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PhysikKlasse 10–11
Waagerechter und schiefer Wurf
Welcher Abwurfwinkel trägt am weitesten? Auf der Erde ist es 45°, und auf dem Mond fliegt derselbe Ball sechsmal so weit.
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Tipp: Die markierten Punkte lassen sich mit Maus oder Finger ziehen.
Die Regler sind für diese Aufgabe gesperrt.
Worum geht es?
Ein geworfener Ball führt zwei Bewegungen gleichzeitig aus, die sich nicht gegenseitig stören (Superpositionsprinzip):
waagerecht: eine gleichförmige Bewegung mit der konstanten Geschwindigkeit vx=v0⋅cosα,
senkrecht: einen senkrechten Wurf mit vy,0=v0⋅sinα, der durch die Fallbeschleunigung g gebremst wird: vy(t)=v0sinα−gt.
x(t)=v0cosα⋅ty(t)=h0+v0sinα⋅t−21gt2
Eliminiert man t, erhält man die Bahnkurve – eine Parabel:
y=h0+tanα⋅x−2v02cos2αg⋅x2
Für einen Abwurf vom Boden (h0=0) gilt für Flugzeit, Wurfweite und Steighöhe:
T=g2v0sinαw=gv02sin(2α)hmax=2gv02sin2α
Die größte Wurfweite erreicht man dann bei α=45∘. Zwei Winkel, die sich zu 90∘ ergänzen (z. B. 30∘ und 60∘), ergeben dieselbe Weite. Wirft man aus der Höhe h0>0, liegt der beste Winkel unter45∘. Beim waagerechten Wurf (α=0∘) dauert der Flug genauso lange wie ein freier Fall aus h0: T=2h0/g. Die Wurfweite ist dann w=v0⋅2h0/g.
Die Bahngeschwindigkeit setzt sich aus den beiden Komponenten zusammen: v=vx2+vy2. Ohne Luftwiderstand trifft der Ball mit v=v02+2gh0 auf – das folgt auch aus dem Energieerhaltungssatz.
Ausprobieren
Ziehe die Spitze des orangefarbenen Pfeils, um v0 und α zu ändern, und drücke Werfen. Ziehe den Abwurfpunkt nach oben, um h0 zu ändern.
Öffne die Zerlegung. Der blaue Schatten auf dem Boden bewegt sich gleichförmig, der rote auf der senkrechten Schiene wie bei einem senkrechten Wurf. Ziehe im Diagramm, um die Zeit zu verschieben. Zerlegung
Welcher Winkel ergibt die größte Weite? Tippe im Diagramm auf verschiedene Winkel. Winkel vergleichen
Wirf mit v0=10sm aus h0=20m. Wo liegt das Maximum jetzt? (Es liegt bei etwa 24∘.) Aus 20 m Höhe
Triff die Zielscheibe! Nach dem ersten Treffer zeigt die Simulation beide Lösungswinkel. Zielwurf
Vergleiche Fußball, Tischtennisball und Stoßkugel mit und ohne Luft. Luftwiderstand
Auf dem Mond (g=1,62s2m) fliegt derselbe Ball etwa 6-mal so weit: 19,86m werden zu 120,3m. Mond
Aufgaben
Aufgabe 1: Wurfweite berechnen
Ein Ball wird vom Boden mit v0=15sm unter 45∘ geworfen (g=9,81s2m). Berechne Flugzeit, Wurfweite und Steighöhe. Aufgabe laden
Zeige, dass 30∘ und 60∘ bei v0=15sm dieselbe Weite ergeben. Welche Bahn ist höher, welche dauert länger? Vergleich zeigen
Lösung anzeigen
sin(2⋅30∘)=sin60∘=sin120∘=sin(2⋅60∘), also w≈19,86m für beide. Der 60∘-Wurf ist dreimal so hoch (8,60m statt 2,87m, denn sin260∘:sin230∘=3) und dauert 3-mal so lange (2,65s statt 1,53s).
