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Längenkontraktion

Ein bewegter Körper wird in Bewegungsrichtung kürzer gemessen als in seinem Ruhesystem. Entscheidend ist, wann und in welchem Bezugssystem seine Enden erfasst werden.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Finde heraus, was du schon kannst

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Nur die Zahl in m eingeben.

Nur die Zahl in m eingeben.

Nur die Zahl in ohne Einheit eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. 80 – L = 100 · 0,8 = 80 m.
  2. 10 – Die Breite beträgt auch im Labor 10 m.
  3. 3 – γ = 90/30 = 3.

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Lernschritt 1

Längenmessung braucht eine Zeitangabe

Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem ein kräftefreier Körper ruht oder sich geradlinig gleichförmig bewegt. Die spezielle Relativitätstheorie beruht auf zwei Aussagen: Die physikalischen Gesetze gelten in allen Inertialsystemen gleich, und Licht hat im Vakuum in jedem dieser Systeme dieselbe Geschwindigkeit c.

Es gibt kein ausgezeichnetes absolutes Ruhesystem. Wir nennen eines der Systeme im Beispiel „Labor“. Das ist eine praktische Wahl, keine besondere Stellung dieses Systems. Gravitation und Beschleunigungsphasen lassen wir hier außen vor.

Ein Stab liegt parallel zur Bewegungsrichtung. Seine Enden bewegen sich im Labor. Um seine Länge zu bestimmen, muss das Labor die Position beider Enden gleichzeitig erfassen. Misst es das hintere Ende erst später, hat sich der Stab inzwischen weiterbewegt.

„Gleichzeitig“ meint hier gleichzeitig nach den synchronisierten Uhren des Labors. Zwei räumlich getrennte Ereignisse, die im Labor gleichzeitig sind, sind im Stab-Ruhesystem im Allgemeinen nicht gleichzeitig.

Lernschritt 2

Eigenlänge und bewegte Länge

Eigenlänge L₀: Länge des Körpers in seinem eigenen Ruhesystem, in dem seine Enden feste Positionen besitzen.

Länge L im Labor: Differenz der gleichzeitig im Labor gemessenen Endpositionen des bewegten Körpers.

Der Körper wird dabei nicht wie eine Feder mechanisch zusammengedrückt. Die unterschiedlichen Messwerte gehören zu unterschiedlichen Bezugssystemen und deren Gleichzeitigkeit. Es handelt sich auch nicht einfach um das Aussehen auf einem Foto; Lichtlaufzeiten beeinflussen optische Bilder zusätzlich.

Ruhesystem des SchiffsL₀ = 150 mLabor: v = 0,80c →L = 90 m

Zwei Messwerte, derselbe Körper. In Bewegungsrichtung erhält das Labor 90 m statt 150 m. Die senkrechte Breite bleibt unverändert; deshalb sind die beiden Balken gleich hoch.

Die Balken zeigen die Längen im gleichen Maßstab, keine fotografische Ansicht. Für die Laborlänge werden beide Enden gleichzeitig im Labor erfasst.

Lernschritt 3

Nur die Richtung parallel zur Bewegung

γ = 1√(1 − β²);   β = vc

L = L₀γ = L₀ · √(1 − β²)

Die Formel gilt für die Längenkomponente parallel zur Relativbewegung. Senkrechte Abmessungen bleiben bei diesem Vergleich unverändert. Bei einem schräg orientierten Körper müssen die parallele und die senkrechte Komponente getrennt betrachtet werden.

Für v = 0 gilt L = L₀. Für 0 < v < c ist die parallel gemessene Länge kleiner. Die Eigenlänge ist daher die größte Länge in diesem Vergleich. Ein materieller Körper erreicht im Modell kein v = c.

So gehst du bei Aufgaben vor

  1. Eigenlänge erkennen

    L₀ wird im Ruhesystem des Körpers gemessen. L bezeichnet hier die Länge des bewegten Körpers im Labor.

  2. Messrichtung und Gleichzeitigkeit prüfen

    Die Formel betrifft die Richtung parallel zur Bewegung. Beide Endpositionen müssen im messenden System gleichzeitig erfasst werden.

  3. Geschwindigkeitsfaktor berechnen

    β = v/c und √(1 − β²) bestimmen. Dieser Faktor liegt für einen bewegten materiellen Körper zwischen 0 und 1.

