Physik · Klasse 10 · Kapitel
Mechanische Schwingungen und 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 beschreibe eine Schwingung mit Amplitude und Periodendauer.
MerkenSchwingung
Eine Schwingung ist eine Bewegung, die sich regelmäßig wiederholt.
Die Amplitude ist die größte Auslenkung.
BeispielSchwingungsbild ablesen
Schritt für Schritt
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 6 Schwingungen dauern zusammen 12 ms
- T = 12 ms : 6 = 2 ms
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 6 Schwingungen dauern zusammen 12 ms
- T = 12 ms : 6 = 2 ms
ÜbenJetzt du
- ○1Ein Mikrofon nimmt einen gesungenen Ton auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie groß ist die Periodendauer T? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
Lösung zeigen
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 30 ms
- T = 30 ms : 5 = 6 ms
Ergebnis:6 ms - ●2Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Gitarre auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie groß ist die Periodendauer T? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 4 Schwingungen dauern zusammen 24 ms
- T = 24 ms : 4 = 6 ms
Ergebnis:6 ms - ★3Ein Mikrofon nimmt den Pfiff einer Trillerpfeife auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Lies die Periodendauer ab. Welche Frequenz hat der Ton?
Lösung zeigen
- Erst T über mehrere Schwingungen ablesen, dann f = 1 : T
- T = 15 ms : 6 = 2,5 ms = 0,0025 s
- f = 1 : 0,0025 s = 400 Hz
Ergebnis:400 Hz
2Ich rechne zwischen Frequenz und Periodendauer um.
MerkenFrequenz
f = 1 : T, in Hertz. 50 Hz heißt fünfzig volle Schwingungen je Sekunde.
BeispielFrequenz aus der Periodendauer
Schritt für Schritt
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 4 s
- f = 0,25 Hz
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 4 s
- f = 0,25 Hz
Achtung„Teilen macht kleiner“ – auch durch Zahlen unter 1
3 : 0,5 = 1,5
3 : 0,5 = 6
Frag dich: Wie oft passt die Zahl hinein? Bei Zahlen unter 1 öfter als einmal.
ÜbenJetzt du
- ○4Eine Gitarrensaite schwingt mit der Periodendauer T = 0,004 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.So fängst du an:f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 0,004 s
- f = 250 Hz
Ergebnis:250 Hz - ●5Eine Stimmgabel schwingt in 2 s genau 1024-mal hin und her. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 1024 : 2 s
- f = 512 Hz
Ergebnis:512 Hz - ★6Die Membran eines Lautsprechers schwingt mit der Periodendauer T = 5 ms. Welche Frequenz in Hertz hat der Ton? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Zeit in Sekunden
- 5 ms = 0,005 s
- f = 1 : 0,005 s = 200 Hz
Ergebnis:200 Hz
3Ich untersuche, wovon die Schwingungsdauer eines Pendels abhängt.
MerkenPendel
Die Schwingungsdauer hängt nur von der Fadenlänge ab, nicht von der Masse.
Vierfache Länge bedeutet doppelte Dauer.
BeispielWovon hängt die Pendeldauer ab?
Schritt für Schritt
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Viermal so lang heißt doppelt so lange.
- T = 2 · 1,8 s = 3,6 s
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Viermal so lang heißt doppelt so lange.
- T = 2 · 1,8 s = 3,6 s
AchtungNachkommastellen beim Mal falsch gezählt
0,3 · 0,2 = 0,6
0,3 · 0,2 = 0,06
Zähl die Stellen nach dem Komma in beiden Zahlen zusammen.
ÜbenJetzt du
- ○7Ein Fadenpendel ist 81 cm lang und braucht 1,8 s für eine Schwingung. Man tauscht eine Holzkugel gegen eine Eisenkugel, 4-mal so schwer. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
Lösung zeigen
- Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
- Die Masse ändert die Dauer eines Fadenpendels nicht.
