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Erhaltungsgrößen
Egon BergerDidaktik der Physik
29.11.05
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Voraussetzungen:
• Newtonschen Axiome• Konzept des Schwerpunkts• Gravitationsgesetz• Vektorrechnung: Addition, Skalarprodukt und Kreuzprodukt • Differenzieren von Vektoren
• Zur Vektorrechnung:
Das Kreuzprodukt ist bilinear.
vuvuwvwuwvu
)()(
Seien u, v ,w Vektoren und l ein Skalar. Dann gilt:
Analog für die zweite Komponente.
Im Besonderen benötigen wir davon im Folgendem:
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• Zur Differenzialrechnung:
Seien v(t) und w(t) Vektoren, welche sich in der Zeit verändern.
v w bezeichne das Skalarprodukt, v x w das Kreuzprodukt. Dann gilt:
wvwvwvdtd )(
vvvdtd
2)( 2
wvwvwvdtd )(
Frage: Was ergibt ?)( vvdtd
0)( vv Was wir im Folgendem ebenfalls benötigen!
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Erhaltungsgrößen:
Definition:
Eine Erhaltungsgröße E ist eine Kombination aus physikalischen Größen (Ort, Zeit, Masse,…) dessen numerischer Wert im Zeitablauf gleich bleibt.
Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies:
Zielgruppe des Vortrages:Der Vortrag ist für Schulklassen gedacht, welche obige Voraussetzungen erfüllen.
0Edtd
Ist der Wert einer Erhaltungsgröße für einen Zeitpunkt bekannt, dann ist er - weil sich dieser Wert nicht ändert – für den gesamten Zeitablauf bekannt.
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Erhaltungsgrößen am Bsp. der Planetenbewegung Erde-Sonne:
Erstellen ein idealisiertes Modell bzw. Gedankenexperiment:• Erde und Sonne bewegen sich im freien Raum
SSS
EEE
Fxm
Fxm
Newtonsche Bewegungsgleichung:
EmSm
Ex
Sx
VO
SF
EF
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Nach dem 3. Netwonschen Axiom gilt:
ES FF
Dies bedeutet, dass sich die Größe
Damit:
ESS
EEE
Fxm
Fxm
0 SSEE xmxm
0 SSEE xmxmdtd
SSEE xmxm
Nach Addition der beiden Gleichungen erhält man:
Was gleichbedeutend ist mit:
im Zeitablauf nicht ändert.
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Anstelle von zwei Planeten betrachten wir nun n Teilchen im freien Raum, einso genanntes n-Teilchensystem:
ij
ijii Fxm
bezeichnet die Kraft, die das j-te Teilchen auf das i-te ausübt
Bewegungsgleichung des i-ten Teilchens:
erster Index: herausgegriffene Teilchen
zweiter Index: Teilchen das die Kraft erzeugt
m j
m i
Fij Fij
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i ij
iji
ii Fxm
ji
ijF
ij
jiji
ij FF
0i
ii
xmdtd
1-nn,2,n1,n
n1,-n
2,31,3
n,24,23,21,2
n,14,13,12,1
FFF
F
FF
FFFF
FFFF
0
Addition aller Bewegungsgleichungen:
ij
ijF
Veranschaulichung der Summe:
Was gleichbedeutend ist mit
Dies bedeutet, dass sich die Größe
im Zeitablauf nicht ändert.
i
iixm
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Ergebnis vorheriger Überlegungen ist, dass sich die Größen
SSEE xmxm i
iixm
bzw.
im Zeitablauf nicht ändern.
Die Kenntnis dieser Tatsache verringert den mathematischen Aufwand bei derLösung eines Problems. Aus diesem Grund hat das Produkt „Masse mal Geschwindigkeit“ eine besondereBedeutung in der Physik und erhält den Namen Impuls.
Definition:Sei m die Masse und x die Geschwindigkeit eines Körpers.Dann heißt
xmP
sein Impuls.Die Summe aller Impulse eines Systems wird mit Gesamtimpuls bezeichnet.
Impulserhaltung:Der Sachverhalt, dass sich der Gesamtimpuls eines Systems in der Zeit nicht ändert,also eine Erhaltungsgröße ist, wird mit Impulserhaltung bezeichnet.
