Formelsammlung Physik – Grundlagen & Kinematik
Oct 19, 2026 · @Oleksii Petrenko
Alles aus Kapitel 1 und 2.1–2.6 eures Skripts, ohne Kreisbewegung (2.7). Konvention wie im Unterricht: y-Achse nach oben, g = 9,81 m/s², Vektoren als Spalten (x; y).
1 Grundlagen
Größe = Maßzahl · Einheit, z. B. l = 4 cm, also {l} = 4 und [l] = cm.
| Basisgröße | Zeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Zeit | t | s |
| Länge | l | m |
| Masse | m | kg |
| Stromstärke | I | A |
| Temperatur | T | K |
| Stoffmenge | n | mol |
| Lichtstärke | I_V | cd |
Abgeleitete Einheit, Beispiel aus F = m·a:
$$ 1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg}\cdot\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} $$
Weitere nützliche Zerlegungen für den Einheitencheck: 1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s², 1 W = 1 J/s, 1 Pa = 1 N/m².
Präfixe
| Präfix | Zeichen | Faktor | Präfix | Zeichen | Faktor |
|---|---|---|---|---|---|
| Kilo | k | 10³ | Milli | m | 10⁻³ |
| Mega | M | 10⁶ | Mikro | µ | 10⁻⁶ |
| Giga | G | 10⁹ | Nano | n | 10⁻⁹ |
| Tera | T | 10¹² | Piko | p | 10⁻¹² |
| Hekto | h | 10² | Zenti | c | 10⁻² |
| Deka | da | 10¹ | Dezi | d | 10⁻¹ |
Ångström: 1 Å = 10⁻¹⁰ m. Bei Potenzen der Einheit potenziert sich der Faktor mit: 1 cm² = 10⁻⁴ m², 1 cm³ = 10⁻⁶ m³, 1 min⁻² = 1/3600 s⁻².
Umrechnung km/h ↔ m/s: 1 m/s = 3,6 km/h. Also km/h ÷ 3,6 = m/s.
Schreibweisen
- Wissenschaftlich: a · 10ⁿ mit 1 ≤ |a| < 10, z. B. c = 2,998 · 10⁸ m/s
- Technisch: n ist Vielfaches von 3, 1 ≤ |a| < 1000, z. B. c = 299,8 · 10⁶ m/s
- Größenordnung = nächstliegende Zehnerpotenz
Gültige Ziffern (g. Z.)
- Zehnerpotenzen zählen nicht
- Führende Nullen zählen nicht (0,0150 hat 3 g. Z.)
- Alle anderen Ziffern zählen, auch Endnullen (149,600 hat 6 g. Z.)
- Ergebnis bekommt so viele g. Z. wie die ungenaueste gegebene Größe
- Explizite Fehlerangabe: r = (149,6 ± 2,5) · 10⁶ km; implizit bei 149,6 · 10⁶ km heißt ± 0,05 · 10⁶ km
Skalar oder Vektor
- Skalar (nur Betrag): Zeit, Masse, Temperatur, Strecke, Tempo, Energie
- Vektor (Betrag und Richtung): Ort r⃗, Geschwindigkeit v⃗, Beschleunigung a⃗, Kraft F⃗
- Tempo = Betrag der Geschwindigkeit: v = |v⃗|
Lösungsschema für Rechenaufgaben
- Geg. / Ges. mit den Bezeichnungen aus der Aufgabe aufschreiben
- Skizze (optional)
- Modell wählen (gleichförmig, beschleunigt, freier Fall, Wurf …)
- Formeln allgemein aufstellen, noch keine Zahlen einsetzen
- So viele Gleichungen wie Unbekannte
- Hilfsgrößen eliminieren (Einsetz- oder Gleichsetzverfahren)
- Nach der gesuchten Größe auflösen
- Zahlen mit Einheiten einsetzen
- Einheitencheck
- Größenordnungscheck
2 Gleichförmige Bewegung (v = const)
Die Geschwindigkeit ändert weder Betrag noch Richtung, also reicht eine Koordinate x(t). Start zur Zeit t₀ am Ort x₀ mit v₀:
$$ v = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{x - x_0}{t - t_0} $$
$$ a(t) = 0 \qquad v(t) = v_0 \qquad x(t) = v_0\,(t - t_0) + x_0 $$
Mit t₀ = 0 und x₀ = 0 wird daraus das bekannte s = v · t.