- T bleibt 1,8 s
Ergebnis:1,8 s - ●8Ein Fadenpendel ist 144 cm lang und braucht 2,4 s für eine Schwingung. Der Faden wird viermal so lang. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Viermal so lang heißt doppelt so lange.
- T = 2 · 2,4 s = 4,8 s
Ergebnis:4,8 s - ★9Ein Fadenpendel ist 36 cm lang und braucht 1,2 s für eine Schwingung. Wie viele Meter lang muss der Faden sein, damit eine Schwingung doppelt so lange dauert? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Doppelte Dauer braucht die vierfache Länge.
- l = 4 · 36 cm = 144 cm = 1,44 m
Ergebnis:1,44 m
4Ich unterscheide Längs- und Querwellen.
MerkenWelle
Eine Welle transportiert Energie, aber keinen Stoff. Die Teilchen schwingen an ihrem Ort.
BeispielPendeldauer messen
Schritt für Schritt
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 16 s : 10
- T = 1,6 s
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 16 s : 10
- T = 1,6 s
AchtungKomma beim Mal oder Durch 10, 100, 1000 falsch verschoben
3,5 · 10 = 0,35
3,5 · 10 = 35
Frag dich: Wird die Zahl größer oder kleiner? Mit mal 10 wird sie größer.
ÜbenJetzt du
- ○10Du stoppst ein Fadenpendel. Für 10 Schwingungen braucht es zusammen 14 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 14 s : 10
- T = 1,4 s
Ergebnis:1,4 s - ●11Du stoppst ein Fadenpendel. Für 10 Schwingungen braucht es zusammen 24 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 24 s : 10
- T = 2,4 s
Ergebnis:2,4 s - ★12Ein Fadenpendel braucht für 10 Schwingungen zusammen 20 s. Welche Frequenz hat es? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 10 : 20 s
- f = 0,5 Hz
Ergebnis:0,5 Hz
5Ich berechne Wellenlängen mit c = λ · f.
MerkenLängs und quer
Bei Längswellen schwingen die Teilchen in Ausbreitungsrichtung (Schall), bei Querwellen senkrecht dazu (Seilwelle).
BeispielWellenlänge: λ = c : f
Schritt für Schritt
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 34 Hz
- λ = 10 m
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 34 Hz
- λ = 10 m
AchtungRest als Kommastelle geschrieben
39 : 4 = 9 Rest 3 = 9,3
39 : 4 = 9,75
Teile den Rest weiter. Schreib dafür eine 0 dazu.
ÜbenJetzt du
- ○13Ein Lautsprecher erzeugt einen Ton mit 20 Hz. In Luft ist der Schall 340 m/s schnell. Wie groß ist die Wellenlänge? Berechne mit Einheit.So fängst du an:c = λ · f, umgestellt λ = c : f
Lösung zeigen
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 20 Hz
- λ = 17 m
Ergebnis:17 m - ●14Eine Flöte erzeugt einen Ton mit 170 Hz. In Luft ist der Schall 340 m/s schnell. Wie groß ist die Wellenlänge? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 170 Hz
- λ = 2 m
Ergebnis:2 m - ★15Ein Delfin ruft mit 15 kHz. Im Wasser ist der Schall 1500 m/s schnell. Wie viele Zentimeter lang ist eine Welle? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- λ = c : f, die Frequenz in Hertz
- 15 kHz = 15.000 Hz, λ = 1500 m/s : 15.000 Hz = 0,1 m
- 0,1 m = 10 cm
Ergebnis:10 cm
6Ich erkläre Resonanz an Beispielen.
Merkenc = λ · f
Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich Wellenlänge mal Frequenz.
Höherer Ton heißt kürzere Wellenlänge.
