Grundbegriffe und Beispiele zu mechanischen Wellen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 14. November 2012, 21:06 Uhr

Was ist eine Welle?

Beispiele

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  Das ist eine Welle!

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  Es regnet (Video von fallenden Tropfen)

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  immer noch...

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  Eine Wasseroberfläche

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  La Ola (Simulation)

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  Stauwellen (Simulation der Uni Duisburg zeigen.)

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  Erdbebenwellen trafen SanFrancisco

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  und ihre Ausbreitung im Erdinneren

• 

  Eine Lärmschutzwand (Hängt der Lärm vom Wetter ab?)

• Schall
• elektro-magnetische Welle
• Licht (?)
• Gittarrensaite

Definition

Der Begriff ist nicht einfach zu fassen, aber als wesentliche Punkte kann man festhalten:

Eine Welle entsteht durch eine Schwingung, die mit anderen Schwingern gekoppelt ist 
und sich so ausbreiten kann.
Eine mechanische Welle transportiert Energie und Impuls ohne einen Massetransport.

Wichtigste Eigenschaften

Wellen werden an Hindernissen reflektiert.
Wellen können in den Schattenraum eines Hindernisses eindringen. (Beugung)
Wellen können sich überlagern. (Interferenz)

Begriffe

Longitudinalwelle

Eine Schallwelle ist eine Longitudinal- oder auch Druckwelle. Bei einer Longitudinalwelle schwingen die Teilchen in der Ausbreitungsrichtung der Welle.

Transversalwelle

Eine Wasserwelle ist eine Transversalwelle^[1] . Bei einer Transversalwelle schwingen die Teilchen vertikal zur Ausbreitungsrichtung.

Wellenträger

So bezeichnet man den Gegenstand innerhalb dessen sich die mechanische Welle ausbreitet.

Wellenzug/Wellenpaket/Wellengruppe

Der Wellenzug ist die Störung, die "losgeschickt" wurde.

Phasengeschwindigkeit

Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit mit der sich eine Phase in Schwingungsrichtung fortbewegt. (Z.B. Ein "Hochpunkt" der Störung.) (Im Unterschied dazu versteht man unter der Gruppengeschwindigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der "Einhüllenden" des Wellenpakets. Die beiden Geschwindigkeiten unterscheiden sich nur dann, wenn die Phasengeschwindigkeit von der Frequenz abhängig ist. (Sogenannte Dispersion) )

Lineare/ebene Welle

In einer linearen Welle breitet sich die Welle nur längs einer Raumrichtung aus. Kugelwellen, Kreiswellen oder Zylinderwellen sind also keine linearen/ebenen Wellen. Ausserdem nimmt man lineare Wellen als zeitlich und räumlich unbegrenzt an. Sie haben also keinen Anfang und kein Ende und sind eine Idealisierung der Realität.

harmonische Welle

Bei dieser Welle sind alle Schwingungen harmonisch. Dies ist in der Natur nie exakt erfüllt. Vor allem bei größeren Amplituden der beteiligten Schwingungen, ähnlich dem Fadenpendel.

Amplitude einer linearen Welle

Eine zeitlich und räumlich unbegrenzte Welle hat an jeder Stelle im Raum eine Amplitude. Sind diese alle gleich, wie bei einer linearen Welle, kann man auch von der Amplitude der Welle sprechen.

Frequenz einer Welle

Wenn alle beteiligten Schwingungen mit der gleichen Frequenz schwingen, kann man auch von der Frequenz der Welle sprechen. Bei einer linearen Welle ist dies der Fall.

Wellenlänge

Die Wellenlänge ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Schwingungen, die phasengleich schwingen.

Wellenfronten (grün) ("wandern mit") und Wellenstrahlen (rot) bei einer Kreiswelle.

Wellenfront

Verbindet man die benachbarten Orte im Raum, an denen die Schwingungen phasengleich sind, zB. alle "Berge", so erhält man Linien senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Sie heißen Wellenfronten und sind im Raum bei ebenen Wellen Ebenen, bei Kugelwellen Kugeln. Bei zweidimensionalen Wellen findet man bei der ebenen Welle Geraden und bei Kreiswellen Kreise:). Eindimensional ist das langweilig.

Wellenstrahlen

Sie geben die Ausbreitungsrichtung der Welle an und sind senkrecht zu den Wellenfronten.

Physikalische Fragestellungen

• Wovon hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit ab? ____(Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle)
• Wovon hängt die Wellenlänge ab? __________________(Wellenlänge, Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit)
• Wie ändert sich die Amplitude im Raum? ____________(Energietransport einer Welle (Intensität))
• Was passiert, wenn Wellen aufeinandertreffen? _______(Interferenz; Überlagerung von Wellen)
• Was passiert, wenn die Welle auf ein Hindernis trifft? __(Reflektion und Brechung; Beugung an Öffnungen und Hindernissen)

Versuche

Versuch: La Ola-Welle

Wir stehen im Kreis und versuchen uns an La Ola-Wellen. Zuerst legen wir fest wer beginnt und in welche Richtung die Welle laufen soll. Die Hände sind gestreckt und können sich nach oben oder unten bewegen. (Aufstehen müssen wir nicht.)

Am einfachsten ist ein fortlaufender Berg. Eine komplette Wellenlänge mit Berg und Tal ist schon recht schwierig weiterzuleiten. Und der Versuch einer linearen unbegrenzten Welle bringt recht schnell Chaos ins Ganze :)

Man kann auch noch versuchen eine schnelle oder langsame Welle laufen zu lassen. Auch verschiedene Wellenlängen kann man erzeugen.

Versuch: Die Wellenmaschine

Die kleine Wellenmaschine.

Die große Wellenmaschine mit Anhaltemöglichkeit (roter Hebel rechts).

Versuch: Seilwellen

Spiralfedern, mit denen man Seilwellen beobachten kann.

Applet: Seilwelle

In diesem Applet wird eine Seilwelle simuliert. Man kann die Periodendauer und die Amplitude verändern.

Versuch: Magnetrollen

Magnetrollen auf einer Schiene.

Versuch: Wellen in einer langen Feder

Lange Spiralfeder, nicht verknotet ;)

Mit einer großen Feder kann man Transversalwellen und Longitudinalwellen beobachten. Auch deren Reflektion und verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Federspannung.

Applet: Eine Schallwelle

In diesem Applet von wird die Dichteverteilung und die Bewegung der Luft hinter einem Lautsprecher simuliert. Man kann die Frequenz, die Amplitude und die Schallgeschwindigkeit einstellen.

Versuch: Die Wellenwanne

Eine Wellenwanne für den Overheadprojektor.

• Tropfen fallen lassen

Versuch: gekoppelte Pendel

Fußnoten

1. ↑ Dies gilt nur bei kleinen Ampiltuden einer Wasserwelle, wenn im wesentlichen die Oberflächenspannung die Wasserteilchen koppelt (Kapillarwelle). Bei großen Amplituden koppelt die Schwerkraft die Teilchen und die Bewegung des Wassers wird komplexer (Schwerewellen).