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Nun betrachten wir wiederum das n- Teilchensystem und eine weiteretrickreiche Umformung der Bewegungsgleichungen:
ij
ijii Fxmi-te Bewegungsgleichung :
Trick :Multiplizieren die i-te Bewegungsgleichung vektoriell mit dem i-ten Ortsvektor x
ij
ijiiii Fxxmx
Addieren alle Bewegungsgleichungen:
i ij
ijii
iii Fxxmx
ij
iji Fx
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Veranschaulichen nun wieder die Summe:
1-nn,n2,nn1,nn
n1,-n1-n
2,331,33
n,224,223,221,22
n,114,113,112,11
x x x
x
x x
x x x x
x x x x
FFF
F
FF
FFFF
FFFF
ji
iji Fx
ij
jii Fx
ji
ijj Fx
ji
ijji )( Fxx 0
i ij
ijii
iii Fxxmx
ij
iji Fx
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Ergebnis:
Aus diesem Grund hat das Vektorprodukt „Ortsvektor x Impuls“ eine besondereBedeutung in der Physik und erhält den Namen Drehimpuls.
Definition:Sei x der Ortsvektor und p der Impuls eines Körpers.Dann heißt
pxL
sein Drehimpuls.Die Summe aller Drehimpulse eines Systems wird mit Gesamtdrehimpuls bezeichnet.
Drehimpulserhaltung:Der Sachverhalt, dass sich der Gesamtdrehimpuls eines Systems in der Zeit nichtändert, also eine Erhaltungsgröße ist, wird mit Drehimpulserhaltung bezeichnet.
0i
iii xmx 0
iiii
xmx
dtd
Dies bedeutet, dass sich die Größe
im Zeitablauf nicht ändert.
i
iii xmx
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Für das Auffinden der dritten Erhaltungsgröße kehren wir zur Planetenbewegung Erde-Sonne zurück:
VO
EmSm
Ex
Sx
SF
EF
)(
)(
3
3
ESES
SESSS
ESES
SEEEE
xxxxmmGFxm
xxxxmmGFxm
Die Bewegungsgleichungen lauten:
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)(
)(
3
3
ESES
SESS
ESES
SEEE
xxxxmmGxm
xxxxmmGxm
Die Bewegungsgleichungen:
Trick:
Skalarmultiplikation der Bewegungsgleichungen mit der jeweiligen Geschwindigkeit.
EE xx
SS xx
)()(
3 SEESES
SE
SSSEEE
xxxxxxmmG
xxmxxm
Addition beider Gleichungen ergibt:
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Behauptung: bei obigen Termen handelt es sich um die Zeitableitung folgender
(jedem Physiker bekannter) Funktionen:
ES
SESSEE
xxmm
Gdtdxm
dtdxm
dtd
2
2
22
Beweis:
EEEEE xxmxm
dtd
2
21
2
2
Zweiter Term: analog
Erster Term:
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ES xxdtd
1
Dritte Term:
)()(
3 SEESES
SE
SSSEEE
xxxxxxmmG
xxmxxm
Nochmals die ursprüngliche Gleichung zum Vergleichen:
)()(13 SEES
ES
xxxxxx
21
2)( ES xxdtd
)()(2)(21
23
2ESESES xxxxxx
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Definition:Sei x der Ortsvektor, x die Geschwindigkeit und m die Masse eines Körpers.Dann heißt
2kinxmE
seine kinetische Energie.
Energieerhaltung:Der Sachverhalt, dass sich die Gesamtenergie eines Systems in der Zeit nichtändert, also eine Erhaltungsgröße ist, wird mit Energieerhaltung bezeichnet.
im Zeitablauf nicht ändert. Sie erhält in der Physik den Namen Energie des Systems Erde-Sonne.
ES
SESSEE
xxmm
Gxmxm
22
22
Ergebnis vorheriger Überlegung ist, dass sich die Größe
Die beiden ersten Terme heißen kinetische Energie oder Bewegungsenergie der Erde bzw. Sonne, da sie von der Geschwindigkeit der Körper abhängt. Der dritte Term heißt potentielle Energie des Systems Erde-Sonne.
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Zusammenfassung:
Wir haben nun, ausgehend von den Newtonschen Axiomen 3 Erhaltungsgrößen abgeleitet. In der folgenden Zusammenfassung beschränke ich mich auf zwei Körper, also auf ein so genanntes Zweikörperproblem:
Zwei Körper befinden sich im ansonsten freien Raum. Dann kann man ihnen drei Größen zuordnen, welche im Zeitablauf konstant bleiben:
Impuls:2211gesamt xmxmP
Drehimpuls: 222111gesamt xmxxmxL
Energie:ES
SESSEE
xxmm
Gxmxm
E
22
22
gesamt
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Nun betrachten wir ein
Beispiel zur Energieerhaltung im freien Fall:Der Klippenspringer
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Modellierung des Klippenspringers:
Em
Km
Ex
Kx
VOze
Rh
Die Gravitationskraft der Erde auf den Klippenspringer beträgt:
z2K ehRmm
GF KE
Das realistische Maximum eines Klippensprungs liegt mit Sicherheit unter 50m. Der Erdradius beträgt 6370 km. Der Abstand R + h kann also mit R ersetzt werden.
z2EK
K eRmm
GF
g:
zK g em
Damit:
z2E
K eRm
Gm
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Jeder kennt aus den Schulbüchern folgende Formel:
bleibterhalten wobei, 2 gesamtK
2KK
gesamt Ehgmxm
E
Dies scheint im Widerspruch zu unserer Erhaltungsgröße zu stehen, welche lautet:
hgmxmxm
E 22 K
2EE
2KK
gesamt
Falls die Formel aus den Schulbüchern richtig ist, muss die kinetische Energie der Erde im Vergleich der übrigen Terme zumindest verschwindend klein sein.
Die Richtigkeit dieser Vermutung wird im Folgendem mittels der Impulserhaltung gezeigt. Danach gilt:
EKgesamt PPP
Die Geschwindigkeiten beider Körper sind am Beginn unserer Betrachtung gleich Null. Daher ist der Gesamtimpuls zu Beginn gleich Null. Da er seinen Wert behält, gilt zu jedem Zeitpunkt:
0gesamt P
KE PP
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Quadrieren der Gleichung ergibt:2K
2K
2E
2E xmxm
Wird nun die Gleichung durch 2 dividiert, so erhält man:Em
22
2EK
E
K2EE xm
mmxm
Die Erde hat eine Masse von 6*10^24kg. Angenommen der Klippenspringer wiegt 80 kg, so ergibt sich für den Faktor:
22
E
K 10
mm
Und für obige Gleichung:
ingerKlippensprkin 22
Erdekin 10 EE Die kinetische Energie der Erde kann also in der Tat vernachlässigt werden. Damit erhält unser Energiesatz die endgültige Form:
hgmxm
E 2 K
2KK
gesamt
![Page 23: Erhaltungsgrößen Egon Berger Didaktik der Physik 29.11.05](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/570491c41a28ab14218da58a/html5/thumbnails/23.jpg)
Abschließend diskutieren wir die
Energie und Impulserhaltung bei der Pendelkette:
„Eine Kugel fliegt rein, eine Kugel fliegt raus.“
Allg. Behauptung: Dies ist eine Folge von Energie-Impulserhaltung!
Im Folgenden werden wir diese Aussage überprüfen.
![Page 24: Erhaltungsgrößen Egon Berger Didaktik der Physik 29.11.05](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/570491c41a28ab14218da58a/html5/thumbnails/24.jpg)
Wir beginnen mit zwei Kugeln:
Der Einfachheit halber reduzieren wir die Pendelkette auf einen eindimensionalen Stoß mit Kugeln gleicher Masse:
1v
2v
0
2m1m
1v 2v 0mm
![Page 25: Erhaltungsgrößen Egon Berger Didaktik der Physik 29.11.05](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/570491c41a28ab14218da58a/html5/thumbnails/25.jpg)
gesuchtgegeben
Wir haben also:
1v 2v 0Vorher:
1n ? 2n ?Danach:
Energieerhaltung:
Impulserhaltung: 2222
22
21
22
21 mnmnmvmv
22
21
22
21 nnvv
2121 mnmnmvmv 2121 nnvv
Wir haben zwei Gleichungen und zwei Unbekannte. Die Geschwindigkeiten nach dem Stoß sind also eindeutig bestimmt.
Ergebnis:
121 ,0 vnn Stimmt mit Aussage überein
![Page 26: Erhaltungsgrößen Egon Berger Didaktik der Physik 29.11.05](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/570491c41a28ab14218da58a/html5/thumbnails/26.jpg)
gegeben gesucht
Nun betrachten wir drei Kugeln:
1v2v 0 3v 0
Energie- und Impulserhaltung:
321321
23
22
21
23
22
21
nnnvvv
nnnvvv
Wir haben nun zwei Gleichungen und drei Unbekannte. Die Geschwindigkeiten nach dem Stoß sind nicht mehr eindeutig. Es gibt unendlich viele Lösungen.
Warum aber beobachten wir im Experiment immer nur die eine Lösung:
„Eine Kugel fliegt rein, eine Kugel fliegt raus.“
![Page 27: Erhaltungsgrößen Egon Berger Didaktik der Physik 29.11.05](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/570491c41a28ab14218da58a/html5/thumbnails/27.jpg)
Fragen, die sich stellen:
• Ist unser Modell brauchbar, wenn es keine eindeutige Lösung gibt?
• Haben wir etwas übersehen, sodass unser Modell im allg. doch brauchbar ist?
Frage:
Was glaubt ihr, wie viel Platz ein Stoß von zwei Kugeln braucht?
Gibt es auch andere Lösungen, wenn die Kugeln keinen Abstand zueinander haben?