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.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 40 ms
- T = 40 ms : 5 = 8 ms
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 40 ms
- T = 40 ms : 5 = 8 ms
ÜbenJetzt du
- ○1Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Geige auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie lange dauert eine Schwingung? 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.
- 6 Schwingungen dauern zusammen 12 ms
- T = 12 ms : 6 = 2 ms
Ergebnis:2 ms - ●2Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Geige 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 Ton einer Stimmgabel 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 = 6 ms : 6 = 1 ms = 0,001 s
- f = 1 : 0,001 s = 1000 Hz
Ergebnis:1000 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 = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 30 : 0,5 s
- f = 60 Hz
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 30 : 0,5 s
- f = 60 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 Boje auf den Wellen schwingt mit der Periodendauer T = 4 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 : 4 s
- f = 0,25 Hz
Ergebnis:0,25 Hz - ●5Eine Boje auf den Wellen schwingt mit der Periodendauer T = 5 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 5 s
- f = 0,2 Hz
Ergebnis:0,2 Hz - ★6Die Membran eines Lautsprechers schwingt mit der Periodendauer T = 50 ms. Welche Frequenz in Hertz hat der Ton? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Zeit in Sekunden
- 50 ms = 0,05 s
- f = 1 : 0,05 s = 20 Hz
Ergebnis:20 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
- Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
- Die Masse ändert die Dauer eines Fadenpendels nicht.
- T bleibt 1,8 s
- Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
- Die Masse ändert die Dauer eines Fadenpendels nicht.
- T bleibt 1,8 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 16 cm lang und braucht 0,8 s für eine Schwingung. Man tauscht eine leichte Kugel gegen eine schwere, 3-mal so schwer. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung?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 0,8 s
Ergebnis:0,8 s - ●8Ein Fadenpendel ist 36 cm lang und braucht 1,2 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
- Prüf, was sich ändert: nur die Masse, nicht die Länge.
- Die Masse ändert die Dauer eines Fadenpendels nicht.
- T bleibt 1,2 s
Ergebnis:1,2 s - ★9Ein Fadenpendel ist 16 cm lang und braucht 0,8 s für eine Schwingung. Der Faden wird auf ein Viertel gekürzt. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Viermal so lang heißt doppelte Dauer – das gilt auch rückwärts.
- Ein Viertel der Länge heißt die halbe Dauer.
- T = 0,8 s : 2 = 0,4 s
Ergebnis:0,4 s
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 = 40 s : 20
- T = 2 s
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 40 s : 20
- T = 2 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 12 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 = 12 s : 10
- T = 1,2 s
Ergebnis:1,2 s - ●11Du stoppst ein Fadenpendel. Für 20 Schwingungen braucht es zusammen 20 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 20 s : 20
- T = 1 s
Ergebnis:1 s - ★12Ein Fadenpendel braucht für 10 Schwingungen zusammen 40 s. Welche Frequenz hat es? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 10 : 40 s
- f = 0,25 Hz
Ergebnis:0,25 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 : 850 Hz
- λ = 0,4 m
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 850 Hz
- λ = 0,4 m
ÜbenJetzt du
- ○13Eine Orgelpfeife erzeugt einen Ton mit 170 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 : 170 Hz
- λ = 2 m
Ergebnis:2 m - ●14Eine Flöte erzeugt einen Ton mit 100 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 : 100 Hz
- λ = 3,4 m
Ergebnis:3,4 m - ★15Ein Delfin ruft mit 60 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
- 60 kHz = 60.000 Hz, λ = 1500 m/s : 60.000 Hz = 0,025 m
- 0,025 m = 2,5 cm
Ergebnis:2,5 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 : 0,5 m
- f = 680 Hz
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 0,5 m
- f = 680 Hz
AchtungKomma nur im Teiler verschoben
13,76 : 1,72 = 13,76 : 172
13,76 : 1,72 = 1376 : 172 = 8
Verschiebe das Komma in beiden Zahlen gleich weit.
