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Physik · Klasse 13 · Kapitel

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Q3: Mechanische und elektromagnetische Wellen

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann Wellen mit c = λ · f beschreiben und den Transport von Energie statt Materie begründen.

MerkenWellen beschreiben

Eine Welle gibt eine Schwingung weiter und transportiert Energie, keine Materie.

Es gilt c = λ · f. Die Geschwindigkeit hängt vom Träger ab, nicht von Amplitude oder Frequenz.

BeispielWellenlänge, Frequenz und Geschwindigkeit

Ultraschall im Gewebe breitet sich mit c = 1500 m/s aus, die Frequenz ist f = 2 MHz. Berechne die Wellenlänge.
c = 1500 m/sf = 2 MHzλ = ?
Schritt für Schritt
  1. c = λ · f, umgestellt λ = c : f
  2. c = 1500 m/s, f = 2.000.000 Hz
  3. λ = 1500 m/s : 2.000.000 Hz = 0,00075 m = 0,75 mm
  1. c = λ · f, umgestellt λ = c : f
  2. c = 1500 m/s, f = 2.000.000 Hz
  3. λ = 1500 m/s : 2.000.000 Hz = 0,00075 m = 0,75 mm
Ergebnis:
0,75 mm

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht
2,5 km = 250 m
So richtig
2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Eine Seilwelle breitet sich mit c = 4 m/s aus, die Frequenz ist f = 4 Hz. Berechne die Wellenlänge.
    c = 4 m/sf = 4 Hzλ = ?
    So fängst du an:
    c = λ · f, umgestellt λ = c : f
    Lösung zeigen
    1. c = λ · f, umgestellt λ = c : f
    2. Mit den Zahlen: 4 : 4 = 1
    3. λ = 4 m/s : 4 Hz = 1 m
    Ergebnis:
    1 m
  2. ●2
    Eine Wasserwelle im Becken breitet sich mit c = 0,3 m/s aus, die Frequenz ist f = 6 Hz. Berechne die Wellenlänge.
    c = 0,3 m/sf = 6 Hzλ = ?
    Lösung zeigen
    1. c = λ · f, umgestellt λ = c : f
    2. Mit den Zahlen: 0,3 : 6 = 0,05
    3. λ = 0,3 m/s : 6 Hz = 0,05 m
    Ergebnis:
    0,05 m
  3. ★3
    Ein blauer Laser sendet Licht der Wellenlänge 450 nm, c = 300.000 km/s. Berechne die Frequenz in THz.
    λ = 450 nmc = 300.000 km/sf = ?
    Lösung zeigen
    1. f = c : λ
    2. c = 300.000.000 m/s, λ = 450 nm = 4,5 · 10⁻⁷ m
    3. f = c : λ = 667.000.000.000.000 Hz = 667 THz
    Ergebnis:
    667 THz

2Ich kann Interferenz zweier Wellen mit dem Gangunterschied erklären.

MerkenInterferenz und Gangunterschied

Zwei gleichphasige Wellen verstärken sich bei Δs = k · λ, Berg trifft Berg.

Sie löschen sich aus bei Δs = (2k + 1) · λ : 2, Berg trifft Tal.

BeispielGangunterschied für Auslöschung

In einer Wellenwanne schwingen zwei Erreger gleichphasig mit f = 6 Hz, die Wellen laufen mit c = 36 cm/s. Berechne den kleinsten Gangunterschied für Auslöschung.
ABPf = 6 Hzc = 36 cm/sΔs = ?
Schritt für Schritt
  1. Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
  2. λ = c : f = 36 cm/s : 6 Hz = 6 cm
  3. Δs = 6 cm : 2 = 3 cm
  1. Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
  2. λ = c : f = 36 cm/s : 6 Hz = 6 cm
  3. Δs = 6 cm : 2 = 3 cm
Ergebnis:
3 cm

AchtungAuslöschung bei einer ganzen Wellenlänge

So nicht
λ = 40 cm, Auslöschung bei Δs = 40 cm
So richtig
λ = 40 cm, Auslöschung bei Δs = λ : 2 = 20 cm

