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Gravitation – Newtons Beitrag

Hat Newton die Gravitation erfunden oder entdeckt? Und wie hat ein Apfel das inspiriert? Lass uns sehen! Gravitation ist eine Grundkraft der Physik, die Körper aufgrund ihrer Masse anzieht. Die Kraft hängt von den Massen und dem Abstand der Körper ab. Gewichtskraft und Schwerkraft sind damit verbundene Begriffe. Gravitation wirkt zwischen allen Körpern, aber die Kraft ist bei kleineren Massen schwach. Lerne, warum es so ist, im folgenden Artikel!

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sofatutor Team
Gravitation – Newtons Beitrag
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Gravitation – Newtons Beitrag Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Lerntext Gravitation – Newtons Beitrag kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Leistungen von Newton.

    Tipps

    Sir Isaac Newton leistete Großes im Bereich der Mechanik, Mathematik und Optik.

    Lösung

    Sir Isaac Newton wurde in Lincolnshire (England) am 25.12.1642 nach dem julianischen Kalender geboren. Da in dieser Zeit in England jedoch der gregorianische Kalender verwendet wurde, gibt es ein zweites Geburtsdatum: den 4. Januar 1643. Gestorben ist er am 20.03.1726 beziehungsweise 31.03.1727 in Kingston.

    Während seines Lebens arbeitete er als Naturforscher und Verwaltungsbeamter. Da die Naturwissenschaft damals noch keine eigene Wissenschaft war, galt er in seiner Zeit als Philosoph.

    In dieser Rolle leistete er große Beiträge zur Mechanik, der Mathematik und der Optik. Er gilt als Schirmherr der klassischen Mechanik, einer Lehre, die erst durch Albert Einstein mit der Relativitätstheorie erweitert wurde.

    Hier eine kurze Liste seiner Leistungen:

    Mathematik

    • Infinitesimalrechnung (zeitgleich mit Gottfried Wilhelm Leibniz )
    • Verallgemeinerung der binomischen Theoreme
    Physik

    • Gravitation
    • Bewegungsgesetze
    • Teilchentheorie des Lichtes
    • Erklärung des Lichtspektrums
    • Entwicklung des Hohlspiegelteleskops
    Die Elektrostatik wurde schon weit früher, im 13. Jahrhundert, von Petrus Peregrinus entdeckt und dokumentiert.

    Kamera heißt auf italienisch Zimmer. Sie wurde bereits von Aristoteles im 4. Jahrhundert vor Christus beschrieben.

  • Gib an, wie die Gravitation zwischen drei Massen wirkt.

    Tipps

    Die Erde ist der massereichste Körper in unserem Umfeld. In Deutschland zieht er jedes Kilogramm mit 9,81 N an.

    Schwankt unser Gewicht, wenn die Weltbevölkerung zunimmt?

    Lösung

    Die Gravitation ist ein Kräftefeld. Es wirkt sich auf alle Massen in ihrer Umgebung aus und ist eine rein anziehende Kraft. Die Kraft wirkt immer in alle Raumrichtungen gleich stark und konzentriert sich nie auf nur eine Masse.

    Das sieht man auch daran, dass wir in Deutschland immer mit 9,81 N pro kg angezogen werden. Und dieser Wert variiert nicht, egal wie viele Menschen auf der Erde Leben.

  • Bewerte die Orte anhand der Stärke der wirkenden Gravitationskräfte.

    Tipps

    Die Masse des Himmelskörpers auf dem sich der Ort befindet, wirkt sich stark auf die Gravitation aus.

    Der als Erdbeschleunigung definierte Faktor g ist die Entsprechung der Stärke des Gravitationsfeldes an diesem Ort.

    Lösung

    Die Stärke der Gravitation ist von zwei Faktoren abhängig: zum einen von der Masse des Himmelskörpers und des betrachteten Objektes und zum anderen von der Entfernung von dessen Schwerpunkt.

    So konzentriert sich in der Sonne über 95% der Masse unseres Sonnensystems. Deshalb steht die Sonne in der Mitte des Systems und jede andere Masse bewegt sich in Ellipsen um die Sonne. Damit ist klar, dass die Gravitation im Kern der Sonne am größten ist.

    Alle anderen Orte befinden sich auf der Erde oder in ihrer Nähe. Hier wird nur die Entfernung vom Erdmittelpunkt wichtig zur Einordnung: je näher am Schwerpunkt des Planeten desto stärker die Gravitation. Daher ist die Gravitation außerhalb der Atmosphäre auch am schwächsten.

  • Bestimme die Gravitationskraft zwischen einem Apfel und der Erde.

