Mechanik

Mechanische Wellen

Seilwelle (Simulation von PhET)

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Seilwelle (Simulation von PhET)

 

Zur Untersuchung von Wellenphänomenen benutzt man im Unterricht häufig eine Wellenmaschine, wie sie z.B. in dem nebenstehenden Bild dargestellt ist. Mit diesem sehr teuren Gerät, bei dem viele Pendel durch Federn gekoppelt sind, kann man sehr gut die Ausbreitung von Wellen studieren.

Die sehr schöne Simulation von PhET gestattet es dir, das in der Schule Gesehene in aller Ruhe noch einmal nach zu vollziehen.

1 Beobachte, wie ein Seil in Zeitlupe schwingt. Erzeuge Wellen, indem du das Seilende manuell bewegst oder mittels eines Oszillators. Veränder die Dämpfung und die Spannung des Seils. Das Seilende kann fest, lose oder offen sein.
Aufgabe

1) Stelle zunächst in der Simulation die Dämpfung auf 0 und die Spannung auf Mittel. Erzeuge nun durch manuelle Anregung eine stehende Welle. Beschreibe, welche Einstellungen du dazu wählen musst und was du tun musst.

Lösung

Um eine stehende Welle zu erzeugen, muss sich am rechten Rand ein festes Ende befinden. Daher musst du dort "festes Ende" einstellen. Anschließend musst du am linken Rand für eine periodische Anregung durch gleichmäßiges auf und ab bewegen des Wellenendes sorgen.

manuell / kein Ende: Lenke mit der Maus (linke Maustaste) das Seil einmalig aus und erzeuge einen Wellenberg. Studiere die Ausbreitung der Störung.

oszillieren / kein Ende: Schalte die harmonische Anregung ein und studiere die Ausbreitung der sinusförmigen Querwelle.

Stoppe mit der Uhr die Schwingungsdauer \(T\) einer Kugel, miss die Wellenlänge \(\lambda \) der Welle, nachdem du auf "Pause" gedrückt hast.

Führe diese Messungen bei verschiedenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (Spannung) durch. Bestätige nun die Beziehung \(c = \frac{\lambda }{T}\).

Untersuche, wie die Wellengeschwindigkeit von der Härte des Wellenträgers abhängt, indem du einen einzelnen Impuls über den Träger laufen lässt (relativ niedrige Dämpfung einstellen). Formuliere deine Beobachtungen in Form eines "Je ..., desto ..." - Satzes.

Schalte verschiedene Dämpfungen ein und rege den Träger harmonisch an. Variiere auch hier die Härte des Wellenträgers. Wähle "kein Ende" als Trägerende.

Schalte die Dämpfung ab und rege harmonisch an. Präge dir die Bilder der stehenden Welle ein, die sich nach einiger Zeit ausbildet, wenn das Trägerende lose bzw. fest ist.

Lösung

Eigene Lösung.

Eine weitere interaktive Wellenmaschine mit zusätzlichen Einstellmöglichkeiten findest du hier.

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