- x(t)-Diagramm: Gerade, Steigung = v
- v(t)-Diagramm: waagrechte Linie, Fläche darunter = zurückgelegte Strecke Δx
- v < 0 heißt Rückwärtsbewegung (fallende Gerade im x(t)-Diagramm)
Einholen und Treffen (zwei Körper A und B): beide Ort-Zeit-Gleichungen aufstellen, gleichsetzen, nach t auflösen, t in eine Gleichung einsetzen.
$$ x_A(t_T) = x_B(t_T) $$
- Aufeinander zu (Abstand d): t = d / (v_A + v_B)
- Hinterher mit Vorsprung d: t = d / (v_A − v_B)
- Startet einer später, steht bei ihm (t − t₀) statt t
Mittlere und Momentangeschwindigkeit
$$ \bar v = \frac{\Delta x}{\Delta t} \qquad v(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{\Delta x}{\Delta t} = \dot x(t) = \frac{dx}{dt} $$
- Mittlere Geschwindigkeit = Steigung der Sekante im x(t)-Diagramm
- Momentangeschwindigkeit = Steigung der Tangente (Ableitung)
- Falle: halbe Strecke mit v₁, halbe mit v₂ ergibt nicht den Durchschnitt. Richtig ist v̄ = Gesamtstrecke / Gesamtzeit, hier v̄ = 2·v₁·v₂ / (v₁ + v₂). Nur bei halber Zeit je Tempo gilt v̄ = (v₁ + v₂) / 2.
3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung (a = const)
Die Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit. a > 0 heißt schneller werden (bei v > 0), a < 0 heißt Bremsen (Verzögerung).
$$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \dot v(t) = \ddot x(t) \qquad [a] = \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} $$
Bewegungsgleichungen (Start zur Zeit t₀ am Ort x₀ mit v₀):
$$ \begin{aligned} a(t) &= a\\ v(t) &= a\,(t-t_0) + v_0\\ x(t) &= \tfrac12\,a\,(t-t_0)^2 + v_0\,(t-t_0) + x_0 \end{aligned} $$
Aus der Ruhe vom Ursprung (t₀ = 0, v₀ = 0, x₀ = 0): v = a·t und s = ½·a·t².
Zeitfreie Gleichung (t eliminiert, t₀ = 0). Nutzen, wenn keine Zeit gegeben oder gesucht ist:
$$ v^2 - v_0^2 = 2\,a\,(x - x_0) $$
Weg aus Durchschnittsgeschwindigkeit (Trapezfläche im v(t)-Diagramm). Nutzen, wenn a unbekannt ist:
$$ \Delta x = \frac{v_0 + v}{2}\,\Delta t $$
Typische Umstellungen
| Gesucht | Formel | Bedingung |
|---|---|---|
| Zeit bis Endgeschwindigkeit | t = (v − v₀) / a | |
| Bremsweg bis Stillstand | s = v₀² / (2·a_B) | v = 0; a_B = Betrag der Bremsverzögerung |
| Bremszeit bis Stillstand | t = v₀ / a_B | v = 0; a_B = Betrag der Bremsverzögerung |
| Beschleunigung aus Weg und Zeit, aus Ruhe | a = 2·s / t² | v₀ = 0 |
| Endgeschwindigkeit aus Weg, aus Ruhe | v = √(2·a·s) | v₀ = 0 |
Diagramme
- a(t): waagrechte Linie; Fläche darunter = Δv
- v(t): Gerade, Steigung = a, Fläche = Δx
- x(t): Parabel; nach oben geöffnet bei a > 0, nach unten bei a < 0; Scheitel dort, wo v = 0
Reaktionsweg + Bremsweg: Während der Reaktionszeit t_R fährt das Auto gleichförmig weiter.
$$ s_{\text{Anhalte}} = v_0\,t_R + \frac{v_0^2}{2\,|a|} $$
Quadratische Gleichungen entstehen oft beim Auflösen nach t. Mitternachtsformel:
$$ t_{1,2} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} $$
Nur die physikalisch sinnvolle Lösung nehmen (meist t > 0 und nach dem Start).
Herleitung durch Integration (Differentialgleichung): Aus a(t) = a folgt durch Integrieren v(t) = a·(t − t₀) + v₀. Nochmals integrieren ergibt x(t). Die Integrationskonstanten sind die Anfangswerte v₀ und x₀.
