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.
- 3 Schwingungen dauern zusammen 24 ms
- T = 24 ms : 3 = 8 ms
- Zähl, wie viele ganze Schwingungen auf die Zeitachse passen.
- 3 Schwingungen dauern zusammen 24 ms
- T = 24 ms : 3 = 8 ms
ÜbenJetzt du
- ○1Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Stimmgabel 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.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 10 ms
- T = 10 ms : 5 = 2 ms
Ergebnis:2 ms - ●2Ein Mikrofon nimmt einen gesungenen Ton 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.
- 5 Schwingungen dauern zusammen 6 ms
- T = 6 ms : 5 = 1,2 ms
Ergebnis:1,2 ms - ★3Ein Mikrofon nimmt den Ton einer Klarinette 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 = 12 : 30 s
- f = 0,4 Hz
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 12 : 30 s
- f = 0,4 Hz
AchtungFrequenz und Periodendauer nicht als Kehrwert
T = 0,02 s, also f = 0,02 Hz
f = 1 : 0,02 s = 50 Hz
Frag, wie viele Schwingungen in eine Sekunde passen: f = 1 : T.
ÜbenJetzt du
- ○4Die Membran eines Lautsprechers schwingt mit der Periodendauer T = 0,005 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 : 0,005 s
- f = 200 Hz
Ergebnis:200 Hz - ●5Eine Gitarrensaite schwingt in 2 s genau 660-mal hin und her. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 660 : 2 s
- f = 330 Hz
Ergebnis:330 Hz - ★6Die Membran eines Lautsprechers schwingt mit der Periodendauer T = 4 ms. Welche Frequenz in Hertz hat der Ton? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Zeit in Sekunden
- 4 ms = 0,004 s
- f = 1 : 0,004 s = 250 Hz
Ergebnis:250 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 · 2,2 s = 4,4 s
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Viermal so lang heißt doppelt so lange.
- T = 2 · 2,2 s = 4,4 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 49 cm lang und braucht 1,4 s für eine Schwingung. Der Faden wird viermal so lang. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.So fängst du an:Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
Lösung zeigen
- Die Dauer wächst langsamer als die Länge.
- Viermal so lang heißt doppelt so lange.
- T = 2 · 1,4 s = 2,8 s
Ergebnis:2,8 s - ●8Ein Fadenpendel ist 36 cm lang und braucht 1,2 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 · 1,2 s = 2,4 s
Ergebnis:2,4 s - ★9Ein Fadenpendel ist 49 cm lang und braucht 1,4 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 · 49 cm = 196 cm = 1,96 m
Ergebnis:1,96 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 = 12 s : 10
- T = 1,2 s
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 12 s : 10
- T = 1,2 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 15 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 = 15 s : 10
- T = 1,5 s
Ergebnis:1,5 s - ●11Du stoppst ein Fadenpendel. Für 10 Schwingungen braucht es zusammen 10 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Die Zeit für eine Schwingung: Gesamtzeit durch Zahl der Schwingungen
- T = 10 s : 10
- T = 1 s
Ergebnis:1 s - ★12Ein Fadenpendel braucht für 20 Schwingungen zusammen 8 s. Welche Frequenz hat es? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = Zahl der Schwingungen : Zeit
- f = 20 : 8 s
- f = 2,5 Hz
Ergebnis:2,5 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 : 680 Hz
- λ = 0,5 m
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 680 Hz
- λ = 0,5 m
ÜbenJetzt du
- ○13Eine Orgelpfeife erzeugt einen Ton mit 850 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 : 850 Hz
- λ = 0,4 m
Ergebnis:0,4 m - ●14Eine Orgelpfeife 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
- c = λ · f, umgestellt λ = c : f
- λ = 340 m/s : 34 Hz
- λ = 10 m
Ergebnis:10 m - ★15Ein Delfin ruft mit 30 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
- 30 kHz = 30.000 Hz, λ = 1500 m/s : 30.000 Hz = 0,05 m
- 0,05 m = 5 cm
Ergebnis: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 : 17 m
- f = 20 Hz
- c = λ · f, umgestellt f = c : λ
- f = 340 m/s : 17 m
- f = 20 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
- ○16Eine Schallwelle in Luft hat die Wellenlänge 2 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 : 2 m
- f = 170 Hz
Ergebnis:170 Hz - ●17Der Ton eines Lautsprechers hat die Wellenlänge 10 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 : 10 m
- f = 34 Hz
Ergebnis:34 Hz - ★18Im Wellenbecken sind es vom Wellenberg bis zum nächsten Wellental 15 cm. Die Frequenz ist 4 Hz. Wie schnell laufen die Wellen? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- Berg bis Tal ist eine halbe Welle, dann c = λ · f
- λ = 2 · 15 cm = 30 cm = 0,3 m
- c = 0,3 m · 4 Hz = 1,2 m/s
Ergebnis:1,2 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 · 4 s
- s = 1360 m
- s = v · t, das Licht ist fast sofort da
- s = 340 m/s · 4 s
- s = 1360 m
ÜbenJetzt du
- ○19Über dem See platzt eine Feuerwerksrakete. Den Knall hörst du 2 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist die Rakete 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 · 2 s
- s = 680 m
Ergebnis:680 m - ●20Am Waldrand schlägt jemand mit der Axt auf einen Baum. Den Schlag hörst du 6 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist der Baum 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 - ★21Eine Feuerwerksrakete platzt 3,06 km entfernt (v = 340 m/s). Nach wie vielen Sekunden hörst du den Knall? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- t = s : v, der Weg in Metern
- 3,06 km = 3060 m
- t = 3060 m : 340 m/s = 9 s
Ergebnis:9 s
Vermischte Übungen
Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?
