Schulfach Physik Oberstufe
Wellen und Schwingungen lernen mit Karteikarten
Schwingungen und Wellen sind allgegenwärtig: Schall, Licht, mechanische Wellen und elektromagnetische Felder folgen denselben Grundprinzipien. Das Federpendel und das mathematische Pendel sind die Grundmodelle. Wellen transportieren Energie ohne Materietransport. Superposition von Wellen führt zu Interferenz, stehenden Wellen und Resonanz.
20 Karteikarten · kostenlos · ohne Anmeldung
Direkt loslernen
Lade alle 20 Karten mit einem Klick in den Lern-Modus, mische sie, lerne online oder drucke sie als PDF.
Wellen und Schwingungen: Formeln und Konzepte verbinden
Der häufigste Fehler: Schwingungsgrößen (T, f, ω) mit Wellengrößen (λ, c) verwechseln. Beide hängen über v = λ·f zusammen.
- Schwingungsgrößen: Periode T in s, Frequenz f = 1/T in Hz, Kreisfrequenz ω = 2πf in rad/s.
- Federpendel: T = 2π · √(m/k); Einheit: s. Unabhängig von der Amplitude (für kleine Auslenkungen).
- Mathematisches Pendel: T = 2π · √(l/g); abhängig von Länge l, unabhängig von Masse und Amplitude (für kleine Winkel).
- Wellengleichung: c = λ · f; c: Ausbreitungsgeschwindigkeit, λ: Wellenlänge, f: Frequenz.
- Doppler-Effekt: f_beob = f_0 · (c ± v_Beob) / (c ∓ v_Quelle); Annäherung erhöht, Entfernung verringert die wahrgenommene Frequenz.
- Stehende Wellen: Entstehen durch Überlagerung von Hin- und Rückwelle; Knoten (Auslöschung) und Bäuche (Verstärkung) an festen Positionen.
Alle Karten in diesem Set
| Vorderseite | Rückseite |
|---|---|
| Was ist eine harmonische Schwingung? | Periodische Bewegung, bei der die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung ist: F = -k·x. Weg-Zeit-Gesetz: x(t) = A · cos(ωt + φ₀); A: Amplitude, ω: Kreisfrequenz, φ₀: Anfangsphase. |
| Was ist die Periode T einer Schwingung? | Die Zeit für eine vollständige Schwingung. Einheit: Sekunde (s). Zusammenhang: T = 1/f = 2π/ω. |
| Was ist Kreisfrequenz ω? | ω = 2π/T = 2πf; Einheit: rad/s. Beschreibt die Anzahl der Schwingungszyklen pro 2π Sekunden. |
| Wie lautet die Schwingungsdauer eines Federpendels? | T = 2π · √(m/k); m: Masse in kg, k: Federkonstante in N/m. Unabhängig von der Amplitude (für lineare Rückstellkraft). |
| Wie lautet die Schwingungsdauer eines mathematischen Pendels? | T = 2π · √(l/g); l: Pendellänge in m, g ≈ 9,81 m/s². Gilt näherungsweise für kleine Winkel (< ca. 10°). |
| Was ist Resonanz? | Resonanz tritt auf, wenn eine äußere Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz f₀ des Systems übereinstimmt. Die Amplitude wächst dann stark an (bei Dämpfung: endliche Resonanzamplitude; ohne Dämpfung: theoretisch unendlich). |
| Was ist der Unterschied zwischen Transversal- und Longitudinalwelle? | Transversal: Teilchen schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z.B. Licht, Seilwelle). Longitudinal: Teilchen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung (z.B. Schall in Luft, Druckwelle). |
| Wie lautet die Wellengleichung? | c = λ · f; c: Ausbreitungsgeschwindigkeit (m/s), λ: Wellenlänge (m), f: Frequenz (Hz). |
| Was ist Schallgeschwindigkeit in Luft (ca. 20 °C)? | ca. 343 m/s. Steigt mit der Temperatur: v ≈ 331 m/s + 0,6 m/(s·K) · T (T in °C). In Wasser: ~1480 m/s; in Stahl: ~5000 m/s. |
