Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

2.1 Entstehung und Ausbreitung von Wellen Wellen entstehen, wenn schwingende Teilchen ihre Schwingungsenergie an be- nachbarte Teilchen weitergeben können. Am einfachsten lässt sich dies am Bei- spiel miteinander gekoppelter Pendel darstellen. Experiment: Gekoppelte Pendel 41.1 Verbinde die beiden Pendel mit einer Feder ( 41.1 .) oder einer Schnur, die du mit einem Massestück beschwerst, um die Koppelung zu verbessern. E 1 a) Lass ein Pendel in Richtung der Verbindungslinie der Pendel schwingen. E 1 b) Lass ein Pendel quer zur Verbindungslinie der Pendel schwingen. Die Kopplung durch die Schnur bewirkt, dass abwechselnd Schwingungsenergie von einem Pendel zum anderen übertragen wird. Sobald ein Pendel in Ruhe ist, schwingt das andere mit maximaler Auslenkung. Was geschieht, wenn nicht zwei, sondern viele Pendel miteinander gekoppelt sind? a Die Entstehung einer transversalen Welle Experiment: Transversale Welle 41.2 E 1 Du brauchst: Eine „Wellenmaschine“: an einer waagrechten Stange sind viele gleich lange Fadenpendel in gleichen Abständen befestigt und aneinander gekop- pelt. Führe das erste Pendel aus der Ausgangslage und bewege es längs der y-Achse ( 41.2a ) möglichst harmonisch hin und her. Beobachte, was passiert. Lenkt man ein Pendel aus, so geraten wegen der Kopplung auch alle übrigen Pen- del in Schwingung. Weil aber die Pendel eine gewisse Trägheit besitzen, beginnt jedes Pendel etwas später zu schwingen als das vorhergehende. Dadurch wandert der „Wellenberg“, das ist der Ort mit der größten Auslenkung, gleichmäßig in die Ausbreitungsrichtung . Macht man eine Momentaufnahme, erkennt man „Wellen- berge“ und „Wellentäler“. Die „Wellenberge“ und die „Wellentäler“ liegen normal zur Ausbreitungsrichtung (in unserem Fall die x-Achse). Da sich die Pendel quer zur Ausbreitungsrichtung bewegen, spricht man von einer Transversalwelle . Jeder Pendelkörper führt eine harmonische Schwingung aus, das Zeit-Weg-Dia- gramm eines einzelnen Oszillators ergibt daher eine Sinuskurve. Macht man von der Transversalwelle eine Momentaufnahme, so liegen auch die Pendelkörper auf einer Sinuskurve. Dies bedeutet, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt auch die Aus- lenkung y in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung x eine Sinusfunktion er- gibt. Derartige Wellen nennt man harmonische Wellen . Den kleinsten Abstand zweier Teilchen gleicher Schwingungsphase bezeichnet man als Wellenlänge λ . Bei der transversalen Welle haben daher zwei benachbarte „Wellenberge“ den Ab- stand λ . Kurze Wasserwellen ( λ < 2 cm ), Wellen entlang gespannter Seile und Oberflächen- wellen bei Erdbeben sind Beispiele für transversale Wellen. Die Oszillatoren sind die Materieteilchen, zum Beispiel die Wassermoleküle an der Oberfläche eines Sees. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass die Wasseroberfläche eine Mini- malfläche aufweist, im Normalfall also eben ist. Werden die Wasserteilchen aus ihrer Gleichgewichtslage gebracht, versuchen sie diese wiederherzustellen und be- ginnen hinauf und hinunter zu schwingen. Die Schwingungsenergie wird mit eini- ger Verzögerung auf die benachbarten Teilchen übertragen, es breitet sich eine Welle aus. Große Wasserwellen können nicht in dieser einfachen Weise erklärt werden. Die Trägheit der Wassermassen und ihr Gewicht sowie Wind und Wasser- tiefe beeinflussen die Form der Welle und ihre Ausbreitung. 41.1 Gekoppelte Pendel. Die Energieüber- tragung erfolgt hier mittels Feder. y y y x x x c c c c v   41.2 Zur Entstehung der Transversalwelle (a) und der Longitudinalwelle (b) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Zeit t 41.3 Bildung einer fortschreitenden Trans- versalwelle. 41 | WELLEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum es Verlags öbv