Physik 7–10: Schall, Schwingungen und Wellen
Das lernst du
- Ich kann mit der Schallgeschwindigkeit Weg und Zeit berechnen.
- Ich kann Entfernungen mit dem Echo bestimmen.
- Ich kann zwischen Frequenz und Periodendauer umrechnen.
- Ich kann Tonhöhe und Lautstärke aus einem Schwingungsbild ablesen.
- Ich kann mit c = λ · f Wellenlänge und Frequenz berechnen.
- Ich kann vorhersagen, wovon die Schwingungsdauer eines Fadenpendels abhängt.
Merksätze
Schall ist eine Schwingung, die von Teilchen zu Teilchen weitergegeben wird.
In Luft schafft er 340 m je Sekunde, in Wasser 1500 m, in Stahl 5000 m: s = v · t.
Ein Echo ist Schall, der an einer Wand zurückkommt.
In der gemessenen Zeit läuft er hin und zurück. Deshalb gilt für die Entfernung s = v · t : 2.
Die Periodendauer T ist die Zeit für eine Schwingung.
Die Frequenz f zählt die Schwingungen in einer Sekunde, in Hertz. Es gilt f = 1 : T und T = 1 : f, die Zeit in Sekunden.
Mehr Schwingungen in derselben Zeit heißt ein höherer Ton.
Ein größerer Ausschlag, die Amplitude, heißt ein lauterer Ton. T liest man über mehrere Schwingungen ab.
Die Wellenlänge λ reicht von einem Wellenberg bis zum nächsten.
Die Geschwindigkeit ist Wellenlänge mal Frequenz: c = λ · f. Hohe Töne haben kurze Wellen.
Die Schwingungsdauer hängt nur von der Fadenlänge ab, nicht von der Masse.
Viermal so lang heißt doppelt so lange. Man misst zehn Schwingungen und teilt.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Du siehst einen Blitz. Den Donner hörst du 2 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist das Gewitter entfernt? Berechne mit Einheit.
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 2 s
- s = 680 m
Ergebnis: 680 m
Ein Wal ruft unter Wasser. Ein Messgerät hört ihn 0,2 s später (Luft 340 m/s, Wasser 1500 m/s, Stahl 5000 m/s). Wie weit ist der Wal entfernt? Berechne mit Einheit.
- s = v · t mit v in Wasser
- s = 1500 m/s · 0,2 s
- s = 300 m
Ergebnis: 300 m
Du rufst gegen eine Felswand. Das Echo kommt nach 0,5 s zurück (v = 340 m/s). Wie weit ist die Felswand entfernt? Berechne mit Einheit.
- Der Schall läuft hin und zurück: s = v · t : 2
- Hin und zurück: 340 m/s · 0,5 s = 170 m
- Bis zur Wand: 170 m : 2 = 85 m
Ergebnis: 85 m
Du rufst gegen eine Felswand. Die Felswand ist 85 m entfernt (v = 340 m/s). Nach wie vielen Sekunden hörst du das Echo? Berechne mit Einheit.
- Der Schall muss hin und zurück: Weg = 2 · Entfernung
- 2 · 85 m = 170 m
- t = 170 m : 340 m/s = 0,5 s
Ergebnis: 0,5 s
Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig
Im Wasser ist der Schall langsamer: s = 340 m/s · 2 s = 680 m
Wasser: s = 1500 m/s · 2 s = 3000 m
Schall ist eine Schwingung, die von Teilchen zu Teilchen weitergegeben wird. In Wasser und Stahl hängen die Teilchen fester zusammen, deshalb ist er dort schneller als in Luft.
Echo nach 2 s: s = 340 m/s · 2 s = 680 m
hin und zurück 680 m → bis zur Wand 680 m : 2 = 340 m
Das Echo läuft zur Wand und wieder zurück. Die Entfernung ist nur die Hälfte des ganzen Wegs.
T = 0,02 s, also f = 0,02 Hz
f = 1 : 0,02 s = 50 Hz
Frequenz und Periodendauer sind Kehrwerte: f = 1 : T. Eine kurze Schwingung heißt viele Schwingungen in jeder Sekunde.
Berg bis Tal = 20 cm, also λ = 20 cm
Berg bis Tal ist eine halbe Welle: λ = 2 · 20 cm = 40 cm
Eine ganze Schwingung geht einmal hoch und einmal runter, bis alles wieder von vorn beginnt. Die Wellenlänge reicht von Berg zu Berg.
Ton A schlägt weiter aus, also ist er höher.
größerer Ausschlag → lauter; mehr Schwingungen in derselben Zeit → höher
Die Tonhöhe hängt davon ab, wie viele Schwingungen in derselben Zeit liegen. Die Lautstärke hängt davon ab, wie weit die Linie ausschlägt.
doppelt so schwere Kugel: T = 2 s : 2 = 1 s
doppelt so schwere Kugel, gleiche Länge: T = 2 s wie vorher
Die Masse der Kugel ändert die Schwingungsdauer nicht. Beim Fadenpendel zählt nur die Länge des Fadens.
viermal so lang: T = 4 · 1 s = 4 s
viermal so lang: T = 2 · 1 s = 2 s
Die Dauer wächst langsamer als die Länge. Viermal so lang heißt nur doppelt so lange, neunmal so lang heißt dreimal so lange.
2,5 km = 250 m
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m
Die Umrechnungszahl stimmt nicht. k heißt 1000, m (milli) heißt ein Tausendstel. Bei cm² sind es 10 000 für einen m².
V = ρ · m
ρ = m : V | · V | : ρ → V = m : ρ
Stell die Formel wie eine Gleichung um: Auf beiden Seiten dasselbe tun, bis die gesuchte Größe allein steht.
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe
Das ist ein richtiger Zwischenschritt. Lies noch einmal, was gesucht ist, und rechne weiter.
ρ = 54 : 20 = 2,7
ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³
Deine Zahl stimmt – aber eine Größe ist Zahl und Einheit. Schreib die Einheit dazu.
Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Wellen auf einer Schnur (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
Zum Ausdrucken: Drucken-Befehl des Browsers – die Seite ist dafür gebaut. Üben geht am Handy über den Code deiner Klasse, nicht hier.