Zeichne zwei Wellen, um eine halbe Wellenlänge verschoben. Dort trifft Berg auf Tal.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Zwei Lautsprecher senden gleichphasig einen Ton mit f = 425 Hz, c = 340 m/s. Berechne den kleinsten Gangunterschied, bei dem sich die Wellen auslöschen.
    ABPf = 425 HzgleichphasigΔs = ?
    So fängst du an:
    Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
    Lösung zeigen
    1. Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
    2. λ = c : f = 340 m/s : 425 Hz = 0,8 m
    3. Δs = 0,8 m : 2 = 0,4 m = 40 cm
    Ergebnis:
    40 cm
  2. ●5
    Zwei Lautsprecher senden gleichphasig einen Ton mit f = 850 Hz, c = 340 m/s. Berechne den kleinsten Gangunterschied, bei dem sich die Wellen auslöschen.
    ABPf = 850 HzgleichphasigΔs = ?
    Lösung zeigen
    1. Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
    2. λ = c : f = 340 m/s : 850 Hz = 0,4 m
    3. Δs = 0,4 m : 2 = 0,2 m = 20 cm
    Ergebnis:
    20 cm
  3. ★6
    Punkt P ist 5 m von Lautsprecher A und 5,5 m von Lautsprecher B entfernt. Beide senden gleichphasig, c = 340 m/s. Berechne die kleinste Frequenz für Auslöschung in P.
    ABPs₁ = 5 ms₂ = 5,5 mleise: f = ?
    Lösung zeigen
    1. Kleinste Auslöschung: Δs = λ : 2, also λ = 2 · Δs
    2. Δs = 5,5 m − 5 m = 0,5 m, λ = 1 m
    3. f = c : λ = 340 m/s : 1 m = 340 Hz
    Ergebnis:
    340 Hz

3Ich kann die Lage der Maxima am Doppelspalt und am Gitter berechnen.

MerkenDoppelspalt und Gitter

Maxima liegen bei sin α_k = k · λ : b, beim Gitter mit g statt b im Nenner.

Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α = a_k : e. Am Gitter mit großen Winkeln tan α und sin α getrennt rechnen.

BeispielMaxima am Doppelspalt

Ein grüner Laser (532 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit b = 0,5 mm, Schirmabstand e = 4 m. Berechne den Abstand a des 2. Maximums von der Mitte.
LaserDoppelspaltSchirmλ = 532 nm, b = 0,5 mme = 4 m, k = 2a = ?
Schritt für Schritt
  1. Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
  2. λ = 5,32 · 10⁻⁷ m, b = 0,0005 m
  3. a = 2 · 5,32 · 10⁻⁷ m · 4 m : 0,0005 m = 8,51 mm
  1. Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
  2. λ = 5,32 · 10⁻⁷ m, b = 0,0005 m
  3. a = 2 · 5,32 · 10⁻⁷ m · 4 m : 0,0005 m = 8,51 mm
Ergebnis:
8,51 mm

AchtungOrdnung k vergessen

So nicht
2. Maximum bei sin α = 0,2, g = 5 µm: λ = 5 µm · 0,2 = 1000 nm
So richtig
2. Maximum bei sin α = 0,2, g = 5 µm: λ = 5 µm · 0,2 : 2 = 500 nm

Schreib die Bedingung ganz hin: k · λ. Setz für k die Ordnung des Maximums ein.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein blauer Laser (450 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit b = 0,1 mm, Schirmabstand e = 1 m. Berechne den Abstand a des 1. Maximums von der Mitte.
    LaserDoppelspaltSchirmλ = 450 nm, b = 0,1 mme = 1 m, k = 1a = ?
    So fängst du an:
    Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
    Lösung zeigen
    1. Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
    2. λ = 4,5 · 10⁻⁷ m, b = 0,0001 m
    3. a = 1 · 4,5 · 10⁻⁷ m · 1 m : 0,0001 m = 4,5 mm
    Ergebnis:
    4,5 mm
  2. ●8
    Ein roter Laser (650 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit b = 0,2 mm, Schirmabstand e = 1 m. Berechne den Abstand a des 3. Maximums von der Mitte.
    LaserDoppelspaltSchirmλ = 650 nm, b = 0,2 mme = 1 m, k = 3a = ?
    Lösung zeigen
    1. Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
    2. λ = 6,5 · 10⁻⁷ m, b = 0,0002 m
    3. a = 3 · 6,5 · 10⁻⁷ m · 1 m : 0,0002 m = 9,75 mm
    Ergebnis:
    9,75 mm
  3. ★9
    Hinter einem Doppelspalt mit b = 0,25 mm liegen die beiden Maxima 2. Ordnung auf dem Schirm in e = 2,5 m genau 16,2 mm auseinander. Bestimme λ.
    LaserDoppelspaltSchirmb = 0,25 mm, e = 2,5 mbeide 2. Maxima: 16,2 mmλ = ?
    Lösung zeigen
    1. a_2 ist der Abstand von der Mitte: a = 16,2 mm : 2 = 8,1 mm
    2. λ = b · a : (k · e) mit k = 2, kleine Winkel
    3. λ = 0,00025 m · 0,0081 m : (2 · 2,5 m) = 405 nm
    Ergebnis:
    405 nm

