Physik mit Simulationen lernen: vorhersagen, rechnen, erklären

Eine Physik-Simulation kann ein Feld sichtbar machen, einen Lichtstrahl verfolgen oder eine Kraft darstellen. Die Herausforderung besteht darin, das Geschehen auf dem Bildschirm zu erklären. Beginne mit einer konkreten Frage: Was verändert sich, wenn du genau eine Größe änderst, und welches Gesetz sagt das Ergebnis voraus?

Nutze drei Beispiele aus den Physik-Simulationen von Algor: ein elektrisches Feld, eine Sammellinse und eine schiefe Ebene mit Reibung. Notiere deine Vorhersage vor dem Bewegen der Regler, vergleiche sie mit dem Ergebnis und erkläre mögliche Abweichungen. So überprüft die Simulation deinen Gedankengang.

Das elektrische Feld ist ein Vektor

Das elektrische Feld beschreibt die Kraft pro positiver Probeladung: E = F/q. Es besitzt neben einem Betrag auch eine Richtung. Pfeile im Feldbild stellen diese Eigenschaften dar. Sie sind weder Teilchen, die aus einer Ladung herauskommen, noch vorgeschriebene Bahnen für jeden Körper im Feld.

Bei zwei gleich großen positiven Ladungen verschwindet das Feld genau in der Mitte aufgrund der Symmetrie. Beide Beiträge sind gleich stark und entgegengesetzt gerichtet. Das bedeutet nicht, dass die Ladungen keine Felder erzeugen. Ihre vektorielle Summe ist an diesem besonderen Ort null. An anderen Orten ist dieselbe Aufhebung nicht garantiert. Unterscheide deshalb einzelne Beiträge vom resultierenden Feld.

Ändere den Abstand bei gleichen Bedingungen

Für eine einzelne Punktladung nimmt der Feldbetrag proportional zu 1/r² ab. Verdoppelst du den Abstand r bei unveränderten übrigen Bedingungen, sinkt er auf ein Viertel. Bei mehreren Ladungen musst du die Feldbeiträge vektoriell addieren. Die Abstandsregel für nur eine Ladung beschreibt nicht automatisch das gesamte System.

Trenne außerdem Feld und Kraft. Das Feld hängt von den Quellladungen ab; die Kraft auf eine Probeladung ist F = qE. Bei einer negativen Probeladung zeigt die Kraft entgegen der Feldrichtung. Notiere diesen Unterschied, bevor du Pfeile verschiedener Größen deutest. Eine Zeichnung wird verständlicher, wenn jeder Pfeil eine eindeutig benannte physikalische Bedeutung hat.

Bei der Linse drei Abstände unterscheiden

Für eine dünne Sammellinse im paraxialen Modell gilt 1/f = 1/g + 1/b. Bei Brennweite f = 10 cm und Gegenstandsweite g = 25 cm erhältst du 1/b = 1/10 − 1/25 = 3/50. Das Bild entsteht damit etwa 16,7 cm auf der anderen Seite der Linse.

Der Abbildungsmaßstab ist m = −b/g, also ungefähr −0,67. Das negative Vorzeichen bezeichnet ein umgekehrtes Bild. Der Betrag unter 1 zeigt, dass das Bild kleiner als der Gegenstand ist. Das sind zwei getrennte Informationen desselben Ergebnisses. Das Minuszeichen bedeutet keine körperlich negative Größe.

Verfolge die Strahlen und beachte die Annahmen

Hauptstrahlen helfen bei der Bildkonstruktion. Ein achsenparalleler Strahl läuft nach einer idealen Sammellinse durch den Brennpunkt. Ein Strahl durch das optische Zentrum wird näherungsweise als ungebrochen behandelt. Ihr Schnittpunkt macht Bildlage und Orientierung sichtbar.

Diese Konstruktion setzt eine ideale Linse und achsennahe Strahlen voraus. Sie erklärt nicht automatisch Abbildungsfehler, reale Linsendicke oder alle Eigenschaften einer Kamera. Rückst du den Gegenstand näher heran, formuliere eine neue Vorhersage. Unterscheide dabei Positionen außerhalb der Brennweite, im Brennpunkt und innerhalb der Brennweite. Das bekannte Bild ist nur ein Fall unter mehreren.

Zerlege die Gewichtskraft auf der schiefen Ebene

Für eine Masse m auf einer um θ geneigten Ebene hat die Gewichtskraft mg die Komponenten mg·sinθ entlang der Ebene und mg·cosθ senkrecht dazu. Ohne weitere senkrechte Kräfte beträgt die Normalkraft N = mg·cosθ. Sie entspricht nur bei einer waagerechten Ebene der gesamten Gewichtskraft.

Bei m = 2 kg, θ = 30° und g = 9,81 m/s² beträgt die Hangabtriebskraft etwa 9,81 N, die Normalkraft etwa 16,99 N. Gleitet der Körper bereits und beträgt die Gleitreibungszahl 0,3, wirkt eine Reibungskraft von ungefähr 5,10 N. Daraus folgt eine Beschleunigung hangabwärts von etwa 2,36 m/s². Ohne Reibung und bei unveränderter Neigung wäre die Beschleunigung g·sin(30°), also ungefähr 4,91 m/s². Der Vergleich zeigt den Einfluss des Reibungsterms.

Haftreibung und Gleitreibung unterscheiden

Vor Beginn des Gleitens passt sich die Haftreibung bis zu einem Höchstwert μₛN an. Sie ist nicht immer genau gleich μₛN. Während des Gleitens verwendet das einfache Modell dagegen die Gleitreibung μₖN entgegen der relativen Bewegung. Für die vorherige Rechnung musst du daher wissen, welcher Zustand vorliegt.

Gibt eine Simulation nur einen allgemeinen Reibungskoeffizienten an, benenne in deiner Lösung die verwendete Deutung. Eine richtige Formel kann im falschen Bewegungszustand zu einer falschen Erklärung führen. Bestimme zuerst Bewegung und Kräfte, bevor du Zahlen einsetzt. So erkennst du auch, wenn sich zwischen zwei Versuchen die Voraussetzungen geändert haben.

Bewahre Vorhersage und Korrektur auf

Notiere in einem Fehlerprotokoll für jede Szene eine Vorhersage, die Formel, das Ergebnis und eine Modellannahme. Prüfe beim Feld die Vektoraddition, bei der Linse das Vorzeichen und bei der schiefen Ebene die Reibungsart.

Schließe die Anwendung und ändere auf Papier einen einzigen Wert. Kannst du die Richtung der Änderung vor ihrem Zahlenwert vorhersagen, besitzt du eine physikalische Erklärung, die sich mit der Simulation testen lässt. Öffne sie anschließend gezielt für diese Prüfung und begründe die Übereinstimmung oder korrigiere deinen Gedankengang.

Quellen und weitere Informationen

• OpenStax · Inclined planes
• OpenStax · Thin lenses
• OpenStax · Friction