  4. Länge berechnen und vergleichen

    L = L₀√(1 − β²). Die parallel gemessene Laborlänge darf nicht größer als die Eigenlänge sein; quer bleibt die Abmessung unverändert.

Lernschritt 4

Ein Stab mit 100 m Eigenlänge

Bei v = 0,60c misst das Labor L = 80,00 m. Im Stab-Ruhesystem bleibt L₀ = 100 m.
Gleicher Stab · Messwerte in zwei BezugssystemenRuhesystemEigenlänge L₀ = 100 mLaborL = 80,00 m0100 mVergleich von Längenwerten · kein Foto · Bewegung parallel zum Stab
Die Balken stellen zwei Messwerte im gleichen Maßstab gegenüber. Sie zeigen nicht zwei gleichzeitig im selben System vorhandene Stäbe. Die Enden werden für jeden Längenwert im jeweils messenden System gleichzeitig erfasst.
Unterrichtsimpuls

Stelle v = 0,80c ein. Im Labor beträgt die Länge 60 m. Welche Länge misst eine mit dem Stab mitbewegte Person? Weiterhin 100 m. Frage anschließend nach der Höhe des Stabes: Eine zur Bewegung senkrechte Höhe wird nicht kontrahiert.

Lernschritt 5

Ein Raumschiff mit 150 m Eigenlänge

Beispiel · Schritt für Schritt

1 · Länge im Labor berechnen

Ein Raumschiff mit 150 m Eigenlänge bewegt sich entlang seiner Längsachse mit 0,80c. Welche Länge misst das Labor?

L₀ = 150 m · β = 0,80 · gesucht: L

Rechenweg: 1 · Länge im Labor berechnen
Rechnung Erklärung zum Schritt
√(1 − β²) = √(1 − 0,64)
= 0,60
1Verkürzungsfaktor bestimmen

Verwende das dimensionslose Verhältnis v/c.

L = L₀ · √(1 − β²)
= 150 m · 0,60 = 90 m
2Parallele Länge berechnen

Das Labor bestimmt Bug und Heck gleichzeitig nach seinen synchronisierten Uhren.

Besatzung: 150 m
Labor: 90 m
3Messwerte zuordnen

Die Besatzung misst weiterhin die Eigenlänge. Das Schiff wird nicht mechanisch zusammengedrückt.

Ergebnis: Das Labor misst 90 m, die Besatzung weiterhin 150 m.

Beispiel · Schritt für Schritt

2 · Längs- und Querrichtung unterscheiden

Das Raumschiff ist im Ruhesystem 150 m lang und 20 m breit. Es bewegt sich mit 0,80c entlang der Längsachse.

L₀ = 150 m · Breite = 20 m · √(1 − β²) = 0,60

Rechenweg: 2 · Längs- und Querrichtung unterscheiden
Rechnung Erklärung zum Schritt
Lparallel = 150 m · 0,60
= 90 m
1Parallele Abmessung umrechnen

Nur die Komponente in Bewegungsrichtung wird kontrahiert.

Lquer = 20 m
2Querabmessung übernehmen

Die Breite steht senkrecht zur Bewegung und bleibt bei diesem Vergleich unverändert.

Ergebnis: Das Labor erhält 90 m Länge und 20 m Breite. Ein Foto ist eine andere Art der Beobachtung.
Vertiefung · Geschwindigkeit aus dem Längenverhältnis

Beispiel · Schritt für Schritt

3 · Von zwei Längen zu v

Ein Stab besitzt 100 m Eigenlänge. Das Labor misst parallel zur Bewegung 80 m. Bestimme den Geschwindigkeitsbetrag.

L₀ = 100 m · L = 80 m

Rechenweg: 3 · Von zwei Längen zu v
Rechnung Erklärung zum Schritt
LL₀ = 80 m100 m = 0,80
1Längenverhältnis bilden

Die Einheiten kürzen sich. Das Verhältnis entspricht √(1 − β²).

β = √[1 − (L/L₀)²]
= √(1 − 0,80²)
= 0,60
2Gleichung nach β auflösen

Das Längenverhältnis darf im verwendeten Modell nicht größer als 1 sein.

v = 0,60c
3Geschwindigkeit deuten

Aus dem Längenverhältnis erhältst du nur den Betrag, keine Bewegungsrichtung.

Ergebnis: Der Stab bewegt sich mit v = 0,60c relativ zum Labor.