Auffahren knapp vermeiden: A fährt mit v_A,0 hinter B (konstant v_B) und bremst bei Abstand d₀ mit dem Betrag a₀. Grenzfall: A erreicht v_B genau in dem Moment, in dem er B erreicht.
$$ a_0 = \frac{(v_{A,0} - v_B)^2}{2\,d_0} $$
Kein Aufprall, wenn die Verzögerung mindestens diesen Wert hat.
4 Freier Fall und senkrechter Wurf
Nur die Schwerkraft wirkt; die Beschleunigung hängt nicht von Masse oder Form ab. g liegt zwischen 9,78 m/s² (Äquator) und 9,83 m/s² (Pole), Standardwert g = 9,81 m/s². Bei y-Achse nach oben gilt a = −g.
Freier Fall aus Höhe y₀ (v₀ = 0):
$$ a(t) = -g \qquad v(t) = -g\,t \qquad y(t) = -\tfrac12\,g\,t^2 + y_0 $$
$$ t_{\text{Fall}} = \sqrt{\frac{2\,y_0}{g}} \qquad |v_{\text{Aufprall}}| = \sqrt{2\,g\,y_0} \qquad h = \frac{v^2}{2\,g} $$
Senkrechter Wurf aus Höhe y₀ mit v₀ (v₀ > 0 nach oben, v₀ < 0 nach unten):
$$ a(t) = -g \qquad v(t) = -g\,t + v_0 \qquad y(t) = -\tfrac12\,g\,t^2 + v_0\,t + y_0 $$
| Größe | Formel | Bedingung |
|---|---|---|
| Steigzeit bis Umkehrpunkt | t_S = v₀ / g | v(t_S) = 0 |
| Steighöhe über Abwurf | h = v₀² / (2g) | |
| Maximale Höhe | y_max = y₀ + v₀² / (2g) | |
| Rückkehr zur Abwurfhöhe | t = 2·v₀ / g = 2·t_S | Steig- und Fallzeit gleich lang |
| Geschwindigkeit bei Rückkehr | v = −v₀ | gleiches Tempo, umgekehrte Richtung |
| Aufprall auf y = 0 | y(t) = 0 lösen (quadratisch) | positive Lösung nehmen |
Diagramme: v(t) ist eine fallende Gerade mit Steigung −g und Nullstelle am Umkehrpunkt. y(t) ist eine nach unten geöffnete Parabel mit dem Scheitel am Umkehrpunkt.
Brunnen mit Schall (gestoppte Gesamtzeit T = Fallzeit + Schallzeit):
$$ T = \sqrt{\frac{2h}{g}} + \frac{h}{c_{\text{Schall}}} $$
Lösen: √h = z substituieren, dann quadratische Gleichung in z.
5 Waagrechter und schiefer Wurf
Grundidee (Unabhängigkeitsprinzip): Horizontal und vertikal getrennt rechnen. x-Richtung: gleichförmig. y-Richtung: freier Fall bzw. senkrechter Wurf. Beide Bewegungen haben dieselbe Zeit t. Darum fällt ein waagrecht geworfener Körper genau so schnell wie ein fallen gelassener.