| Was ist Überlagerungsprinzip (Superpositionsprinzip)? | Treffen zwei Wellen aufeinander, addieren sich ihre Auslenkungen vektoriell. Nach der Überlagerung breiten sich beide Wellen unverändert weiter aus (gilt für lineare Medien). |
| Was ist konstruktive und destruktive Interferenz? | Konstruktiv: Wegdifferenz Δs = m·λ (m ganzzahlig), Amplituden addieren sich. Destruktiv: Δs = (m+½)·λ, Amplituden löschen sich aus. |
| Was ist eine stehende Welle? | Überlagern sich zwei gleich frequente Wellen in entgegengesetzter Richtung (z.B. Hin- und Rückwelle), entstehen Knoten (keine Amplitude) und Bäuche (maximale Amplitude) an festen Orten. |
| Welche Bedingung gilt für stehende Wellen auf einer beidseitig eingespannten Saite? | l = n · λ/2 (n = 1, 2, 3...); die Länge der Saite ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge. Grundton: n=1 (1 Bauch), 1. Oberton: n=2 (2 Bäuche), usw. |
| Was ist der Doppler-Effekt? | Die scheinbare Frequenzänderung einer Welle, wenn Quelle und Beobachter relativ zueinander bewegt sind. Annäherung: höhere Frequenz; Entfernung: niedrigere Frequenz. |
| Wie berechnet man die Doppler-verschobene Frequenz (Quelle und Beobachter)? | f_emp = f₀ · (c + v_B) / (c - v_Q); Vorzeichen: + für Annäherung, - für Entfernung. v_B: Geschwindigkeit Beobachter, v_Q: Geschwindigkeit Quelle, c: Wellengeschwindigkeit. |
| Was ist Dämpfung bei Schwingungen? | Abnahme der Amplitude mit der Zeit durch Energieverlust (z.B. Reibung). Gedämpfte Schwingung: A(t) = A₀ · e^(-δt); δ: Dämpfungskonstante. |
| Was ist der Unterschied zwischen mechanischer und elektromagnetischer Welle? | Mechanische Wellen (Schall, Wasserwellen) brauchen ein Medium. Elektromagnetische Wellen (Licht, Radiowellen) können sich im Vakuum ausbreiten (c = 3·10⁸ m/s). |
| Was ist die Intensität einer Welle? | I = P / A; Leistung pro Fläche, Einheit: W/m². Bei Punktquelle gilt das Abstandsgesetz: I ∝ 1/r² (Intensität nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab). |
| Was ist der Unterschied zwischen Amplitude und Intensität? | Amplitude A: maximale Auslenkung (Einheit abhängig von der Größe). Intensität I ∝ A² (Intensität ist proportional zum Quadrat der Amplitude). |
| Was sind harmonische Obertöne? | Schwingungen mit Frequenzen f_n = n · f₁ (n = 1: Grundton, n = 2: erster Oberton...). Bestimmen den Klang (Timbre) eines Tons; Fourier-Analyse zerlegt jeden periodischen Vorgang in harmonische Anteile. |
Anzeige
Anzeige
Häufige Fragen
Warum ist Schall im Vakuum nicht hörbar?
Schall ist eine mechanische Longitudinalwelle: sie braucht ein Medium (Materie), um sich auszubreiten. Im Vakuum gibt es keine Teilchen, die Druck und Druckänderungen weitergeben könnten.
Warum klingt eine Polizeisirene höher, wenn sie sich nähert?
Doppler-Effekt: Wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt, werden die Wellenfronten zusammengedrückt (Wellenlänge kürzer, Frequenz höher). Bei Entfernung werden sie gedehnt (tieferer Ton).
Was ist der Unterschied zwischen Frequenz und Tonhöhe?
Frequenz ist die physikalische Größe (Hz, messbar). Tonhöhe ist die subjektive Wahrnehmung des menschlichen Gehörs; sie ist logarithmisch zur Frequenz (Verdopplung der Frequenz = eine Oktave höher). Das Gehör ist empfindlich für ca. 20 Hz bis 20 kHz.