Lehrerversuche

Ausbreitung einer periodisch erregten, fortlaufenden Transversalwelle

Chladnische Klangfiguren

Prinzip Quadratische und runde Metallplatten werden durch akustische Anregung mittels eines Lautsprechers zum Vibrieren gebracht. Wenn die gewählte Anregungsfrequenz einer bestimmten Eigenfrequenz der Platte entspricht, werden die Nodallinien sichtbar durch den Sand. Der Sand wird von den vibrierenden Bereichen der Platte weggestoßen und sammelt sich in den Linien, da hier die einzigen Stellen sind an denen die Vibrationen annähernd null betragen.

Die musikalischen Intervalle

Prinzip Das Frequenzverhältnis zweier Töne bezeichnet man als Intervall. Diese Intervalle haben in der Musik besondere Namen. Daher ist der Versuch für die Schüler leichter zu verstehen, wenn die Begriffe aus dem Musikunterricht bekannt sind, in jedem Fall sollten sie die c-dur-Tonleiter kennen. Bei einer gespannten Saite verhalten sich die Saitenlängen umgekehrt wie die Tonhöhen (Frequenzen) der erzeugten Töne. Aus dem Verhältnis der Saitenlängen lässt sich daher das Intervall von Tönen bestimmen Im Versuch wird ein Monochord verwendet, ein Klangkörper mit zwei gespannten Saiten, deren Tonhöhe durch untergeschobene "Stege" verändert werden kann. Beide Saiten sind zunächst so gespannt, dass der gleiche Ton entsteht, unter eine Saite wird ein Steg geschoben, um das gewünschte Intervall zwischen beiden Saiten einzustellen, und die dazugehörende Saitenlänge wird gemessen. Vorteile • Übersichtlicher und einfacher Aufbau • Erreichung eines elementaren Lernziels mit wenig Aufwand

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

Gekoppelte Pendel mit measure Dynamics

Prinzip Zwei gleiche Gravitationspendel mit einer bestimmten charakteristischen Frequenz werden über eine "weiche" Spiralfeder miteinander gekoppelt. Die Amplituden beider Pendel werden als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die Kopplungsfaktoren werden über verschiedene Methoden bestimmt. Anschließend werden die Ortspunkte der Schwingung in das Video eingeblendet. Vorteile • Großer stabiler Aufbau, sowohl geeignet für Demonstrationsversuche als auch für das Praktikum • Messwerterfassung in Echtzeit zur gleichzeitigen Bestimmung der Schwingungen beider Pendel • Einfache Messung und Auswertung mit der Bewegungserfassungs-Software Vorteile • Großer stabiler Aufbau, sowohl geeignet für Demonstrationsversuche als auch für das Praktikum • Messwerterfassung in Echtzeit zur gleichzeitigen Bestimmung der Schwingungen beider Pendel • Einfache Messung und Auswertung mit der Bewegungserfassungs-Software

Interferenz und Beugung von Wasserwellen mit dem Wasserwellengerät

Prinzip Es werden gleichzeitig an mehreren Stellen kreisförmige Wasserwellen erzeugt und das sich ergebende Interferenzmuster beobachtet. Durch Erhöhung der Anzahl der interferierenden Kreiswellen kann das Huygens'sche Prinzip veranschaulicht werden. Mit Hilfe von ebenen Wellen werden Beugungsphänomene an verschiedenen Hindernissen (Spalt, Kante, Doppelspalt usw.) untersucht. In einem weiteren Experiment kann das Prinzip der phasengesteuerten Antennen gezeigt werden. Um dies zu erreichen werden zwei Kreiswellen erzeugt und das Interferenzmuster wird beobachtet während man die Phasenlage des einen Erregers im Verhältnis zum anderen ändert. Vorteile • die Gesetzmäßigkeiten bei Wellenphänomenen sehen und verstehen • Wasser marsch, und los - Kompaktgerät macht schnellen einfachen Aufbau möglich • die helle grüne LED erlaubt auch Demonstrationsexperimente

Mathematisches Pendel mit COBRA SMARTsense

Prinzip Eine Kugel an einem Faden aufgehängt und der Schwerkraft unterworfen, wird aus der Ruhelage abgelenkt. Die Dauer der so erzeugten Schwingung wird in Abhängigkeit von der Fadenlänge und der Abwinkelung gemessen.

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

Schallgeschwindigkeit mit dem kundtschen Rohr

Prinzip Ein Metallstab wird mit einem Tuch gerieben und so in Längsrichtung zum Schwingen gebracht. Die Schwingung wird auf das Gas im Glasrohr übertragen. Das Glasrohr ist am Ende mit dem Abstimmschieber (03474-02) abgeschlossen und es kommt bei geeigneten Rohrlängen zur Resonanz. Das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit im Gas und im Schwingungserzeuger wird durch Messung der Wellenlängen bestimmt.

Ultraschall-Computertomographie

Prinzip Die Grundlagen der Bildentstehung beim CT-Algorithmus werden erklärt. An einem Testobjekt werden ein Dämpfungs- und Schallgeschwindigkeitstomogramm erstellt und die Unterschiede diskutiert. Vorteile • Im Vergleich zu Routinesystemen sehr preisgünstiges System, um die Computertomographie anhand von Ultraschall in einer sehr verständlichen Art und Weise zu demonstrieren • Mit demselben System kann auch ein Objekt mit verschiedenen Ungänzen, das Teil des Lieferumfangs ist, mechanisch abgetastet werden, z.B. um ein B-Bild zu erzeugen

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.