BeispielFrequenz und Geschwindigkeit einer Welle
Schritt für Schritt
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 10 m
- f = 34 Hz
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 10 m
- f = 34 Hz
ÜbenJetzt du
- ○16Der Ton einer Orgelpfeife hat die Wellenlänge 0,68 m. Der Schall ist 340 m/s schnell. Welche Frequenz hat der Ton? Berechne mit Einheit.So fängst du an:c = λ · f, umgestellt f = c : λ
Lösung zeigen
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 0,68 m
- f = 500 Hz
Ergebnis:500 Hz - ●17Der Ton einer Orgelpfeife hat die Wellenlänge 0,85 m. Der Schall ist 340 m/s schnell. Welche Frequenz hat der Ton? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 0,85 m
- f = 400 Hz
Ergebnis:400 Hz - ★18Im Wellenbecken sind es vom Wellenberg bis zum nächsten Wellental 25 cm. Die Frequenz ist 5 Hz. Wie schnell laufen die Wellen? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Berg bis Tal ist eine halbe Welle, dann c = λ · f
- λ = 2 · 25 cm = 50 cm = 0,5 m
- c = 0,5 m · 5 Hz = 2,5 m/s
Ergebnis:2,5 m/s
7Ich erkläre Schall als Welle.
MerkenResonanz
Regt man ein System in seiner eigenen Frequenz an, wächst die Amplitude stark.
Das kann nützlich sein – und Brücken zerstören.
BeispielSchall braucht Zeit
Schritt für Schritt
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 3 s
- s = 1020 m
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 3 s
- s = 1020 m
ÜbenJetzt du
- ○19Auf der Baustelle gegenüber schlägt ein Hammer auf einen Pfahl. Den Schlag hörst du 5 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist die Baustelle entfernt? Berechne mit Einheit.So fängst du an:s = v · t, das Licht ist fast sofort da
Lösung zeigen
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 5 s
- s = 1700 m
Ergebnis:1700 m - ●20Über dem See platzt eine Feuerwerksrakete. Den Knall hörst du 6 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist die Rakete entfernt? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 6 s
- s = 2040 m
Ergebnis:2040 m - ★21Am Waldrand, 0,68 km entfernt, schlägt jemand mit der Axt auf einen Baum (v = 340 m/s). Nach wie vielen Sekunden hörst du den Schlag? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- t = s : v, der Weg in Metern
- 0,68 km = 680 m
- t = 680 m : 340 m/s = 2 s
Ergebnis:2 s
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●22Ein Mikrofon nimmt einen Summer auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 20 ms
- T = 20 ms : 5 = 4 ms
Ergebnis:4 ms - ●23Ein Lautsprecher gibt zwei Töne aus. Das Bild zeigt beide, gleich lange aufgenommen. Welcher Ton ist höher?
Lösung zeigen
- Für die Tonhöhe zählt, wie viele Schwingungen in derselben Zeit liegen.
- Ton A hat den größeren Ausschlag, die Zahl der Schwingungen ist gleich.
- Also: Die Töne sind gleich hoch.
Ergebnis:Die Töne sind gleich hoch. - ●24Ein Federpendel schwingt mit der Periodendauer T = 0,2 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 0,2 s
- f = 5 Hz
Ergebnis:5 Hz - ●25Ein Kolibriflügel schwingt mit der Frequenz 20 Hz. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- T = 1 : f, die Zeit für eine Schwingung
- T = 1 : 20 Hz
- T = 0,05 s
Ergebnis:0,05 s - ●26Ein Fadenpendel ist 16 cm lang und braucht 0,8 s für eine Schwingung. Man tauscht eine Holzkugel gegen eine Eisenkugel, 3-mal so schwer. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
- Die Masse ändert die Dauer eines Fadenpendels nicht.
- T bleibt 0,8 s
Ergebnis:0,8 s - ●27Du stoppst ein Fadenpendel. Für 20 Schwingungen braucht es zusammen 24 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 24 s : 20
- T = 1,2 s
Ergebnis:1,2 s
Auf einen Blick
MerkenDas Wichtigste
- Schwingung
- Eine Schwingung ist eine Bewegung, die sich regelmäßig wiederholt.
