Physik Step 27 (neu)

Lernkarten zu Step 27 des Grundlagenfachs Physik: Die drei Kepler-Gesetze (Ellipsenbahnen, Flächensatz, drittes Kepler-Gesetz und Anwendung).

Lernkarten zu Step 27 des Grundlagenfachs Physik: Die drei Kepler-Gesetze (Ellipsenbahnen, Flächensatz, drittes Kepler-Gesetz und Anwendung).


R. H.
Cartes-fiches
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Langue
Allemand
Catégorie
Physique
Niveau
Collège
Créé / Mis à jour
23.10.2026 / 23.10.2026

Cartes-fiches

Wie lautet das erste Keplersche Gesetz?

Die Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.

Was ist eine Ellipse, und wo liegt die Sonne?

Eine „gestreckte“ Kreisbahn mit zwei Brennpunkten; die Sonne steht nicht im Mittelpunkt, sondern in einem der beiden Brennpunkte. Die Planetenbahnen sind nur wenig gestreckt, fast Kreise.

Was bedeuten Perihel und Aphel?

Perihel: der sonnennächste Punkt der Bahn; Aphel: der sonnenfernste Punkt. Beide liegen auf der langen Achse der Ellipse, auf gegenüberliegenden Seiten.

Wann ist die Erde im Perihel, wann im Aphel?

Im Perihel Anfang Januar (≈ 147 Mio. km von der Sonne), im Aphel Anfang Juli (≈ 152 Mio. km) – die Jahreszeiten entstehen also nicht durch den Abstand, sondern durch die Neigung der Erdachse.

Wie lautet das zweite Keplersche Gesetz (Flächensatz)?

Die Verbindungslinie Sonne–Planet (der „Fahrstrahl“) überstreicht in gleichen Zeiten gleich grosse Flächen.

Was folgt aus dem zweiten Keplerschen Gesetz für die Geschwindigkeit eines Planeten?

Nahe der Sonne (kurzer Fahrstrahl) muss der Planet in derselben Zeit einen längeren Bogen zurücklegen – er ist dort schneller; weit weg von der Sonne ist er langsamer.

Wo auf der Ellipsenbahn ist die Bahngeschwindigkeit am grössten, wo am kleinsten?

Am grössten im Perihel (sonnennächster Punkt), am kleinsten im Aphel (sonnenfernster Punkt).

Warum wird ein Planet auf dem Weg zum Perihel schneller?

Die Gravitationskraft der Sonne hat auf diesem Bahnstück eine Komponente in Bewegungsrichtung und beschleunigt den Planeten; auf dem Weg zum Aphel bremst sie ihn.

Wie lautet das dritte Keplersche Gesetz in Worten?

Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen der grossen Halbachsen (mittleren Bahnradien) ihrer Bahnen.

Wie lautet das dritte Keplersche Gesetz als Formel?

T₁² / T₂² = a₁³ / a₂³ bzw. T² / a³ = konstant – für alle Körper, die denselben Zentralkörper umkreisen (T = Umlaufzeit, a = grosse Halbachse oder mittlerer Bahnradius).

Was folgt aus dem dritten Keplerschen Gesetz für weit entfernte Planeten?

Je grösser der mittlere Abstand zur Sonne, desto länger die Umlaufzeit – und zwar überproportional: 4-facher Abstand bedeutet 8-fache Umlaufzeit (4³ = 64 = 8²).

Darf man das dritte Keplersche Gesetz für Erde (um die Sonne) und Mond (um die Erde) gemeinsam anwenden?

Nein. Die Konstante T²/a³ gilt nur für Körper um denselben Zentralkörper – Planeten um die Sonne oder Monde um die Erde, nicht gemischt.

Mars hat die grosse Halbachse a = 1,52 AE. Wie lang ist sein Jahr? (Erde: a = 1 AE, T = 1 Jahr)

T_M² / T_E² = a_M³ / a_E³ ⇒ T_M = T_E ⋅ √(1,52³) = 1 Jahr ⋅ √3,51 ≈ 1,9 Jahre

Jupiter ist 5,20 AE von der Sonne entfernt. Wie lange dauert ein Jupiterjahr?

T_J = 1 Jahr ⋅ √(5,20³) = 1 Jahr ⋅ √140,6 ≈ 11,9 Jahre

Ein Asteroid umrundet die Sonne in 8,0 Jahren. Wie gross ist seine grosse Halbachse?

a³ = T² ⋅ (1 AE)³ / (1 Jahr)² = 64 AE³ ⇒ a = ∛64 AE = 4,0 AE

Welche physikalische Bedeutung hat die Konstante im dritten Keplerschen Gesetz?

T² / r³ = 4π² / (G ⋅ M) – sie hängt nur von der Masse M des Zentralkörpers ab; damit lässt sich aus T und r eines Satelliten die Masse des Zentralkörpers bestimmen.

Herleitung des dritten Keplerschen Gesetzes, Schritt 1: Welcher Ansatz steht am Anfang?

Die Gravitationskraft der Sonne ist die Zentripetalkraft des Planeten (Kreisbahn als Näherung): G ⋅ M ⋅ m / r² = m ⋅ v² / r

Herleitung des dritten Keplerschen Gesetzes, Schritt 2: Wie bringt man die Umlaufzeit T ins Spiel?

Die Bahngeschwindigkeit ist Umfang durch Umlaufzeit: v = 2π ⋅ r / T, also v² = 4π² ⋅ r² / T²; einsetzen: G ⋅ M ⋅ m / r² = m ⋅ 4π² ⋅ r / T²

Herleitung des dritten Keplerschen Gesetzes, Schritt 3: Wie kommt man auf T²/r³ = konstant?

Durch m teilen, mit r² und T² multiplizieren: G ⋅ M ⋅ T² = 4π² ⋅ r³ ⇒ T² / r³ = 4π² / (G ⋅ M) – rechts stehen nur Konstanten, also ist T²/r³ für alle Planeten gleich.

Warum tritt die Masse des Planeten im dritten Keplerschen Gesetz nicht auf?

Sie steht in der Gravitationskraft und in der Zentripetalkraft als Faktor und kürzt sich heraus – schwere und leichte Planeten mit gleichem Bahnradius hätten dieselbe Umlaufzeit.

Was ist der Unterschied zwischen Keplers und Newtons Beitrag zur Planetenbewegung?

Kepler (1571–1630) fand die drei Gesetze empirisch aus Beobachtungsdaten (Tycho Brahe) – sie beschreiben die Bahnen. Newton (1643–1727) erklärte sie mit dem Gravitationsgesetz und konnte das dritte Gesetz herleiten.

Gelten die Keplerschen Gesetze auch für Satelliten um die Erde oder Monde um Jupiter?

Ja, für jeden Körper, der einen viel schwereren Zentralkörper umkreist; die Konstante im dritten Gesetz ist dann 4π² / (G ⋅ M) mit der Masse M des jeweiligen Zentralkörpers.

Étudier