Aufgabenblock — AFB I
Diese Übung deckt alle Unterkapitel 5.1.1 bis 5.2.5 des Themas „Wellen“ ab. Sie lösen 10 Standardaufgaben der Anforderungsstufe AFB I (Reproduzieren) — also: Formel kennen, Werte einsetzen, ausrechnen, Begriffe benennen. Diese Aufgaben sind die sicheren Punkte in jeder Klausur. Zu jeder Aufgabe gibt es bei Bedarf eine Formel-Erinnerung und eine ausgeschriebene Lösung. Dezimalkomma verwenden, Einheiten immer mitdenken.
Ein Korken schwimmt auf einer Wasserwelle. Er wippt auf und ab, treibt aber nicht davon.
a) Welche Größe transportiert die Welle von Ort zu Ort? (ein Wort)
b) Ein Teilchen schwingt mit der Frequenz f = 4,0 Hz. Berechnen Sie die Periodendauer T.
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b) T = 1/f = 1/4,0 Hz = 0,25 s
Auf einem gespannten Seil läuft eine Welle mit der Wellenlänge λ = 1,5 m und der Frequenz f = 8,0 Hz.
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Benennen Sie die Wellenart. Antworten Sie jeweils mit transversal oder longitudinal.
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b) Licht ist transversal: Die Schwingung liegt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung — Licht kommt daher auch durchs Vakuum.
Ein Lichtstrahl trifft unter dem Einfallswinkel α = 30° aus Luft (n1 = 1,0) auf eine Glasplatte (n2 = 1,5). Alle Winkel werden zum Lot gemessen.
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b) sin β = (1,0 · sin 30°) / 1,5 = 0,5 / 1,5 = 0,333 → β = arcsin(0,333) ≈ 19,5° — zum Lot hin gebrochen.
c) Beugung. Sie ist umso stärker, je kleiner die Öffnung im Vergleich zur Wellenlänge ist; am stärksten bei einer Spaltbreite b ≈ λ.
Von einer harmonischen Welle liegen zwei Diagramme vor. Aus dem einen liest man λ = 2,5 m ab, aus dem anderen T = 0,50 s.
a) Wie heißt das Diagramm, dessen waagerechte Achse den Ort in Metern zeigt? (ein Wort)
b) Berechnen Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit c.
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b) c = λ / T = 2,5 m / 0,50 s = 5,0 m/s
Einheitenprobe: m ÷ s = m/s. Wer λ · T rechnet, erhält m · s — das ist keine Geschwindigkeit.
Eine harmonische Welle wird durch y(x,t) = ŷ · sin(ωt − kx) beschrieben. Ihre Wellenlänge beträgt λ = 4,0 m.
a) Berechnen Sie die Wellenzahl k (auf zwei Nachkommastellen).
b) Zwei Punkte haben den Abstand Δx = 1,0 m. Berechnen Sie ihre Phasendifferenz Δφ in Grad.
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b) Δφ = 360° · Δx / λ = 360° · 1,0 m / 4,0 m = 90° (das ist π/2, also ein Viertel einer Wellenlänge).
Zur Kontrolle: Δx = λ ergibt 360° (gleichphasig), Δx = λ/2 ergibt 180° (gegenphasig).
Polarisiertes Licht der Intensität I0 fällt auf einen Analysator, der um θ = 60° gegen den Polarisator verdreht ist.
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Parallele Filter (θ = 0°) lassen das meiste Licht durch, gekreuzte Filter (θ = 90°) löschen es vollständig aus. Das funktioniert nur, weil Licht transversal ist — Schall lässt sich nicht polarisieren.
Zwei kohärente Wellen der Wellenlänge λ = 4,0 m treffen sich in einem Punkt. Der Gangunterschied beträgt Δs = 2,0 m.
a) Welche Art der Interferenz liegt vor? (ein Wort)
b) Welcher kleinste Gangunterschied Δs > 0 würde stattdessen Verstärkung ergeben?
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b) Verstärkung bei Δs = n · λ; der kleinste Wert über null ist n = 1: Δs = 1 · 4,0 m = 4,0 m
Eine beidseitig fest eingespannte Gitarrensaite hat die Länge L = 0,60 m.
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b) λ2 = 2 · 0,60 m / 2 = 0,60 m (2. Harmonische)
c) n = 3 bedeutet 3 Bäuche und n + 1 = 4 Knoten — die beiden festen Enden zählen mit.
Drei kurze Einsetzaufgaben aus den Interferenz-Kapiteln. Rechnen Sie jeweils konsequent in Metern und geben Sie erst am Ende in der geforderten Einheit an.
a) Doppelspalt: d = 0,20 mm, λ = 600 nm, Schirmabstand L = 2,0 m. Berechnen Sie den Streifenabstand Δx in mm.
b) Gitter mit 500 Strichen pro Millimeter: Berechnen Sie die Gitterkonstante g in µm.
c) Michelson-Interferometer: Beim Verschieben des Spiegels um Δd = 15 µm laufen N = 50 Ringe durch. Berechnen Sie λ in nm.
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b) g = 1 / (500 mm−1) = 1/500 mm = 2,0 · 10−6 m = 2,0 µm
c) λ = 2 · Δd / N = (2 · 15 · 10−6 m) / 50 = 6,0 · 10−7 m = 600 nm
Ablese-Trainer — λ, T und Amplitude
Beide Diagramme einer harmonischen Welle sehen aus wie ein Sinus — der Unterschied steckt allein in der waagerechten Achse. Trainieren Sie hier das Ablesen: Erst die Achse lesen, dann die Strecke messen. Der Trainer stellt vier Fragen und schaltet dabei zwischen Momentaufnahme (y–x) und Oszillogramm (y–t) um.
Welche Strecke gehört zu welcher Größe?
Klicken Sie die passende Strecke A, B oder C im Diagramm an. Mit der Tastatur: mit Tab oder den Pfeiltasten zwischen den Strecken wechseln, mit Enter oder Leertaste auswählen.
Klicken Sie die Strecke an, die die Wellenlänge λ angibt.
Bereit. Wählen Sie eine Strecke aus.
Wie war es?
Wie sicher fühlen Sie sich nach diesen 10 AFB-I-Aufgaben zum Thema Wellen?