Koordinatenfreie Form (gilt für jeden Wurf):
$$ \vec r(t) = \tfrac12\,\vec a\,t^2 + \vec v_0\,t + \vec r_0 \qquad \vec v(t) = \vec a\,t + \vec v_0 \qquad \vec a = \begin{pmatrix}0\\-g\end{pmatrix} $$
Schiefer Wurf (Abwurfwinkel α, Höhe y₀)
$$ \vec v_0 = \begin{pmatrix} v_0\cos\alpha \\ v_0\sin\alpha \end{pmatrix} \qquad \vec r_0 = \begin{pmatrix}0\\y_0\end{pmatrix} $$
$$ \vec r(t) = \begin{pmatrix} v_0\cos\alpha\; t \\ -\tfrac12 g t^2 + v_0\sin\alpha\; t + y_0 \end{pmatrix} \qquad \vec v(t) = \begin{pmatrix} v_0\cos\alpha \\ -g\,t + v_0\sin\alpha \end{pmatrix} $$
Bahngleichung (t = x / (v₀ cos α) in y einsetzen), eine nach unten geöffnete Parabel:
$$ y(x) = -\frac{g}{2\,v_0^2\cos^2\alpha}\,x^2 + \tan\alpha\; x + y_0 $$
| Größe | Formel | Bedingung |
|---|---|---|
| Zeit bis Scheitel | t_S = v₀·sin α / g | v_y = 0 |
| Scheitelhöhe | y_max = y₀ + (v₀·sin α)² / (2g) | |
| Flugzeit | y(t_A) = 0 lösen | bei y₀ = 0: t_A = 2·v₀·sin α / g |
| Wurfweite | x_A = v₀·cos α · t_A | bei y₀ = 0: x_A = v₀²·sin(2α) / g |
| Größte Weite | α = 45° | nur bei y₀ = 0 |
| Gleiche Weite | α und 90° − α | bei y₀ = 0 |
| Winkel aus Weite | sin(2α) = x·g / v₀² | zwei Lösungen: α und 90° − α |
Waagrechter Wurf (α = 0°)
$$ x(t) = v_0\,t \qquad y(t) = -\tfrac12\,g\,t^2 + y_0 \qquad y(x) = -\frac{g}{2\,v_0^2}\,x^2 + y_0 $$
$$ t_A = \sqrt{\frac{2\,y_0}{g}} \qquad x_A = v_0\sqrt{\frac{2\,y_0}{g}} \qquad v_0 = x_A\sqrt{\frac{g}{2\,y_0}} $$
Auftreffgeschwindigkeit (jeder Wurf)
Die Bahngeschwindigkeit liegt tangential zur Bahn.
$$ v = \sqrt{v_x^2 + v_y^2} \qquad \tan\beta = \frac{|v_y|}{v_x} $$
β ist der Winkel gegen die Horizontale (Auftreffwinkel). Ohne Zeit: |v| = √(v₀² + 2·g·y₀), weil v_x konstant bleibt und v_y² = v₀ᵧ² + 2·g·y₀ gilt.
Rückwärts rechnen (aus v_A und β auf den Abwurf): v_x = v_A·cos β bleibt konstant, v_y,A = −v_A·sin β, dann v_y,0 = v_y,A + g·t.
Affenschuss: Zielt man direkt auf einen Körper, der im Moment des Schusses fallen gelassen wird, trifft man immer. Beide fallen in derselben Zeit um ½·g·t² unter ihre geradlinige Bahn.
6 Diagramme und typische Fallen
Zwischen den Diagrammen wechseln: Nach unten (x → v → a) ableiten, also die Steigung ablesen. Nach oben (a → v → x) integrieren, also die Fläche ablesen.
| Diagramm | Steigung bedeutet | Fläche bedeutet | gleichförmig | gleichmäßig beschleunigt |
|---|---|---|---|---|
| x(t) | v | – | Gerade | Parabel |
| v(t) | a | Δx | waagrecht | Gerade |
| a(t) | – | Δv | auf der Null-Linie | waagrecht |
- Fläche unter der t-Achse im v(t)-Diagramm zählt negativ (Rückwärtsbewegung)
- Abschnittsweise Bewegungen: Endwerte (t, v, x) eines Abschnitts sind die Startwerte des nächsten
- Ein Knick im x(t)-Diagramm bedeutet einen Sprung in v (nur in Idealisierung)
- Beim Skizzieren müssen die Kurvenart (Gerade, Parabel) und markante Punkte (Scheitel, Schnittpunkte, Nullstellen) stimmen
Typische Fallen
- km/h vor dem Rechnen in m/s umrechnen (÷ 3,6), Minuten in Sekunden
- Vorzeichen: Bremsen heißt a < 0, Fallen heißt a = −g bei y-Achse nach oben
- Bei Würfen erst v₀ in v₀ₓ und v₀ᵧ zerlegen; der Taschenrechner muss im DEG-Modus stehen
- Wurfweite x_A = v₀²·sin(2α)/g gilt nur, wenn Abwurf- und Auftreffhöhe gleich sind
- Durchschnittsgeschwindigkeit nie als Mittelwert der Tempi bilden, sondern Gesamtweg / Gesamtzeit
- Ergebnis auf die g. Z. der ungenauesten Angabe runden, Zwischenergebnisse genauer lassen
- Startet ein Körper später, x(t) mit (t − t₀) schreiben
- Beim Treffen/Einholen mit Beschleunigung: zwei Gleichungen (Ort gleich) und ggf. Geschwindigkeit gleich für “ganz knapp”