Wellenbewegung

Ausbreitung einer periodisch erregten, fortlaufenden Transversalwelle

Erzwungene Schwingungen - Pohlsches Pendel

Prinzip Bei einem frei schwingenden System nimmt die Amplitude der Schwingung aufgrund der Dämpfung allmählich ab. Wird die Schwingung jedoch durch ein externes periodisches Drehmoment  angeregt, ist die Amplitide von der Frequenz des externen Erregers und der Dämpfung abhängig. Die Eigenfrequenzen der freien Schwingung sowie die Resonanzkurven der erzwungenen Schwingung sollen für verschiedene Dämpfungswerte bestimmt werden. Dafür werden die Schwingungen mit dem Interface System in Verbindung mit dem Bewegungssensor aufgezeichnet.

Erzwungene Schwingungen - Pohlsches Pendel mit measure Dynamics

Prinzip Wenn einem oszillierenden System erlaubt wird, frei zu schwingen, wird beobachtet, dass die Abnahme aufeinanderfolgender Maximalamplituden stark von der Dämpfung abhängig ist. Wenn das oszillierende System von einer externen Drehschwingung zum Schwingen angeregt wird, beobachten wir, dass die Amplitude in einem stationären Zustand eine Funktion der Frequenz und der Amplitude der externen, periodischen Drehschwingung und der Dämpfung ist. Im Folgenden wird die charakteristische Frequenz der freien Oszillation sowie die Resonanzkurve einer erzwungenen Schwingung bestimmt. Aufgaben A. Freie Schwingung 1. Bestimme die Schwingungsdauer und die charakteristische Frequenz für den ungedämpften Fall. 2. Bestimme die Schwingungsdauer und die entsprechenden charakteristischen Frequenzen für verschiedene Dämpfungswerte. Die entsprechenden Verhältnisse von Dämpfung, Dämpfungskonstante und logarithmischem Dekrement werden berechnet. 3. Realisiere den aperiodischen Fall und den Kriechfall. B. Erzwungene Schwingung 4. Bestimme die Resonanzkurve und stelle sie graphisch dar unter Benutzung der Dämpfungswerte aus A. ◦ Beobachte die Phasendifferenz zwischen dem Drehpendel und der stimulierenden, externen Drehung für einen kleinen Dämpfungswert bei verschiedenen Anregungsfrequenzen. Lernziele • Winkelgeschwindigkeit • charakteristische Frequenz • Resonanzfrequenz • Drehpendel • Drehschwingung • Rückstellmoment • gedämpfte/ungedämpfte freie Schwingung • erzwungene Schwingung • Verhältnis von Dämpfung/Abnahme • konstante Dämpfung • logarithmisches Dekrement • aperiodischer Fall • Kriechfall

Frequenzbestimmung durch Schwebung

Prinzip Schwebungen treten auf, wenn zwei Töne annähernd die gleiche Frequenz haben. Wenn eine Frequenz bekannt ist, kann man die andere Frequenz durch Analyse der Schwebung bestimmen. In diesem Experiment bestimmen die Schüler die Frequenz einer verstimmten Stimmgabel, indem sie die Frequenz der Schwebung mit einer zweiten Stimmgabel messen. Vorteile • Versuch ist Teil einer Komplettlösung mit insgesamt 22 Versuchen zu den Themen Schallerzeugung, -ausbreitung und -wahrnehmung, Schwingungen und Wellen • Besonders geeignet für den Einstiegsthema in die Physik im Allgemeinen • Mit anschaulichem Schülerarbeitsblatt • Mit detaillierten Lehrerinformationen • Besonders geeignet bei knapper Zeitplanung, da minimale Vorbereitungszeit

Phasengeschwindigkeit von stehenden Wellen mit Cobra SMARTsense

Prinzip An einem Gummiband mit viereckigem Querschnitt wird mit Hilfe eines Vibrationsgenerators eine linear polarisierte stehende, transversale Welle erzeugt. Die Wellenlänge wird in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz bestimmt. Dann wird die Phasengeschwindigkeit der Seilwelle durch Änderung der Zugspannung verändert. Der Zusammenhang zwischen der Phasengeschwindigkeit des Seiles und dem Zug auf das Seil wird untersucht. Mithilfe eines Stroboskops kann die stehende Welle noch eindrucksvoller dargestellt werden.