    Tipps

    Das Ergebnis sollte im Bereich von $F_G$ liegen.

    $F_G=m\cdot g$

    Lösung

    Für die Massenanziehung zwischen 2 Körpern auf der Erde gibt es zwei Gesetze: $F_G=m\cdot g$ und das Gravitationsgesetz. Hierbei ist jedoch wichtig, dass für den Abstand immer vom Erdmittelpunkt aus gemessen wird. Also muss der Erdradius $6371\,\text{km}$ und die Höhe des Apfels addiert werden. Unser Apfel löst sich daher nur in einer Höhe von $20\,\text{m}$ über dem Erdboden vom Baum.

    $F=G\,\cdot\,\frac{m_1\,\cdot\,m_2}{r^2}=6,673⋅10^{−11}\,\frac{\text{m}^3}{\text{kg}\,\cdot\,\text{s}^2}\,\cdot\,\frac{5,976\,\cdot\,10^{24}\,\text{kg}\,\cdot\,0,25\,\text{kg}}{(6371020\,\text{m})^2}=2,46\,\text{N}$

    Vergleich

    $F_G=0,25\,\text{kg}\cdot\,9,81\,\frac{\text{m}}{\text{s}^2}=2,45\,\text{N}$

  • Nenne die Definition der Gravitation.

    Tipps

    Bewegt sich ein Apfel schneller auf einen anderen Apfel zu oder auf den Erdboden?

    Wird der fallende Apfel immer schneller, je näher er dem Boden ist, oder immer langsamer?

    Lösung

    Die Gravitation lässt sich gut mit dem fallenden Apfel verdeutlichen. Der Apfel fällt immer schneller zum Erdboden, je weiter er bereits gefallen ist. Er unterliegt im freien Fall einer konstanten Beschleunigung durch den Faktor g: der Erdbeschleunigung. Zudem zeigt sich, dass jedes Objekt immer am stärksten von der größten Masse angezogen wird.

  • Erkläre Ebbe und Flut über die Gravitationskräfte zwischen Erde, Mond und Sonne.

    Tipps

    Die Gezeiten selbst sind nur von den Gravitationskräften abhängig. Es gibt aber auch Sturmfluten, die durch den Wind bewirkt werden.

    Lösung

    Ebbe und Flut auf der Erde werden durch zwei Himmelskörper bewirkt: die Sonne und den Mond. Die Sonne ist zwar deutlich reicher an Masse als der Mond, jedoch auch viel weiter weg. Daher ist der Effekt des Mondes größer als der Effekt der Sonne. Die Sonne bewirkt in etwa nur die halbe Gezeitenkraft im Vergleich zu unserem Trabanten: dem Mond.

    Interessant sind die Stellung der Sonne und des Mondes zur Erde. Diese lassen sich an den Mondphasen festmachen.

    Bei Vollmond steht die Sonne auf der einen Seite der Erde und der Mond auf der anderen. Diese Konstellation bewirkt eine sehr starke Ebbe.

    Bei Neumond stehen Sonne und Mond auf derselben Seite der Erde. Diese Konstellation bewirkt eine sehr starke Flut.

    Bei Halbmond stehen Sonne und Mond etwa im rechten Winkel zueinander. Hier überlagern sich die Wellenfronten und die Wellenberge genau. Daher bildet sich hier die sogenannte Nipptide aus. Sie ist die schwächste Form der Gezeiten.

    Bei zwei kosmischen Ereignissen verstärken sich diese Effekte noch weiter, da hier Sonne, Erde und Mond exakt auf einer Linie liegen. Dies ist bei einer Sonnenfinsternis oder Mondfinsternis der Fall. Hier wir der größte Flutberg verzeichnet.

    Auf der Nordsee bilden sich durch die Gezeiten und die Küstenformationen drei Gezeitenstrudel aus. Diese überlagern sich stetig. Aus ihnen kann man sehr genau Ebbe und Flut wie auch Sturmfluten vorhersagen.

    In der Ostsee hat die Tide so gut wie keinen Effekt. Hier wirken sich aber die sogenannten Seiches sehr stark aus. Der Wind bewegt das Wasser von der Küste weg. Wenn dieser dann später dreht, kommt das Wasser mit einem Schwung zurück. Auf diese Weise wurde zum Beispiel Kiel schon mehrmals überflutet. Diese Flutberge können auch deutlich höher werden als die gewöhnliche Tide.

    Durch bestimmte Küstenformationen gibt es Orte auf der Welt, bei denen der Tidenhub (durchschnittlicher Unterschied der Wasserhöhe zwischen Flut und Ebbe) mehr als 10 Meter betragen kann.