4Ich kann die Wellenlänge von Licht aus Interferenzmessungen bestimmen und das Spektrum deuten.

MerkenWellenlänge messen und Spektrum

Abstand und Winkel der Maxima liefern die Wellenlänge, genauer über mehrere Abstände.

Am Gitter wird Rot am stärksten abgelenkt. Das elektromagnetische Spektrum reicht von Radiowellen bis zur Röntgenstrahlung.

BeispielWellenlänge von Licht messen

Ein Gitter mit 600 Linien je mm steht 100 cm vor dem Schirm. Das Maximum 1. Ordnung liegt 42,4 cm neben der Mitte. Bestimme die Wellenlänge.
LaserGitterSchirm600 Linien je mme = 100 cm, a = 42,4 cmλ = ?
Schritt für Schritt
  1. tan α = a : e = 42,4 cm : 100 cm, α = 23°
  2. g = 1 mm : 600 = 1,67 µm
  3. λ = g · sin α = 1,67 µm · 0,39 = 651 nm
  1. tan α = a : e = 42,4 cm : 100 cm, α = 23°
  2. g = 1 mm : 600 = 1,67 µm
  3. λ = g · sin α = 1,67 µm · 0,39 = 651 nm
Ergebnis:
651 nm

Achtungsin α ≈ tan α bei großen Winkeln

So nicht
a = 40 cm, e = 50 cm: sin α ≈ 40 : 50 = 0,8
So richtig
a = 40 cm, e = 50 cm: tan α = 0,8 → α = 38,7°, sin α = 0,625

Prüfe den Winkel. Bei großen Winkeln erst α aus tan α bestimmen, dann sin α.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Gitter mit 500 Linien je mm steht 50 cm vor dem Schirm. Das Maximum 1. Ordnung liegt 17,2 cm neben der Mitte. Bestimme die Wellenlänge.
    LaserGitterSchirm500 Linien je mme = 50 cm, a = 17,2 cmλ = ?
    So fängst du an:
    tan α = a : e = 17,2 cm : 50 cm, α = 19°
    Lösung zeigen
    1. tan α = a : e = 17,2 cm : 50 cm, α = 19°
    2. g = 1 mm : 500 = 2 µm
    3. λ = g · sin α = 2 µm · 0,325 = 651 nm
    Ergebnis:
    651 nm
  2. ●11
    Ein Gitter mit 600 Linien je mm steht 50 cm vor dem Schirm. Das Maximum 1. Ordnung liegt 14 cm neben der Mitte. Bestimme die Wellenlänge.
    LaserGitterSchirm600 Linien je mme = 50 cm, a = 14 cmλ = ?
    Lösung zeigen
    1. tan α = a : e = 14 cm : 50 cm, α = 15,6°
    2. g = 1 mm : 600 = 1,67 µm
    3. λ = g · sin α = 1,67 µm · 0,27 = 449 nm
    Ergebnis:
    449 nm
  3. ★12
    Am Doppelspalt (b = 0,5 mm, Schirm in 3 m) liegen zwischen dem 2. und dem 5. Maximum derselben Seite 11,7 mm. Bestimme λ.
    LaserDoppelspaltSchirmb = 0,5 mm, e = 3 m2. bis 5. Maximum: 11,7 mmλ = ?
    Lösung zeigen
    1. Zwischen dem 2. und 5. Maximum liegen 3 gleiche Abstände: Δa = 11,7 mm : 3 = 3,9 mm
    2. λ = b · Δa : e für benachbarte Maxima
    3. λ = 0,0005 m · 0,0039 m : 3 m = 650 nm
    Ergebnis:
    650 nm

5Ich kann stehende Wellen erklären und zur Bestimmung von Wellenlängen nutzen.

MerkenStehende Wellen

Welle und Reflexion bilden eine stehende Welle mit festen Knoten und Bäuchen.