- Frequenz
- f = 1 : T, in Hertz. 50 Hz heißt fünfzig volle Schwingungen je Sekunde.
- Pendel
- Die Schwingungsdauer hängt nur von der Fadenlänge ab, nicht von der Masse.
- Welle
- Eine Welle transportiert Energie, aber keinen Stoff. Die Teilchen schwingen an ihrem Ort.
- Längs und quer
- Bei Längswellen schwingen die Teilchen in Ausbreitungsrichtung (Schall), bei Querwellen senkrecht dazu (Seilwelle).
- c = λ · f
- Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich Wellenlänge mal Frequenz.
- Resonanz
- Regt man ein System in seiner eigenen Frequenz an, wächst die Amplitude stark.
AchtungFrequenz und Periodendauer gleichgesetzt
f = 4 Hz → T = 4 s
T = 1 : f = 1 : 4 Hz = 0,25 s
Sie sind Kehrwerte: f = 1 : T. Bei 2 Hz dauert eine Schwingung eine halbe Sekunde.
Achtungλ und f verwechselt
c = 340 m/s, f = 170 Hz → λ = 340 · 170 = 57 800 m
λ = c : f = 340 m/s : 170 Hz = 2 m
c = λ · f. Wer c durch λ statt durch f teilt, bekommt eine Frequenz, wo eine Länge stehen sollte.
AchtungPendel hängt von der Masse ab
Doppelte Masse am Pendel → doppelte Schwingungsdauer
T bleibt gleich. Nur die Länge zählt: vierfache Länge → T · 2
Tut es nicht. Nur die Fadenlänge zählt – genau das ist die Erkenntnis des Versuchs.
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
Ich beschreibe eine Schwingung mit Amplitude und Periodendauer.
28Ein Mikrofon nimmt den Pfiff einer Trillerpfeife auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie groß ist die Periodendauer T? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:12 msIch rechne zwischen Frequenz und Periodendauer um.
29Eine Gitarrensaite schwingt mit der Periodendauer T = 0,01 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:100 HzIch untersuche, wovon die Schwingungsdauer eines Pendels abhängt.
30Ein Fadenpendel ist 64 cm lang und braucht 1,6 s für eine Schwingung. Man tauscht eine Kugel gegen eine größere aus Blei, 3-mal so schwer. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung?Lösung zeigen
Ergebnis:1,6 sIch unterscheide Längs- und Querwellen.
31Du stoppst ein Fadenpendel. Für 20 Schwingungen braucht es zusammen 20 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1 sIch berechne Wellenlängen mit c = λ · f.
32Eine Stimmgabel erzeugt einen Ton mit 34 Hz. In Luft ist der Schall 340 m/s schnell. Wie groß ist die Wellenlänge? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:10 mIch erkläre Resonanz an Beispielen.
33Der Ton einer Orgelpfeife hat die Wellenlänge 0,5 m. Der Schall ist 340 m/s schnell. Welche Frequenz hat der Ton? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:680 HzIch erkläre Schall als Welle.
34Du siehst einen Blitz. Den Donner hörst du 8 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist das Gewitter entfernt? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:2720 m
Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.
Wörter
- Gleichung
- zwei Rechnungen, die gleich viel wert sind
Lösungen
- 6 ms
- 6 ms
- 400 Hz
- 250 Hz
- 512 Hz
- 200 Hz
- 1,8 s
- 4,8 s
- 1,44 m
- 1,4 s
- 2,4 s
- 0,5 Hz
- 17 m
- 2 m
- 10 cm
- 500 Hz
- 400 Hz
- 2,5 m/s
- 1700 m
- 2040 m
- 2 s
- 4 ms
- Die Töne sind gleich hoch.
- 5 Hz
- 0,05 s
- 0,8 s
- 1,2 s
- 12 ms
- 100 Hz
- 1,6 s
- 1 s
- 10 m
- 680 Hz
- 2720 m