u bis v)

Steigung: a = (v − u)/t → v = u + at. Fläche = Rechteck ut + Dreieck ½·t·(at) → s = ut + ½at². Fläche als Trapez s = ½(u + v)t; setze t = (v − u)/a ein → v² = u² + 2as.

Methode mit Analysis

dv/dt = a → ∫ᵤᵛ dv = ∫₀ᵗ a dt → v = u + at. dx/dt = u + at → ∫dx = ∫(u + at)dt → x − x₀ = ut + ½at². Außerdem a = v dv/dx → ∫v dv = ∫a dx → v² − u² = 2a(x − x₀).

Weg in der n-ten Sekunde: sₙ = u + a(2n − 1)/2. Diese Gleichungen gelten nur, wenn a konstant ist.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein Läufer rennt 400 m um eine Rundbahn und ist nach 80 s wieder am Start. Bestimme die mittlere Bahngeschwindigkeit und die mittlere Geschwindigkeit.

Schritt 1: Weglänge = 400 m, Verschiebung = 0. Schritt 2: mittlere Bahngeschwindigkeit = 400/80 = 5 m/s. Schritt 3: mittlere Geschwindigkeit = 0/80 = 0.

2. Der Ort eines Teilchens ist x = 3t² − 2t + 4 (x in m, t in s). Bestimme Geschwindigkeit und Beschleunigung bei t = 2 s.

Schritt 1: v = dx/dt = 6t − 2. Schritt 2: bei t = 2 s ist v = 12 − 2 = 10 m/s. Schritt 3: a = dv/dt = 6 m/s² (konstant).

3. Ein Auto startet aus der Ruhe mit a = 2 m/s². Bestimme Geschwindigkeit und Strecke nach 5 s.

Schritt 1: u = 0, a = 2, t = 5. Schritt 2: v = u + at = 0 + 10 = 10 m/s. Schritt 3: s = ut + ½at² = 0 + ½ × 2 × 25 = 25 m.

4. Ein Motorrad fährt mit 20 m/s und bremst mit einer Verzögerung von 5 m/s². Wie weit kommt es bis zum Stillstand?

Schritt 1: u = 20, v = 0, a = −5. Schritt 2: v² = u² + 2as → 0 = 400 − 10s. Schritt 3: s = 40 m.

5. Ein Ball wird von einem 45 m hohen Gebäude fallen gelassen (g = 10 m/s²). Bestimme die Fallzeit und die Geschwindigkeit beim Aufprall.

Schritt 1: nach unten positiv: u = 0, a = 10, s = 45. Schritt 2: s = ½gt² → 45 = 5t² → t = 3 s. Schritt 3: v = gt = 30 m/s.

6. Ein v–t-Diagramm verläuft geradlinig von 4 m/s bei t = 0 bis 16 m/s bei t = 6 s. Bestimme die Beschleunigung und die Verschiebung.

Schritt 1: a = Steigung = (16 − 4)/6 = 2 m/s². Schritt 2: Verschiebung = Trapezfläche = ½(4 + 16) × 6 = 60 m. Schritt 3: Kontrolle: s = ut + ½at² = 24 + 36 = 60 m ✓.

7. Ein Körper mit u = 3 m/s und a = 2 m/s² bewegt sich geradlinig. Bestimme den Weg in der 5. Sekunde.

Schritt 1: sₙ = u + a(2n − 1)/2. Schritt 2: s₅ = 3 + 2 × 9/2 = 3 + 9 = 12 m. Schritt 3: Kontrolle: s(5) − s(4) = (15 + 25) − (12 + 16) = 40 − 28 = 12 m ✓.

8. Die Beschleunigung eines Teilchens ist a = 6t m/s². Es startet aus der Ruhe bei x = 0. Bestimme v und x bei t = 2 s.

Schritt 1: a ist nicht konstant, also nimm Analysis statt v = u + at. Schritt 2: v = ∫₀ᵗ 6t dt = 3t² → v(2) = 12 m/s. Schritt 3: x = ∫₀ᵗ 3t² dt = t³ → x(2) = 8 m.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die Steigung eines Ort-Zeit-Diagramms ergibt:
2. Die Fläche unter einem Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm ergibt:
3. Wenn x = 4t³ ist, beträgt die Geschwindigkeit bei t = 1 s:
4. Bei einer Hin- und Rückfahrt zum Startpunkt ist die mittlere Geschwindigkeit:
5. Welche Gleichung enthält keine Zeit t?

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 geradlinige Bewegung in Physik?

Es ist das Kapitel über eindimensionale Bewegung: Ort, Verschiebung, Tempo, Geschwindigkeit, Beschleunigung, ihre Diagramme und die Bewegungsgleichungen für konstante Beschleunigung.

Wie leitet man die Bewegungsgleichungen mit Analysis her?

Integriere dv/dt = a und erhalte v = u + at, integriere dx/dt = u + at und erhalte x = ut + ½at², und integriere v dv = a dx, um v² = u² + 2as zu erhalten.

Was ist der Unterschied zwischen mittlerer und momentaner Geschwindigkeit?

Die mittlere Geschwindigkeit ist die gesamte Verschiebung ÷ die gesamte Zeit. Die Momentangeschwindigkeit ist dx/dt, die Steigung des x–t-Diagramms in einem Augenblick.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 11B. Kinematics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IMechanics
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RomaniaClasa a IX-aElements of kinematics
RomaniaClasa a IX-aElements of kinematics
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Ukraine10 класMechanics
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CBSE (India)Class 11Kinematics
England (GCSE, A level)Year 12P-Q Units and kinematics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Kinematics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Kinematics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Common course additions
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 10Modelling motion in physics
FranceTerminaleMotion and interactions
Russia10 классMechanics: kinematics
Russia10 классMechanics: kinematics
China高一Compulsory 1 Ch.1 Describing motion
China高一Compulsory 1 Ch.2 Uniformly accelerated motion

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