Von Knoten zu Knoten ist eine halbe Wellenlänge.

BeispielStehende Wellen ausmessen

Auf einem Seil entsteht durch Reflexion eine stehende Welle. Benachbarte Knoten liegen 60 cm auseinander, der Erreger schwingt mit 10 Hz. Berechne c.
Schritt für Schritt
  1. Von Knoten zu Knoten ist eine halbe Wellenlänge: λ = 2 · Knotenabstand
  2. λ = 2 · 60 cm = 120 cm = 1,2 m
  3. c = λ · f = 1,2 m · 10 Hz = 12 m/s
  1. Von Knoten zu Knoten ist eine halbe Wellenlänge: λ = 2 · Knotenabstand
  2. λ = 2 · 60 cm = 120 cm = 1,2 m
  3. c = λ · f = 1,2 m · 10 Hz = 12 m/s
Ergebnis:
12 m/s

AchtungKnotenabstand als ganze Wellenlänge

So nicht
Knotenabstand 30 cm: λ = 30 cm
So richtig
Knotenabstand 30 cm: λ = 2 · 30 cm = 60 cm

Zeichne die stehende Welle. Von Knoten zu Knoten ist nur ein Bauch, also eine halbe Wellenlänge.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Auf einem Seil entsteht durch Reflexion eine stehende Welle. Benachbarte Knoten liegen 30 cm auseinander, der Erreger schwingt mit 10 Hz. Berechne c.
    So fängst du an:
    Von Knoten zu Knoten ist eine halbe Wellenlänge: λ = 2 · Knotenabstand
    Lösung zeigen
    1. Von Knoten zu Knoten ist eine halbe Wellenlänge: λ = 2 · Knotenabstand
    2. λ = 2 · 30 cm = 60 cm = 0,6 m
    3. c = λ · f = 0,6 m · 10 Hz = 6 m/s
    Ergebnis:
    6 m/s
  2. ●14
    Auf einem Seil laufen Wellen mit c = 24 m/s. In der stehenden Welle liegen ein Knoten und der übernächste Knoten 3 m auseinander. Berechne die Frequenz.
    Lösung zeigen
    1. Von Knoten zu Knoten ist λ : 2, bis zum übernächsten Knoten also eine ganze Wellenlänge
    2. f = c : λ
    3. f = 24 m/s : 3 m = 8 Hz
    Ergebnis:
    8 Hz
  3. ★15
    In einem Mikrowellengerät ohne Drehteller schmilzt Schokolade an Stellen, die 5,8 cm auseinanderliegen. Das Gerät arbeitet mit f = 2,45 GHz. Berechne c.
    Lösung zeigen
    1. Die geschmolzenen Stellen sind Bäuche der stehenden Welle: Abstand λ : 2
    2. λ = 2 · 5,8 cm = 11,6 cm = 0,116 m
    3. c = λ · f = 0,116 m · 2.450.000.000 Hz = 284.000 km/s
    Ergebnis:
    284.000 km/s

6Ich kann elektromagnetische Wellen beschreiben und die Polarisation als Merkmal von Querwellen deuten.

MerkenElektromagnetische Wellen und Polarisation

Im Vakuum laufen elektromagnetische Wellen mit c = 300.000 km/s als Querwellen.

Deshalb lassen sie sich polarisieren. Längswellen wie der Schall in Luft lassen sich nicht polarisieren.

BeispielLaufzeit elektromagnetischer Wellen

Ein Laserpuls läuft zum Mond, die Strecke ist 384.000 km. Berechne die Laufzeit mit c = 300.000 km/s.
Funksignals = 384.000 kmc = 300.000 km/st = ?
Schritt für Schritt
  1. Elektromagnetische Wellen laufen mit Lichtgeschwindigkeit: t = s : c
  2. Weg und Geschwindigkeit beide in km, die Zeit kommt in s heraus
  3. t = 384.000 km : 300.000 km/s = 1,28 s
  1. Elektromagnetische Wellen laufen mit Lichtgeschwindigkeit: t = s : c
  2. Weg und Geschwindigkeit beide in km, die Zeit kommt in s heraus
  3. t = 384.000 km : 300.000 km/s = 1,28 s
Ergebnis:
1,28 s

