Big Bang HTL 3, Schulbuch

Wellen – Vertiefung 3 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 31 Der Doppler-Effekt hat zahlreiche Anwendungen in der Astronomie. Wenn sich eine Lichtquelle entfernt, verschie- ben sich alle Frequenzen ins Rote und man spricht von Rot- verschiebung . Bei Annäherung kommt es zu einer Blauver- schiebung . Das Spektrum mancher Sterne wechselt ständig zwischen Rot- und Blauverschiebung. Das lässt sich nur so erklären, dass diese mit anderen, nicht sichtbaren Objekten um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotieren. So hat man schon zahlreiche Extrasolare, aber auch viele mutmaßliche Schwarze Löcher entdeckt ( F14 ). Info: Doppel-Doppler-Effekt -> S. 30 Experiment: Doppler-Effekt mit einer Stimmgabel Zusammenfassung Für alle Wellen gilt: Bei Annäherung zwischen Wellenquelle und Beobachter erhöht sich die Frequenz, bei Entfernung sinkt sie. Das ist der Doppler-Effekt. Doppler-Effekt mit einer Stimmgabel Um diesen Versuch durchzuführen, brauchst du eine Stimm- gabel und ein etwa 1m langes Seil . Die Stimmgabel wird so stark angeschlagen, dass ein deutlich hörbarer Ton ent- steht. Wenn du die Stimmgabel nun über dem Kopf wirbelst (Abb. 3.20), dann kann eine etwas entfernt stehende Person deutliche Tonhöhenschwankungen feststellen. Nachdem es sich hier um eine bewegte Quelle handelt, gilt die mittlere Formel in Tab. 3.1, S. 30. e Abb. 3.20 Z Wellengrundlagen 1 Vertiefende Beispiele Kurz vor 1900 suchte man beinahe verzweifelt nach einem Medium, das das Licht transportiert. Braucht Licht ein Medium? Begründe, warum man nach einem solchen Medium suchte! L Erkläre, welche Reiter springen, wenn du die Saite so wie in der Abbildung anzupfst! L Begründe: Hat eine Wasserwelle Energie? Und besitzt sie einen Impuls? L Berechne, welche Frequenzen ein Badezimmer mit 3m Höhe verstärkt! L 3 F16 A2 Abb. 3.21 F17 A2 F18 A2 F19 A1 Erkläre, wie man die Gleichungen zum Doppler-Effekt in Tab. 3.1 herleiten kann! Versuche mit Hilfe des Lösungsteils Schritt für Schritt nachzuvollziehen. L Bei Schallwellen gibt es eine Schallmauer. Überlege, ob es auch eine „Lichtmauer“ gibt! L Du weißt, wie ein Kuckuck ruft! Der Ruf entspricht einer kleinen Terz und somit einem Frequenzverhält- nis von 6 : 5. Auf der Autostraße fährt ein Auto vorbei, und du nimmst eine kleine Terz wahr. Berechne, wie schnell das Auto war und welches Intervall F1-Boliden schaffen. Schaffen sie eine Oktave (2 : 1)? L Begründe, warum es beim optischen Doppler-Effekt keine Rolle spielt, wer sich bewegt! L Die Enterprise fliegt mit 60% von c (also 0,6 c ) von dir weg und schickt nach hinten einen blauen Strahl aus. Begründe, in welcher Farbe du diesen siehst! L Beschreibe, was Echo und Hall sind und wie sie entstehen! L Orgeln haben heutzutage im Extremfall einen Tonumfang von C 2 (16,35 Hz) bis c 6 (8372 Hz). Berechne, welcher Pfeifenlänge das entspricht! Der tiefste Ton einer normalen Blockflöte (man nennt sie Sopran-Blockflöte) ist ein c 2 (523,3 Hz). Nimm an, du bist bei 15 °C im Freien und stimmst die Flöte durch Auseinanderziehen der beiden Teile genau. Dann gehst du in einen Raum, in dem es 25° hat. Berechne, wie stark sich die Tonhöhe dadurch verändert! Der nächste Ganzton, das d 2 , hat eine Frequenz von 587,3 Hz. Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab und es gilt v = 20 √ __ T , wobei T die absolute Temperatur in Kelvin ist. Begründe, warum eine offene und eine geschlossene Orgelpfeife so unterschiedlich klingen, auch wenn derselbe Ton gespielt wird. Verwende für deine Begründung Abb. 3.12, S. 29. Erstelle drei Diagramme für den Dopplereffekt und zwar bei mechanischen Wellen a) für einen bewegten Beobachter, b) für eine bewegte Quelle und c) für elek- tromagnetische Wellen (hier spielt es keine Rolle, wer sich bewegt). Nimm dazu die Gleichungen aus Tab. 3.1, S. 30. Trage auf der y -Achse f B / f Q und auf der x -Achse v B / v bzw. v Q / v bzw. v BQ / c auf. Nimm für die Geschwin- digkeit des Beobachters bzw. der Quelle – v bis + v an, wobei v die Geschwindigkeit der Welle ist. Überprüfe, ob die Darstellung in diesen Bereichen überhaupt möglich ist. Vergleiche die Diagramme und interpre- tiere sie. F20 A1 F21 A2 F22 A2 F23 A2 F24 A1 F25 A1 F26 A1 F27 A1 F28 A1 F29 A1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv