Vertiefung

Die Momentangeschwindigkeit beim freien Fall bestimmen

Wir gehen hier von der (vereinfachten) Zeit-Weg-Funktion $s(t) = 5t^2$ eines frei fallenden Gegenstands aus. Diese Funktion beschreibt, wie weit sich der Gegenstand vom Startpunkt der Bewegung aus entfernt hat. Mit diesem Wissen lassen sich jetzt Aussagen zur momentane Fallgeschwindigkeit $v(t)$ für eine beliebige Fallzeit $t$ herleiten. Die Momentangeschwindigkeit $v(t)$ erhält man, indem man die Ableitung $s'(t)$ bestimmt.

Das Applet zeigt die Zeit-Weg-Funktion $s(t) = 5t^2$. Bearbeite die Aufgaben unter dem Applet.

Zum Herunterladen: freierfall4.ggb

Aufgabe 1

(a) Schätze mit Hilfe des Applets Momentangeschwindigkeiten für unterschiedliche Fallzeiten ab. Gib hierzu die Fallzeit $t$ und eine kleine Schrittweite (wie z.B. $h = 0.01$) vor. Angezeigt wird dann die mittlere Geschwindigkeit im betrachteten Zeitintervall.

$t$ [s]	0	1	2	3	4
$s'(t)$ [m/s]			20

(b) Stelle ausgehend von den Werten in der Tabelle eine Vermutung auf, wie man die Momentangeschwindigkeit direkt mit einer Formel berechnen kann.

$s'(t) = ...$

Aufgabe 2

Leite eine Formel für $m(t, t+h)$ her. Setze hierzu die Umformungen fort. Alternativ: Erkläre jeden Schritt der Umformung in der Kontrolle.

$\begin{array}{lcl} m(t, t+h) & = & \displaystyle{\frac{s(t+h) - s(t)}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{5\cdot (t+h)^2 - 5 \cdot t^2}{h}} \\ & = & ... \end{array}$

Kontrolle

$\begin{array}{lcl} m(t, t+h) & = & \displaystyle{\frac{s(t+h) - s(t)}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{5(t+h)^2 - 5t^2}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{5(t^2+2th+h^2) - 5t^2}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{(5t^2+10th+5h^2) - 5t^2}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{10th+5h^2}{h}} \\ & = & \displaystyle{\frac{h\cdot(10t+5h)}{h}} \\ & = & 10t+5h \end{array}$

Aufgabe 3

Betrachte jetzt den Grenzprozess $h \rightarrow 0$. Ergänze die Formel für $s'(t)$.

$\begin{array}{ccl} s(t, t+h) & = & 10t+5h \\ \downarrow & h \rightarrow 0 & \\ s'(t) & = & \dots \end{array}$

Kontrolle

$\begin{array}{ccc} s(t, t+h) & = & 10t+5h \\ \downarrow & h \rightarrow 0 & \downarrow \\ s'(t) & = & 10t \end{array}$

Aufgabe 4

Formuliere das Ergebnis: Die momentane Fallgeschwindigkeit $s'(t)$ nach $t$ Sekunden Fallzeit ...

Die Zeit-Geschwindigkeit-Funktion betrachten

Die Ableitung $s'(t)$ ordnet jeder Fallzeit $t$ die Momentangeschwindigkeit nach dieser Fallzeit zu. Wir deuten sie als Zeit-Geschwindigkeit-Funktion und beschreiben sie – wie in der Physik üblich – mit $v(t)$.

Aufgabe 5

Ergänze die Funktionsterme in der folgenden Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse.

Zeit-Weg-Funktion beim freien Fall: $s(t) = \dots$

Zeit-Geschwindigkeit-Funktion beim freien Fall: $v(t) = \dots$