ÜbenJetzt du
- ○16Eine Schallwelle in Luft hat die Wellenlänge 4 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 : 4 m
- f = 85 Hz
Ergebnis:85 Hz - ●17Der Ton eines Lautsprechers hat die Wellenlänge 1,7 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 : 1,7 m
- f = 200 Hz
Ergebnis:200 Hz - ★18Im Wellenbecken haben zwei Wellenberge 40 cm Abstand. Die Frequenz ist 4 Hz. Wie schnell laufen die Wellen? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- c = λ · f, die Wellenlänge in Metern
- λ = 40 cm = 0,4 m
- c = 0,4 m · 4 Hz = 1,6 m/s
Ergebnis:1,6 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 · 7 s
- s = 2380 m
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 7 s
- s = 2380 m
ÜbenJetzt du
- ○19Am Waldrand schlägt jemand mit der Axt auf einen Baum. Den Schlag hörst du 7 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist der Baum 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 · 7 s
- s = 2380 m
Ergebnis:2380 m - ●20Du siehst einen Blitz. Den Donner hörst du 9 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist das Gewitter entfernt? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 9 s
- s = 3060 m
Ergebnis:3060 m - ★21Eine Baustelle ist 1,02 km entfernt. Ein Hammer schlägt auf einen Pfahl (v = 340 m/s). Nach wie vielen Sekunden hörst du den Schlag? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- t = s : v, der Weg in Metern
- 1,02 km = 1020 m
- t = 1020 m : 340 m/s = 3 s
Ergebnis:3 s
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●22Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Gitarre 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 15 ms
- T = 15 ms : 5 = 3 ms
Ergebnis:3 ms - ●23Eine Geige spielt zwei Töne. Das Bild zeigt beide, gleich lange aufgenommen. Welcher Ton ist höher? Begründe mit dem Bild.
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: Gleich hoch: Beide schwingen genau gleich oft.
Ergebnis:Gleich hoch: Beide schwingen genau gleich oft. - ●24Eine Stimmgabel schwingt mit der Periodendauer T = 0,004 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 0,004 s
- f = 250 Hz
Ergebnis:250 Hz - ●25Ein Federpendel schwingt mit der Frequenz 2 Hz. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- T = 1 : f, die Zeit für eine Schwingung
- T = 1 : 2 Hz
- T = 0,5 s
Ergebnis:0,5 s - ●26Ein Fadenpendel ist 81 cm lang und braucht 1,8 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 · 1,8 s = 3,6 s
Ergebnis:3,6 s - ●27Du stoppst ein Fadenpendel. Für 20 Schwingungen braucht es zusammen 32 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 32 s : 20
- T = 1,6 s
Ergebnis:1,6 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 Ton einer Geige auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1,6 msIch rechne zwischen Frequenz und Periodendauer um.
29Eine Boje auf den Wellen schwingt mit der Periodendauer T = 5 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:0,2 HzIch untersuche, wovon die Schwingungsdauer eines Pendels abhängt.
30Ein Fadenpendel ist 16 cm lang und braucht 0,8 s für eine Schwingung. Man tauscht eine leichte Kugel gegen eine schwere, 4-mal so schwer. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung?Lösung zeigen
Ergebnis:0,8 sIch unterscheide Längs- und Querwellen.
31Du stoppst ein Fadenpendel. Für 10 Schwingungen braucht es zusammen 12 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1,2 sIch berechne Wellenlängen mit c = λ · f.
32Ein Lautsprecher erzeugt einen Ton mit 200 Hz. In Luft ist der Schall 340 m/s schnell. Wie groß ist die Wellenlänge? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1,7 mIch erkläre Resonanz an Beispielen.
33Der Ton eines Lautsprechers hat die Wellenlänge 2 m. Der Schall ist 340 m/s schnell. Welche Frequenz hat der Ton? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:170 HzIch erkläre Schall als Welle.
34Am Waldrand schlägt jemand mit der Axt auf einen Baum. Den Schlag hörst du 5 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist der Baum entfernt? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1700 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
- 2 ms
- 6 ms
- 1000 Hz
- 0,25 Hz
- 0,2 Hz
- 20 Hz
- 0,8 s
- 1,2 s
- 0,4 s
- 1,2 s
- 1 s
- 0,25 Hz
- 2 m
- 3,4 m
- 2,5 cm
- 85 Hz
- 200 Hz
- 1,6 m/s
- 2380 m
- 3060 m
- 3 s
- 3 ms
- Gleich hoch: Beide schwingen genau gleich oft.
- 250 Hz
- 0,5 s
- 3,6 s
- 1,6 s
- 1,6 ms
- 0,2 Hz
- 0,8 s
- 1,2 s
- 1,7 m
- 170 Hz
- 1700 m