AchtungFrequenz und Periodendauer nicht als Kehrwert

So nicht
T = 0,02 s, also f = 0,02 Hz
So richtig
f = 1 : 0,02 s = 50 Hz

Frag, wie viele Schwingungen in eine Sekunde passen: f = 1 : T.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Ein Laserpuls läuft zur Raumstation in 400 km Höhe, die Strecke ist 400 km. Berechne die Laufzeit mit c = 300.000 km/s.
    Funksignals = 400 kmc = 300.000 km/st = ?
    So fängst du an:
    Elektromagnetische Wellen laufen mit Lichtgeschwindigkeit: t = s : c
    Lösung zeigen
    1. Elektromagnetische Wellen laufen mit Lichtgeschwindigkeit: t = s : c
    2. Weg und Geschwindigkeit beide in km, die Zeit kommt in s heraus
    3. t = 400 km : 300.000 km/s = 0,00133 s
    Ergebnis:
    0,00133 s
  2. ●17
    Ein Funksignal läuft zum Mond, die Strecke ist 384.000 km. Berechne die Laufzeit mit c = 300.000 km/s.
    Funksignals = 384.000 kmc = 300.000 km/st = ?
    Lösung zeigen
    1. Elektromagnetische Wellen laufen mit Lichtgeschwindigkeit: t = s : c
    2. Weg und Geschwindigkeit beide in km, die Zeit kommt in s heraus
    3. t = 384.000 km : 300.000 km/s = 1,28 s
    Ergebnis:
    1,28 s
  3. ★18
    Ein Schiffsradar empfängt das Echo eines Pulses 40 µs nach dem Senden. Berechne die Entfernung des Ziels. Die Pulse laufen mit Lichtgeschwindigkeit.
    SchiffsradarLaufzeit 40 µsc = 300.000 km/ss = ?
    Lösung zeigen
    1. Der Puls läuft hin und zurück: s = c · t : 2
    2. c = 300.000 km/s, t = 0,00004 s
    3. s = 300.000 km/s · 0,00004 s : 2 = 6 km
    Ergebnis:
    6 km

7Ich kann Beugung am Einfachspalt und Röntgenbeugung mit der Braggschen Gleichung berechnen.

MerkenEinfachspalt und Bragg

Am Einfachspalt liegen die Minima dort, wo sin α_k = k · λ : b gilt.

Röntgenstrahlung wird an den Netzebenen eines Kristalls verstärkt reflektiert, wenn 2 · d · sin θ = n · λ gilt.

BeispielBeugung am Einfachspalt

Licht mit λ = 633 nm fällt auf einen Einfachspalt der Breite b = 3 µm. Berechne den Winkel, unter dem das erste Minimum liegt.
LaserEinfachspaltSchirmλ = 633 nmb = 3 µmα₁ = ?
Schritt für Schritt
  1. Einfachspalt, Minima: sin α_k = k · λ : b, hier k = 1
  2. sin α₁ = 633 nm : 3000 nm = 0,211
  3. α₁ = arcsin(0,211) = 12,2°
  1. Einfachspalt, Minima: sin α_k = k · λ : b, hier k = 1
  2. sin α₁ = 633 nm : 3000 nm = 0,211
  3. α₁ = arcsin(0,211) = 12,2°
Ergebnis:
12,2 °

AchtungTaschenrechner im Gradmaß

So nicht
sin(0,628) im Gradmaß = 0,011
So richtig
sin(0,628) im Bogenmaß = 0,588

Prüfe vor dem Rechnen die Einstellung. Bei sin(ω · t) muss der Rechner auf Bogenmaß stehen.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Licht mit λ = 633 nm fällt auf einen Einfachspalt der Breite b = 50 µm. Berechne den Winkel, unter dem das erste Minimum liegt.
    LaserEinfachspaltSchirmλ = 633 nmb = 50 µmα₁ = ?
    So fängst du an:
    Einfachspalt, Minima: sin α_k = k · λ : b, hier k = 1
    Lösung zeigen
    1. Einfachspalt, Minima: sin α_k = k · λ : b, hier k = 1
    2. sin α₁ = 633 nm : 50.000 nm = 0,0127
    3. α₁ = arcsin(0,0127) = 0,725°
    Ergebnis:
    0,725 °
  2. ●20
    Licht mit λ = 633 nm fällt auf einen Einfachspalt der Breite b = 4 µm. Berechne den Winkel, unter dem das erste Minimum liegt.
    LaserEinfachspaltSchirmλ = 633 nmb = 4 µmα₁ = ?
    Lösung zeigen
    1. Einfachspalt, Minima: sin α_k = k · λ : b, hier k = 1
    2. sin α₁ = 633 nm : 4000 nm = 0,158
    3. α₁ = arcsin(0,158) = 9,11°
    Ergebnis:
    9,11 °
  3. ★21
    Ein roter Laser (650 nm) beleuchtet einen Einfachspalt der Breite 40 µm. Der Schirm steht 2 m entfernt. Berechne die Breite des hellen Hauptmaximums.
    LaserEinfachspaltSchirmλ = 650 nm, b = 40 µme = 2 mBreite = ?
    Lösung zeigen
    1. Das Hauptmaximum reicht vom 1. Minimum links bis zum 1. rechts: sin α₁ = λ : b
    2. sin α₁ = 650 nm : 40.000 nm = 0,0163, α₁ = 0,931°
    3. Breite = 2 · e · tan α₁ = 2 · 2 m · 0,0163 = 6,5 cm
    Ergebnis:
    6,5 cm