Aufgabe 3: Waagerechter Wurf vom Turm
Ein Stein wird von einem 20m hohen Turm waagerecht mit 10sm geworfen. Wann und wo trifft er auf? Wie schnell ist er dann? Aufgabe laden
Lösung anzeigen
T=2⋅20/9,81s≈2,02s, w=10⋅2,02m≈20,2m. Beim Aufprall ist vy=9,81⋅2,02sm≈19,8sm, also
v=102+19,82sm≈22,2sm.
Aufgabe 4: Zielwurf
Eine Scheibe hängt 18m entfernt in 2m Höhe. Der Ball startet am Boden mit v0=15sm. Unter welchen Winkeln trifft er? Setze dazu x=18m, y=2m in die Bahngleichung ein und löse nach tanα auf (mit cos2α1=1+tan2α). Aufgabe laden
Lösung anzeigen
2=18tanα−2⋅1529,81⋅182(1+tan2α) führt auf 7,063tan2α−18tanα+9,063=0. Lösungen: tanα≈0,691 bzw. 1,858, also α≈34,6∘ (flache Bahn) und α≈61,7∘ (steile Bahn). Mit weniger als etwa 14,05sm wäre das Ziel unerreichbar. Lösung zeigen
Aufgabe 5: Luftwiderstand
Vergleiche für einen Fußball (v0=28sm, α=35∘) die Bahn mit und ohne Luft. Nenne drei Unterschiede und erkläre den Verlauf im Energiediagramm. Luftwiderstand
Lösung anzeigen
Ohne Luft: w=9,81282⋅sin70∘m≈75,1m. Mit Luft fliegt der Ball nur etwa 45,7m weit und weniger hoch; die Bahn ist keine Parabel mehr, der Scheitel liegt weiter hinten, der Ball kommt steiler herunter. Der beste Winkel liegt bei etwa 41∘, also unter 45∘. Die Energie pro Kilogramm 21v2+gy bleibt ohne Luft konstant, mit Luft nimmt sie ab – sie wird in innere Energie der Luft und des Balls umgewandelt.
Aufgabe 6: Waagerechter Wurf auf dem Mond
Derselbe Stein wie in Aufgabe 3 wird auf dem Mond (g=1,62s2m) waagerecht mit 10sm aus 20m Höhe geworfen. Berechne Flugzeit, Wurfweite und Aufprallgeschwindigkeit. Um welchen Faktor ist die Wurfweite größer als auf der Erde? Aufgabe laden
Lösung anzeigen
T=2⋅20/1,62s≈4,97s, w=10⋅4,97m≈49,7m. Beim Aufprall ist vy=1,62⋅4,97sm≈8,05sm, also v=102+8,052sm≈12,8sm. Die Wurfweite ist um den Faktor 9,81/1,62≈2,46 größer als auf der Erde (20,2m).
Ideen für den Unterricht
Einsatz: Mechanik, Superposition von Bewegungen, je nach Lehrplan Klasse 10 oder 11. Die Zerlegung eignet sich als Einstieg, der Zielwurf als Übung oder Wettbewerb in Gruppen.
Darstellung: Stroboskop-Punkte und Schatten zeigen, dass die waagerechten Abstände gleich bleiben, die senkrechten nicht. Mit Zeitlupe und dem Ziehen im Diagramm lassen sich einzelne Momente besprechen.
Modell: Massepunkt, konstantes g; Luftwiderstand quadratisch in v mit Näherungswerten (Fußball m=0,43kg, d=22cm, cw≈0,25; Tischtennisball 2,7g; Stoßkugel 7,26kg). Auf dem Mond gibt es keine Luft, auf dem Mars ist sie etwa 60-mal dünner.
Häufige Stolpersteine:
„Im höchsten Punkt ist die Geschwindigkeit null.“ – Nur vy ist null, vx bleibt erhalten.
„Ein schneller waagerecht geworfener Ball fällt langsamer.“ – Die Fallzeit hängt nur von h0 ab.
„45∘ ist immer am besten.“ – Nur für h0=0 und ohne Luftwiderstand.