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Wellen — Zusammenfassung

Alle elf Unterkapitel von 5.1.1 bis 5.2.5 auf einer Seite: Kernideen, Merksätze, die vollständige Formeltabelle und eine Werkbank zum Rechnen.

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Alle elf Unterkapitel auf einen Blick

Das Kapitel „Wellen“ besteht aus elf Unterkapiteln: 5.1.1 bis 5.1.6 beschreiben eine einzelne Welle, 5.2.1 bis 5.2.5 untersuchen, was passiert, wenn sich Wellen überlagern. Jede Karte nennt die Kernidee, die zugehörige Formel und führt mit einem Klick zurück in das Unterkapitel.

5.1.1Was ist eine Welle?

λ Energie wandert, Materie bleibt

Kernidee: Eine Welle entsteht, wenn sich eine Schwingung von Ort zu Ort fortpflanzt. Sie trägt Energie, aber keine Materie — jedes Teilchen schwingt nur um seine Ruhelage. In einer Periode rückt die Welle um genau eine Wellenlänge vor.

c = λ/T = λ · f
f = 1/T
Zu 5.1.1

5.1.2Transversal und Longitudinal

transversal · quer longitudinal · längs Verdichtung / Verdünnung

Kernidee: Bei der Querwelle schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitung (Seilwelle, Wasserwelle, Licht), bei der Längswelle parallel dazu — mit Verdichtungen und Verdünnungen (Schall, Schraubenfeder). Schall braucht ein Medium und breitet sich im Vakuum nicht aus.

Trans = quer · Longi = längs
c = λ · f gilt für beide
Zu 5.1.2

5.1.3Reflexion, Brechung und Beugung

Lot α α′ β n₂ > n₁

Kernidee: Alle Winkel werden zum Lot gemessen. Reflexion: α = α′. Brechung: beim Übergang ins dichtere Medium knickt der Strahl zum Lot hin (β < α). Beugung: die Welle läuft in den Schattenraum, am stärksten bei Spaltbreite ≈ λ.

α = α′
n₁ · sinα = n₂ · sinβ
Zu 5.1.3

5.1.4Harmonische Wellen beschreiben

Momentaufnahme y–x λ x Oszillogramm y–t T t c = λ/T

Kernidee: Die Momentaufnahme (y–x) ist ein Foto der ganzen Welle — dort liest man λ ab. Das Oszillogramm (y–t) zeigt ein einzelnes Teilchen über die Zeit — dort liest man T ab. Beide Kurven sehen wie ein Sinus aus; nur die waagerechte Achse unterscheidet sie.

c = λ/T = λ · f
Zu 5.1.4

5.1.5Wellengleichung und Zeiger

A B Δx Zeiger Δφ 2π = 360°

Kernidee: Jeder Punkt schwingt harmonisch, nur zeitlich versetzt. Die Kreisfrequenz ω misst Phase pro Sekunde, die Wellenzahl k Phase pro Meter. Zwei Punkte im Abstand Δx haben die Phasendifferenz Δφ; bei Δx = λ sind sie gleichphasig, bei Δx = λ/2 gegenphasig.

y(x,t) = ŷ · sin(ωt − kx)
Δφ = (2π/λ) · Δx
Zu 5.1.5

5.1.6Polarisation

θ Polarisator Analysator Schirm

Kernidee: Ein Polarisationsfilter lässt nur eine Schwingungsrichtung durch. Parallele Filter (θ = 0°) sind hell, gekreuzte (θ = 90°) dunkel. Das funktioniert nur, weil Licht transversal ist — Schall lässt sich nicht polarisieren.

I = I₀ · cos²θ
Zu 5.1.6

5.2.1Interferenz

1 2 Σ Δs = n·λ → Verstärkung

Kernidee: Auslenkungen addieren sich punktweise (Superposition); nach der Begegnung laufen beide Wellen ungestört weiter. Der Gangunterschied Δs entscheidet: Berg trifft Berg → Verstärkung, Berg trifft Tal → Auslöschung. Ein stabiles Muster gibt es nur bei Kohärenz.

Δs = n · λ  (konstruktiv)
Δs = (n + ½) · λ  (destruktiv)
Zu 5.2.1

5.2.2Stehende Wellen

Bauch Knoten n = 3

Kernidee: Eine hinlaufende und die reflektierte Welle überlagern sich: Knoten ruhen dauerhaft, Bäuche schwingen maximal. In eine beidseitig fest eingespannte Saite passen nur bestimmte Wellenlängen. Die stehende Welle transportiert keine Energie.

λn = 2L / n
n Bäuche, n+1 Knoten
Zu 5.2.2

5.2.3Der Doppelspalt

d Δx

Kernidee: Hinter zwei kohärent beleuchteten Spalten entstehen helle Streifen dort, wo der Gangunterschied ein ganzes Vielfaches von λ ist. n = 0 ist das Hauptmaximum in der Mitte. Ein kleinerer Spaltabstand d gibt ein breiteres Muster.

d · sinα = n · λ
Δx = λ · L / d  (L ≫ d)
Zu 5.2.3

5.2.4Vom Doppelspalt zum Gitter

g n=1 n=0 n=1

Kernidee: Beim Gitter gilt dieselbe Bedingung wie beim Doppelspalt — nur heißt der Spaltabstand jetzt Gitterkonstante g. Mehr Spalte machen die Maxima schärfer und heller, verschieben sie aber nicht. Gitter zerlegen Licht in seine Farben.

g · sinα = n · λ
g = 1 / (Striche pro Länge)
Zu 5.2.4

5.2.5Das Michelson-Interferometer

Laser Teiler fest beweglich Δd Detektor Ringe

Kernidee: Der Strahlteiler spaltet das Licht in zwei Teilstrahlen, die nach der Rückkehr interferieren. Verschiebt man den beweglichen Spiegel um Δd, wächst der Gangunterschied um 2Δd — pro λ/2 Verschiebung wandert genau ein Ring durch. So misst man Längen kleiner als eine Wellenlänge.

Δs = 2 · Δd
N = 2Δd / λ  ·  λ = 2Δd / N
Zu 5.2.5
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Die Merksätze des ganzen Kapitels

Diese elf Sätze stehen so in den Hinweis-Kacheln der Unterkapitel — je einer pro Unterkapitel. Wer sie sicher aufsagen kann, hat das Gerüst des Kapitels im Kopf.

5.1.1 · ENERGIE WANDERT

„Die Welle transportiert Energie, nicht Materie.“

5.1.2 · MERKREGEL

„Transversal = quer (senkrecht) · Longitudinal = längs (parallel) zur Ausbreitung.“

5.1.3 · ZUM LOT

„Alle Winkel werden zum Lot (Senkrechten) gemessen, nie zur Fläche.“

5.1.4 · ACHSE PRÜFEN

„Immer zuerst schauen: steht x oder t auf der Achse?“

5.1.5 · BOGENMASS

„2π entspricht 360° — Umrechnung beachten.“

5.1.6 · COS IM QUADRAT

„Es ist cos²θ, nicht cos θ!“

5.2.1 · ENERGIE

„Energie geht nicht verloren — sie wird nur umverteilt.“

5.2.2 · n = BÄUCHE

„Die Harmonische n hat n Bäuche und n+1 Knoten.“

5.2.3 · STREIFEN

„Δx = λL/d — kleiner d, breiteres Muster.“

5.2.4 · SCHÄRFE UND ORT

„N bestimmt, wie scharf; g bestimmt, wo.“

5.2.5 · FAKTOR 2

„Δs = 2Δd — hin und zurück.“

Drei weitere Sätze aus den Hinweis-Kacheln lohnen sich zusätzlich, weil sie die häufigsten Verwechslungen abräumen: „Schall ist longitudinal — häufige Verwechslung.“ · „Longitudinale Schallwellen brauchen ein Medium; Licht nicht.“ · „In λn = 2L/n steht die doppelte Länge.“

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Alle Formeln des Kapitels — eine Tabelle

Jede Formel, die im Kapitel vorkommt, mit ihren Größen, den Einheiten und der Bedingung, unter der sie gilt. Die Tabelle lässt sich seitlich scrollen.

Formel- und Zahlenübersicht Wellen (5.1.1 – 5.2.5). Alle Längen vor dem Einsetzen in Meter umrechnen.
KapitelFormelGrößenEinheitenGültigkeitsbedingung
5.1.1c = λ/T = λ · fc Wellengeschwindigkeit, λ Wellenlänge, T Periodendauer, f Frequenzm/s, m, s, HzFür jede Welle — quer wie längs. In einer Periode rückt die Welle um eine Wellenlänge vor.
5.1.1f = 1/T  bzw.  T = 1/ff Frequenz, T PeriodendauerHz = 1/s, sImmer. Hz gehört zur Zeit, nicht zur Länge.
5.1.1λ = c/f  ·  f = c/λ  ·  T = λ/cumgestellte Formen von c = λfm, Hz, sBei festem c (gleiches Medium) sind λ und f umgekehrt proportional.
5.1.1s = c · ts Weg der Wellenform, t Zeitm, sWeg der Wellenform — nicht der Teilchen.
5.1.1n = f · tn Zahl der Wellenberge1, Hz, sZahl der Berge, die an einem festen Ort vorbeilaufen.
5.1.3α = α′α Einfallswinkel, α′ Reflexionswinkel°Reflexionsgesetz — beide Winkel zum Lot gemessen.
5.1.3n₁ · sinα = n₂ · sinβn Brechzahl, α Einfalls-, β Brechungswinkel1, °, °Brechungsgesetz beim Medienwechsel; Taschenrechner im DEG-Modus, Winkel über β = arcsin(sinβ).
5.1.3n₂ = sinα / sinβn₂ Brechzahl des zweiten Mediums1Aus einer Messung, wenn n₁ = 1,0 (Luft).
5.1.3Beugung stark bei b ≈ λb Spaltbreite, λ Wellenlängem, mQualitativ: je kleiner die Öffnung im Vergleich zu λ, desto stärker die Beugung.
5.1.5y(x,t) = ŷ · sin(ωt − kx)ŷ Amplitude, ω Kreisfrequenz, k Wellenzahlm, 1/s, 1/mHarmonische Welle; das Minuszeichen bedeutet: die Welle läuft nach rechts.
5.1.5ω = 2π/T  ·  k = 2π/λω Phase pro Sekunde, k Phase pro Meter1/s, 1/mω ist der Zeit-Teil, k der Ort-Teil derselben Phase.
5.1.5Δφ = (2π/λ) · ΔxΔφ Phasendifferenz, Δx Abstand zweier Punkterad bzw. °, mΔx = λ ⇒ gleichphasig (2π); Δx = λ/2 ⇒ gegenphasig (π). Volle Umläufe vorher abziehen.
5.1.5Δφ[°] = 360° · Δx/λgleiche Größen im Gradmaß°, m2π entspricht 360°.
5.1.6I = I₀ · cos²θI durchgelassene Intensität, I₀ Intensität hinter dem ersten Filter, θ Winkel zwischen den FilternW/m², W/m², °Gesetz von Malus — nur für transversale Wellen. cos²θ wiederholt sich alle 180°.
5.2.1Δs = n · λ  (n = 0, 1, 2, …)Δs GangunterschiedmKonstruktive Interferenz (Verstärkung); kohärente Wellen vorausgesetzt. Δs = 0 ist der Fall n = 0.
5.2.1Δs = (n + ½) · λΔs GangunterschiedmDestruktive Interferenz (Auslöschung); vollständig nur bei gleicher Amplitude.
5.2.1Δφ = 360° · Δs/λΔφ Phasendifferenz aus dem Gangunterschied°, mNur der Rest nach Abzug voller Umläufe zählt.
5.2.1Δs = |r₁ − r₂|r₁, r₂ die beiden zurückgelegten WegemGangunterschied als Differenz der Wege beider Wellen.
5.2.1Ages = |2 · cos(Δφ/2)|Ages Summenamplitude1 (Vielfaches der Einzelamplitude)Zwei gleich große Wellen (Applet „Zwei Wellen überlagern“).
5.2.2λn = 2L / n  (n = 1, 2, 3, …)λn mögliche Wellenlänge, L Saitenlänge, n Ordnungm, m, 1Nur für die beidseitig fest eingespannte Saite — beide Enden sind Knoten. n = Zahl der Bäuche, n+1 Knoten; zwischen zwei Knoten liegt λ/2.
5.2.2f = c/λ  bzw.  c = λ · fc Wellengeschwindigkeit auf der SaiteHz, m/s, mc ist die Geschwindigkeit auf der Saite — nicht die Schallgeschwindigkeit in Luft.
5.2.3Δs = d · sinαd Spaltabstand, α Winkelm, °Gangunterschied am Doppelspalt; er wächst nach außen an.
5.2.3d · sinα = n · λ  (n = 0, 1, 2, …)n Ordnung des Maximumsm, °, 1, mMaxima am Doppelspalt; n = 0 ist das Hauptmaximum in der Mitte.
5.2.3Δx = λ · L / dΔx Streifenabstand, L Schirmabstandm, m, m, mNäherung sinα ≈ tanα = x/L, gültig für L ≫ d. Alle vier Größen in Meter einsetzen.
5.2.3λ = Δx · d / Lumgestellt zur WellenlängenmessungmZwischen dem 1. und dem 11. Streifen liegen 10 Abstände, nicht 11.
5.2.4g · sinα = n · λg Gitterkonstante, n Ordnungm, °, 1, mHauptmaxima am Gitter — dieselbe Bedingung wie beim Doppelspalt. Umgestellt: α = arcsin(nλ/g).
5.2.4g = 1 / (Striche pro Länge)g GitterkonstantemMehr Striche pro mm heißt kleineres g. Beispiel: 500 Striche/mm ⇒ g = 2,0 µm.
5.2.4n ≤ g / λn maximal mögliche Ordnung1Weil stets sinα ≤ 1 gilt: ein feineres Gitter zeigt weniger Ordnungen.
5.2.4N = Strichzahl · beleuchtete BreiteN Zahl der mitwirkenden Spalte1N bestimmt die Schärfe der Maxima, nicht ihren Ort.
5.2.5Δs = 2 · ΔdΔd Spiegelverschiebung, Δs Gangunterschiedm, mFaktor 2: Hin- und Rückweg zum Spiegel.
5.2.5N = 2Δd / λ  ·  λ = 2Δd / N  ·  Δd = Nλ/2N Anzahl durchgelaufener Ringe (Hell-Dunkel-Wechsel)1, m, mPro λ/2 Verschiebung wandert ein Ring durch. µm und nm vorher in Meter umrechnen; Detektorabstand und Wahl des Spiegels ändern N nicht.
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Wellen-Werkstatt — Szenario bauen, Formel bekommen

Wählen Sie einen Baustein des Kapitels und stellen Sie seine Größen ein. Die Werkstatt zeichnet das passende Schema, sucht die richtige Formel heraus und schreibt die Rechnung Schritt für Schritt auf. So sehen Sie, welche Formel zu welcher Situation gehört — genau die Entscheidung, die in der Klausur zuerst fällig ist.

Werkbank

Baustein auswählen, Regler bewegen, Rechnung ablesen.

Bitte einen Baustein wählen.

Bedienung: Bausteine mit der Maus anklicken oder mit Tab anspringen und mit Enter / Leertaste auswählen; mit ← und → springt der Fokus zum nächsten Baustein. Die Regler lassen sich ebenfalls mit den Pfeiltasten verstellen. Die Werkstatt arbeitet ohne Animation.

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Selbstcheck — zehn kurze Fragen

Zehn Fragen quer durch das Kapitel: ankreuzen oder eintippen. Jede gelöste Frage zählt die Fortschrittsanzeige oben mit. Zahlen bitte mit Dezimalkomma und ohne Einheit im Eingabefeld.

1
Was eine Welle transportiert

Was transportiert eine mechanische Welle von einem Ort zum anderen?

2
Geschwindigkeit einer Wasserwelle

Eine Wasserwelle hat die Wellenlänge λ = 2,0 m und die Frequenz f = 3,0 Hz. Berechnen Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit c.

m/s
3
Wellenart des Schalls

Welche Aussage über Schall ist richtig?

4
Wellenlänge eines Tons

Ein Ton mit f = 400 Hz läuft durch Luft (c = 340 m/s). Berechnen Sie die Wellenlänge in Zentimetern.

cm
5
Welches Diagramm zeigt T?

In welchem Diagramm liest man die Periodendauer T ab?

6
Phasendifferenz

Eine Welle hat λ = 4,0 m. Zwei Punkte liegen Δx = 1,0 m auseinander. Wie groß ist die Phasendifferenz Δφ in Grad?

°
7
Hinter dem Analysator

Polarisiertes Licht der Intensität I₀ trifft auf einen um θ = 60° gedrehten Analysator. Wie viel Prozent von I₀ kommen durch?

% von I₀
8
Konstruktiv oder destruktiv?

Zwei kohärente Wellen mit λ = 4,0 m treffen mit dem Gangunterschied Δs = 2,0 m aufeinander. Was passiert?

9
Grundschwingung einer Saite

Eine beidseitig fest eingespannte Gitarrensaite ist L = 0,60 m lang. Wie groß ist die Wellenlänge der Grundschwingung (n = 1)?

m
10
Wellenlänge aus Ringen

Am Michelson-Interferometer wird der bewegliche Spiegel um Δd = 15 µm verschoben; dabei laufen N = 50 Ringe durch. Wie groß ist λ in Nanometern?

nm
Nächster SchrittTypische FehlerDie Denkfehler, die in diesem Kapitel am häufigsten Punkte kosten — mit der jeweiligen Gegenprobe. DanachSelbsttestPrüfen Sie unter Zeitdruck, ob die Formeln aus der Tabelle wirklich sitzen.