8Ich kann harmonische Wellen mit Funktionsgleichungen beschreiben und die Dipollänge bestimmen.

MerkenWellengleichung und Dipol

Zur festen Zeit gilt y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), am festen Ort y(t) = y₀ · sin(ω · t).

Ein Hertzscher Dipol schwingt in der Grundschwingung mit der Länge l = λ : 2.

BeispielFunktionsgleichung einer Welle

Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 6 cm, λ = 40 cm. Berechne die Auslenkung bei x = 14 cm.
1020304050607080−6−4−2246x in cmy in cmy = ?
Schritt für Schritt
  1. y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), der Rechner im Bogenmaß
  2. 2π · 14 cm : 40 cm = 2,2
  3. y = 6 cm · sin(2,2) = 4,85 cm
  1. y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), der Rechner im Bogenmaß
  2. 2π · 14 cm : 40 cm = 2,2
  3. y = 6 cm · sin(2,2) = 4,85 cm
Ergebnis:
4,85 cm

AchtungFrequenz statt Kreisfrequenz

So nicht
f = 50 Hz: U₀ = N · B · A · 50 1/s
So richtig
f = 50 Hz: ω = 2π · 50 Hz = 314 1/s → U₀ = N · B · A · 314 1/s

Rechne zuerst ω = 2π · f aus. Setz erst dann in die Formel ein.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 3 cm, λ = 80 cm. Berechne die Auslenkung bei x = 32 cm.
    20406080100120140160−3−2−1123x in cmy in cmy = ?
    So fängst du an:
    y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), der Rechner im Bogenmaß
    Lösung zeigen
    1. y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), der Rechner im Bogenmaß
    2. 2π · 32 cm : 80 cm = 2,51
    3. y = 3 cm · sin(2,51) = 1,76 cm
    Ergebnis:
    1,76 cm
  2. ●23
    Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 6 cm, λ = 20 cm. Berechne die Auslenkung bei x = 7 cm.
    510152025303540−6−4−2246x in cmy in cmy = ?
    Lösung zeigen
    1. y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), der Rechner im Bogenmaß
    2. 2π · 7 cm : 20 cm = 2,2
    3. y = 6 cm · sin(2,2) = 4,85 cm
    Ergebnis:
    4,85 cm
  3. ★24
    Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 6 cm, λ = 20 cm. Wo ist erstmals für x > 0 y = 2,5 cm?
    510152025303540−6−4−2246x in cmy in cm2,5 cm
    Lösung zeigen
    1. sin(2π · x : λ) = y : y₀, also 2π · x : λ = arcsin(y : y₀), Bogenmaß
    2. arcsin(2,5 : 6) = 0,43
    3. x = 0,43 · 20 cm : 2π = 1,37 cm
    Ergebnis:
    1,37 cm

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●25
    Ein Ton in Luft breitet sich mit c = 340 m/s aus, die Frequenz ist f = 500 Hz. Berechne die Wellenlänge.
    c = 340 m/sf = 500 Hzλ = ?
    Lösung zeigen
    1. c = λ · f, umgestellt λ = c : f
    2. Mit den Zahlen: 340 : 500 = 0,68
    3. λ = 340 m/s : 500 Hz = 0,68 m
    Ergebnis:
    0,68 m
  2. ●26
    Eine Boje schwimmt auf dem See. Wellen mit 20 cm Höhe laufen mit 1,5 m/s zum Ufer. Wird die Boje mitgetragen?
    Höhe 20 cmc = 1,5 m/smitgetragen?
    Lösung zeigen
    1. Eine Welle gibt eine Schwingung von Teilchen zu Teilchen weiter.
    2. Jedes Wasserteilchen schwingt nur um seinen Platz.
    3. Darauf schwingt das Schwimmende auf und ab, es wandert nicht mit.
    Ergebnis:
    Nein: Sie schwingt nur auf und ab, die Welle transportiert Energie, kein Wasser.
  3. ●27
    In einer Wellenwanne schwingen zwei Erreger gleichphasig mit f = 10 Hz, die Wellen laufen mit c = 20 cm/s. Berechne den kleinsten Gangunterschied für Auslöschung.
    ABPf = 10 Hzc = 20 cm/sΔs = ?
    Lösung zeigen
    1. Auslöschung, wenn Berg auf Tal trifft: Δs = λ : 2
    2. λ = c : f = 20 cm/s : 10 Hz = 2 cm
    3. Δs = 2 cm : 2 = 1 cm
    Ergebnis:
    1 cm
  4. ●28
    In einer Wellenwanne schwingen zwei Erreger gleichphasig, λ = 2 cm. Punkt P ist 40 cm vom einen und 45 cm vom anderen entfernt. Was beobachtet man in P?
    ABPs₁ = 40 cms₂ = 45 cmλ = 2 cmP: ?
    Lösung zeigen
    1. Der Gangunterschied entscheidet: ganze Vielfache von λ verstärken, halbe löschen aus.
    2. Δs = 45 cm − 40 cm = 5 cm
    3. 5 cm : 2 cm = 2,5, also Auslöschung
    Ergebnis:
    Auslöschung: Δs = 5 cm = 2,5 · λ, Berg trifft auf Tal.
  5. ●29
    Ein blauer Laser (450 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit b = 0,4 mm, Schirmabstand e = 1 m. Berechne den Abstand a des 3. Maximums von der Mitte.
    LaserDoppelspaltSchirmλ = 450 nm, b = 0,4 mme = 1 m, k = 3a = ?
    Lösung zeigen
    1. Für kleine Winkel gilt sin α ≈ tan α, also a = k · λ · e : b
    2. λ = 4,5 · 10⁻⁷ m, b = 0,0004 m
    3. a = 3 · 4,5 · 10⁻⁷ m · 1 m : 0,0004 m = 3,38 mm
    Ergebnis:
    3,38 mm
  6. ●30
    Licht mit λ = 405 nm fällt senkrecht auf ein Gitter mit 100 Linien je mm. Berechne den Winkel, unter dem das Maximum 1. Ordnung erscheint.
    LaserGitterSchirmλ = 405 nm100 Linien je mmα = ?
    Lösung zeigen
    1. Gitterkonstante g = 1 mm : 100 = 10 µm
    2. sin α = λ : g = 405 nm : 10.000 nm = 0,0405
    3. α = arcsin(0,0405) = 2,32°
    Ergebnis:
    2,32 °

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Wellen beschreiben
Eine Welle gibt eine Schwingung weiter und transportiert Energie, keine Materie.
Interferenz und Gangunterschied
Zwei gleichphasige Wellen verstärken sich bei Δs = k · λ, Berg trifft Berg.
Doppelspalt und Gitter
Maxima liegen bei sin α_k = k · λ : b, beim Gitter mit g statt b im Nenner.
Wellenlänge messen und Spektrum
Abstand und Winkel der Maxima liefern die Wellenlänge, genauer über mehrere Abstände.
Stehende Wellen
Welle und Reflexion bilden eine stehende Welle mit festen Knoten und Bäuchen.
Elektromagnetische Wellen und Polarisation
Im Vakuum laufen elektromagnetische Wellen mit c = 300.000 km/s als Querwellen.
Einfachspalt und Bragg
Am Einfachspalt liegen die Minima dort, wo sin α_k = k · λ : b gilt.
Wellengleichung und Dipol
Zur festen Zeit gilt y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ), am festen Ort y(t) = y₀ · sin(ω · t).

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich kann Wellen mit c = λ · f beschreiben und den Transport von Energie statt Materie begründen.