Reflexion und Echo

Prinzip In diesem Experiment beobachten die Schüler die Reflexion von Schallpulsen in einem Glasrohr, sowohl am geschlossenen, als auch am offenen Ende. Sie zeichnen Signal und Echo mit einem Mikrofon auf und analysieren mit der Software measure Acoustics die Laufzeitdifferenzen um den Wegunterschied von Signal und Echo zu bestimmen. Vorteile • Versuch ist Teil einer Komplettlösung mit insgesamt 22 Versuchen zu den Themen Schallerzeugung, -ausbreitung und -wahrnehmung, Schwingungen und Wellen • Besonders geeignet für den Einstiegsthema in die Physik im Allgemeinen • Mit anschaulichem Schülerarbeitsblatt • Mit detaillierten Lehrerinformationen • Besonders geeignet bei knapper Zeitplanung, da minimale Vorbereitungszeit

Resonanz

Prinzip Für Stimmgabeln gibt es Resonanzkästen, welche die Lautstärke ihres Tons erheblich verstärken können. Der Resonanzkasten ist ein Hohlkörper mit bestimmten Abmessungen und besteht meist aus Holz oder Metall. Resonanzkästen, bzw. -körper, sind Bestandteil vieler Musikinstrumente. Auch bei der Konstruktion von Lautsprechern spielen die Abmessungen und die Form des Resonanzkörpers eine große Rolle. Von Resonanz spricht man, wenn ein schwingungsfähiger Körper mit seiner Eigenfrequenz angeregt wird. Dadurch wirkt er schwingungsverstärkend. In diesem Experiment bestimmen die Schüler Resonanzfrequenzen eines offenen Glasrohres und einer Rahmentrommel. Für die Rahmentrommel nehmen sie außerdem eine Resonanzkurve auf. Vorteile • Versuch ist Teil einer Komplettlösung mit insgesamt 22 Versuchen zu den Themen Schallerzeugung, -ausbreitung und -wahrnehmung, Schwingungen und Wellen • Besonders geeignet für den Einstiegsthema in die Physik im Allgemeinen • Mit anschaulichem Schülerarbeitsblatt • Mit detaillierten Lehrerinformationen • Besonders geeignet bei knapper Zeitplanung, da minimale Vorbereitungszeit

Resonanz und Eigenfrequenz zweier Stimmgabeln

Prinzip Eine Stimmgabel, die zum Klingen gebracht wird, kann auch eine andere Stimmgabel zum Schwingen anregen. Dieser Vorgang heißt Resonanz. Resonanz kann auch bei einem Pendel beobachtet werden, wenn es mit der richtigen Frequenz angeregt wird. Vorteile • Übersichtlicher und einfacher Aufbau • Erreichung eines elementaren Lernziels mit wenig Aufwand

Stehende Wellen

Prinzip Wenn sich die Schallwelle eines Tons in Luft ausbreitet, dann versetzt diese Welle alle Luftteilchen, die sie erreicht, in Schwingung. Wird der Ton dauerhaft erzeugt, dann sind alle Teilchen ständig in Bewegung. In diesem Experiment beobachten die Schüler, wie für bestimmte Frequenzen in einem Glasrohr stehende Wellen entstehen. Sie vermessen die Positionen der Knoten und Bäuche und erarbeiten sich in der Auswertung die Bedingungen für die Eigenfrequenzen eines Hohlkörpers. Vorteile • Versuch ist Teil einer Komplettlösung mit insgesamt 22 Versuchen zu den Themen Schallerzeugung, -ausbreitung und -wahrnehmung, Schwingungen und Wellen • Besonders geeignet für den Einstiegsthema in die Physik im Allgemeinen • Mit anschaulichem Schülerarbeitsblatt • Mit detaillierten Lehrerinformationen • Besonders geeignet bei knapper Zeitplanung, da minimale Vorbereitungszeit

Variables g-Pendel

Prinzip Untersucht wird das Schwingungsverhalten eines Pendels (Stangenpendel) bei unterschiedlichen Schwingungsdauern und somit unterschiedlich großer Wirkung der Erdbeschleunigung. Das verwendete Pendel ist so konstruiert, dass seine Schwingungebene zunehmend von einer vertikalen - in eine horizontale Position gedreht werden kann. Der Winkel F, der die Abweichung der Schwingungsebene von ihrer normalen vertikalen Position angibt, kann hierbei an einer Skala abgelesen werden. Aufgaben 1. Messung der Schwingungsdauer des Pendels als Funktion des Neigungswinkels F der Schwingungsebene bei zwei unterschiedlichen Pendellängen. 2. Graphische Analyse der gemessenen Zusammenhänge und Vergleich mit den theoretischen Kurven, die mit dem Messwert bei F = 0 standardisiert worden sind. 3. Berechnung der effektiven Pendellänge l für die angenommene Erdbeschleunigung. Vergleich dieses Wertes mit dem Abstand zwischen dem Drehpunkt des Pendels und dem Schwerpunkt des Pendelgewichtes. 4. Auf der Mondoberfläche beträgt die "Mondbeschleunigung" gm lediglich 16,6 % der Erdbeschleunigung. Berechne den Winkel F, der beim Versuchsaufbau eingestellt werden muss, damit der Pendel so schwingt, als schwinge er in senkrechter Position auf dem Mond und nimm die Anpassung am Versuchsaufbau vor. Vergleiche die gemessene Schwingungsdauer mit der erechneten.