Lernschritt 6

Warum dieselben Messereignisse nicht genügen

Markiert das Labor beide Endpositionen gleichzeitig, gehören dazu zwei Ereignisse an verschiedenen Orten. Im Stab-Ruhesystem liegen diese beiden Ereignisse im Allgemeinen zu verschiedenen Zeiten. Für eine dortige gleichzeitige Längenmessung wird deshalb ein anderes Ereignispaar verwendet.

Das ist der Grund, warum unterschiedliche Längenmessungen zusammenpassen. Wer nur die Ortsangaben umrechnet und die Zeitangaben ignoriert, vergleicht unterschiedliche Messvorschriften.

Die Zeitdilatation und die Längenkontraktion gehören zur selben Theorie. Bei Zeitdilatation sucht man zwei Ereignisse an einer mitbewegten Uhr; bei Längenkontraktion sind gleichzeitige Ereignisse an zwei Enden entscheidend.

Eine Laborzeit tHeck: x₁Bug: x₂L = x₂ − x₁Beide Positionen bei gleichem t

Eine Länge braucht zwei Ortsangaben zur selben Zeit. Das Labor erfasst Heck und Bug gleichzeitig nach seinen synchronisierten Uhren und bildet die Differenz der Positionen.

Würde es das zweite Ende später erfassen, wäre das Schiff inzwischen weitergeflogen. Im Ruhesystem des Schiffs sind diese beiden Labor-Messereignisse im Allgemeinen nicht gleichzeitig.

Lernschritt 7

Typische Fehler vermeiden

Mit γ multiplizieren: Für die bewegte parallele Länge wird L₀ durch γ geteilt.

Alle Richtungen verkürzen: Senkrechte Komponenten bleiben unverändert.

Enden zu verschiedenen Laborzeiten messen: So erhält man nicht die gesuchte Laborlänge.

Ein Foto mit einer Koordinatenmessung gleichsetzen: Licht von verschiedenen Stellen kann unterschiedlich lange unterwegs sein.

Selbst ausprobieren

Üben & prüfen

Mit Tipps lernen oder ohne Hilfe testen – du entscheidest.

Wähle deine Stufe. Du löst jeweils sechs Aufgaben mit direkter Rückmeldung, Tipps und Rechenwegen.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Löse die Aufgaben ohne Nachschlagen. Bei Zahlen sind Dezimalkomma und Dezimalpunkt möglich. Verwende keine Tausenderpunkte.

Nur die Zahl in m eingeben.

Nur die Zahl in m eingeben.

Nur die Zahl in ohne Einheit eingeben.

Lösungen mit Erklärungen
  1. 400 – L = 500 · 0,8 = 400 m.
  2. 50 – Die Breite beträgt auch im Labor 50 m.
  3. 3 – γ = 450/150 = 3.

Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.

Eigene Werte einsetzenMit dem Physikhelfer

Physikhelfer

Eigene Werte einsetzen

Berechne bewegte Länge, Eigenlänge oder Relativgeschwindigkeit. Die Formel gilt parallel zur Bewegung; die Endpunkte werden im betrachteten System gleichzeitig gemessen. Wähle deine gesuchte Größe und lass dir den Rechenweg Schritt für Schritt zeigen.

Passende Aufgabe öffnen →

Kostenlos und ohne Anmeldung. Ein Rücklink führt dich wieder zu dieser Erklärung.

Lieber auf Papier? 6 Aufgaben mit aufklappbaren Lösungen

Auf Papier üben

Erst vorhersagen oder selbst rechnen, dann die Lösung öffnen.

1 · Welche Länge misst man im Ruhesystem des Körpers?

Lösung ansehen

Die Eigenlänge L₀.

2 · L₀ = 120 m und γ = 2. Wie groß ist L?

Lösung ansehen

60 m.

3 · Was gilt bei v = 0?

Lösung ansehen

L = L₀.

4 · Wird eine senkrecht zur Bewegung liegende Höhe kontrahiert?

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Nein, nicht durch diese Längenkontraktion.

5 · Wann müssen die Endpositionen im Labor bestimmt werden?

Lösung ansehen

Gleichzeitig nach den synchronisierten Laboruhren.

6 · L = 0,60L₀: Wie groß ist der Geschwindigkeitsbetrag?

Lösung ansehen

v = 0,80c.

Fachlicher Abgleich der Grundlagen: OpenStax · University Physics.

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