    31
    Ein Ton in Luft breitet sich mit c = 340 m/s aus, die Frequenz ist f = 1000 Hz. Berechne die Wellenlänge.
    c = 340 m/sf = 1000 Hzλ = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,34 m

  2. Ich kann Interferenz zweier Wellen mit dem Gangunterschied erklären.

    32
    In einer Wellenwanne schwingen zwei Erreger gleichphasig mit f = 6 Hz, die Wellen laufen mit c = 30 cm/s. Berechne den kleinsten Gangunterschied für Auslöschung.
    ABPf = 6 Hzc = 30 cm/sΔs = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,5 cm

  3. Ich kann die Lage der Maxima am Doppelspalt und am Gitter berechnen.

    33
    Ein grüner Laser (532 nm) beleuchtet einen Doppelspalt mit b = 0,2 mm, Schirmabstand e = 1,5 m. Berechne den Abstand a des 2. Maximums von der Mitte.
    LaserDoppelspaltSchirmλ = 532 nm, b = 0,2 mme = 1,5 m, k = 2a = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    7,98 mm

  4. Ich kann die Wellenlänge von Licht aus Interferenzmessungen bestimmen und das Spektrum deuten.

    34
    Ein Gitter mit 300 Linien je mm steht 50 cm vor dem Schirm. Das Maximum 1. Ordnung liegt 6,8 cm neben der Mitte. Bestimme die Wellenlänge.
    LaserGitterSchirm300 Linien je mme = 50 cm, a = 6,8 cmλ = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    449 nm

  5. Ich kann stehende Wellen erklären und zur Bestimmung von Wellenlängen nutzen.

    35
    Auf einem Seil laufen Wellen mit c = 16 m/s. In der stehenden Welle liegen ein Knoten und der übernächste Knoten 2 m auseinander. Berechne die Frequenz.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    8 Hz

  6. Ich kann elektromagnetische Wellen beschreiben und die Polarisation als Merkmal von Querwellen deuten.

    36
    Ein Laserpuls läuft zu einem Satelliten in 36.000 km Höhe, die Strecke ist 36.000 km. Berechne die Laufzeit mit c = 300.000 km/s.
    Funksignals = 36.000 kmc = 300.000 km/st = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,12 s

  7. Ich kann Beugung am Einfachspalt und Röntgenbeugung mit der Braggschen Gleichung berechnen.

    37
    Licht mit λ = 405 nm fällt auf einen Einfachspalt der Breite b = 3 µm. Berechne den Winkel, unter dem das erste Minimum liegt.
    LaserEinfachspaltSchirmλ = 405 nmb = 3 µmα₁ = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    7,76 °

  8. Ich kann harmonische Wellen mit Funktionsgleichungen beschreiben und die Dipollänge bestimmen.

    38
    Momentaufnahme einer Welle: y(x) = y₀ · sin(2π · x : λ) mit y₀ = 5 cm, λ = 30 cm. Berechne die Auslenkung bei x = 3 cm.
    7,51522,53037,54552,560−6−4−2246x in cmy in cmy = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,94 cm

  9. Ich bereite die Klausur vor.

    39
    Eine Seilwelle breitet sich mit c = 4 m/s aus, die Frequenz ist f = 2,5 Hz. Berechne die Wellenlänge.
    c = 4 m/sf = 2,5 Hzλ = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,6 m

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht
Gleichung
zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
Nenner
die Zahl unten – in wie viele Teile geteilt wurde

Lösungen

  1. 1 m
  2. 0,05 m
  3. 667 THz
  4. 40 cm
  5. 20 cm
  6. 340 Hz
  7. 4,5 mm
  8. 9,75 mm
  9. 405 nm
  10. 651 nm
  11. 449 nm
  12. 650 nm
  13. 6 m/s
  14. 8 Hz
  15. 284.000 km/s
  16. 0,00133 s
  17. 1,28 s
  18. 6 km
  19. 0,725 °
  20. 9,11 °
  21. 6,5 cm
  22. 1,76 cm
  23. 4,85 cm
  24. 1,37 cm
  25. 0,68 m
  26. Nein: Sie schwingt nur auf und ab, die Welle transportiert Energie, kein Wasser.
  27. 1 cm
  28. Auslöschung: Δs = 5 cm = 2,5 · λ, Berg trifft auf Tal.
  29. 3,38 mm
  30. 2,32 °
  31. 0,34 m
  32. 2,5 cm
  33. 7,98 mm
  34. 449 nm
  35. 8 Hz
  36. 0,12 s
  37. 7,76 °
  38. 2,94 cm
  39. 1,6 m