Üben
- ●22Ein Mikrofon nimmt zwei Pfiffe auf. 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 B hat mehr Schwingungen, die Ausschläge sind gleich groß.
- Also: Ton B ist höher.
Ergebnis:Ton B: Er schwingt in derselben Zeit häufiger. - ●23Eine Boje auf den Wellen schwingt mit der Periodendauer T = 2 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- f = 1 : T, die Schwingungen je Sekunde
- f = 1 : 2 s
- f = 0,5 Hz
Ergebnis:0,5 Hz - ●24Eine Schaukel schwingt mit der Frequenz 0,25 Hz. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.
Lösung zeigen
- T = 1 : f, die Zeit für eine Schwingung
- T = 1 : 0,25 Hz
- T = 4 s
Ergebnis:4 s - ●25Ein Fadenpendel ist 81 cm lang und braucht 1,8 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 1,8 s
Ergebnis:1,8 s - ●26Eine Stimmgabel erzeugt einen Ton mit 20 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 : 20 Hz
- λ = 17 m
Ergebnis:17 m - ●27Der Ton einer Orgelpfeife hat die Wellenlänge 4 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 : 4 m
- f = 85 Hz
Ergebnis:85 Hz
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 eine Flötennote auf. Das Bild zeigt die Schwingung. Wie groß ist die Periodendauer T? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:3 msIch rechne zwischen Frequenz und Periodendauer um.
29Ein Federpendel schwingt mit der Periodendauer T = 0,5 s. Wie groß ist die Frequenz? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:2 HzIch untersuche, wovon die Schwingungsdauer eines Pendels abhängt.
30Ein Fadenpendel ist 64 cm lang und braucht 1,6 s für eine Schwingung. Der Faden wird viermal so lang. Wie lange dauert jetzt eine Schwingung? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:3,2 sIch unterscheide Längs- und Querwellen.
31Du stoppst ein Fadenpendel. Für 10 Schwingungen braucht es zusammen 24 s. Wie lange dauert eine Schwingung? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:2,4 sIch berechne Wellenlängen mit c = λ · f.
32Ein Lautsprecher erzeugt einen Ton mit 340 Hz. In Luft ist der Schall 340 m/s schnell. Wie groß ist die Wellenlänge? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1 mIch erkläre Resonanz an Beispielen.
33Der Ton einer Orgelpfeife hat die Wellenlänge 1,7 m. Der Schall ist 340 m/s schnell. Welche Frequenz hat der Ton? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:200 HzIch erkläre Schall als Welle.
34Auf der Baustelle gegenüber schlägt ein Hammer auf einen Pfahl. Den Schlag hörst du 3 s später (v = 340 m/s). Wie weit ist die Baustelle entfernt? Berechne mit Einheit.Lösung zeigen
Ergebnis:1020 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
- 1,2 ms
- 1000 Hz
- 200 Hz
- 330 Hz
- 250 Hz
- 2,8 s
- 2,4 s
- 1,96 m
- 1,5 s
- 1 s
- 2,5 Hz
- 0,4 m
- 10 m
- 5 cm
- 170 Hz
- 34 Hz
- 1,2 m/s
- 680 m
- 2040 m
- 9 s
- Ton B: Er schwingt in derselben Zeit häufiger.
- 0,5 Hz
- 4 s
- 1,8 s
- 17 m
- 85 Hz
- 3 ms
- 2 Hz
- 3,2 s
- 2,4 s
- 1 m
- 200 Hz
- 1020 m