Basisgrößen und Basiseinheiten - teaching

Physik des Fachgebiets
3.1 Wellenarten
Wellen entstehen, wenn viele harmonische Oszillatoren miteinander
verbunden sind. Durch diese Kopplung wird immer
auch Energie von einem Oszillator zum nächsten weitergegeben.
Auf Grund der Trägheit kommt es aber zu Verzögerungen
von einem zum nächsten Oszillator.
Wenn sich Wellen ausbreiten, bleiben die schwingenden Teilchen
an ihrem Platz. Mit einer Welle wird Energie übertragen. Es
findet jedoch kein Stofftransport statt.
Bei der Energieübertragung wird in der Realität immer ein Teil
der Energie in andere Energieformen, z.B. Wärme umgewandelt.
Dieser ist dann für die Ausbreitung der Welle verloren. Die Auslenkung
der Oszillatoren nimmt deshalb immer mehr ab. Die
Welle schwächt sich ab. Je nach der Schwingungsrichtung der
Oszillatoren unterscheidet man verschiedenen Wellenarten:
Transversalwellen (Querwellen)
Bei Transversalwellen schwingen die Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung
der Welle. Sie entstehen bei stärkerer Kopplung
zwischen den Teilchen, z.B. Festkörper, Flüssigkeiten.
Beispiele: Schwingendes Seil, Funkwellen, Lichtwellen
Longitudinalwellen (Längswellen)
Bei Longitudinalwellen schwingen die Teilchen in Richtung der
Ausbreitungsrichtung der Welle. Die Kopplung zwischen den
Teilchen ist schwächerer, z.B. Flüssigkeiten, Gase
Beispiel: Schallwellen
Oberflächenwellen
Bei Oberflächenwellen beschreiben die Teilchen eine annähernd
kreisförmige Bahn. An der Oberfläche von Flüssigkeiten.
Beispiel: Wasserwellen
Wellenkenngrößen
Die Wellenlänge (Lambda) ist der Abstand zwischen zwei
benachbarten Wellenbergen oder Verdichtungen.
Die Frequenz f ist die Schwingfrequenz eines Oszillators.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v ist die Geschwindigkeit,
mit der sich z.B. ein Wellenberg fortbewegt.
Erdbebenwellen (Seismische Wellen)
Seismische Wellen sind Energiewellen, die durch einen plötzlichen
Bruch von Gesteinen (z.B. Plattenverschiebung, Plattentektonik)
in der Erde oder Explosionen (z.B. Vulkanausbruch) freigesetzt
werden. Es gibt zwei Arten:
Raumwellen laufen durch das Innere der Erde.
• P-Wellen (Primärwellen) sind Longitudinalwellen. Sie sind
die schnellsten seismischen Wellen und können sich in festen
Gesteinen, aber auch in Flüssigkeiten wie Wasser oder
den flüssigen Teilen des Erdinneren ausbreiten.
• S-Wellen (Sekundärwellen) sind Transversalwellen. Sie
laufen langsamer als P-Wellen und treffen nach den P-
Wellen ein. Sie können sich nur in festen Materialien ausbreiten.
Oberflächenwellen sind an die Erdoberfläche gebunden.
• Love-Wellen sind die schnellsten Oberflächenwellen, breiten
sich aber langsamer als S-Wellen aus. Die Bodenbewegung
erfolgt in horizontaler Richtung hin und her.
• Bei Rayleigh-Wellen rollt der Boden in einer elliptischen
Bewegung ähnlich wie Meereswellen. Der Boden bewegt
sich dabei sowohl hinauf und hinunter als auch hin und her
in Ausbreitungsrichtung der Welle. Die Amplituden sind
viel größer als die der übrigen Wellenarten.
v
Gekoppelte Oszillatoren
f
Transversalwelle
Longitudinalwelle
v
f
f
Zusammenhänge zwischen den Wellenkenngrößen
v
Ausbreitungsrichtung der Erdbebenwellen
P- Erdbebenwelle
S- Erdbebenwelle
Love- Erdbebenwelle
Rayleigh-Erdbebenwelle
2012, HTLW16 – STJO 1/2

Physik des Fachgebiets
3.1 Wellenarten
Kontrollfragen
1. Wie werden Transversalwellen noch genannt? __________________________________
2. Welche Voraussetzungen sind nötig, damit Wellen entstehen können?
Oszillatoren schwingen immer quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle.
Oszillatoren können frei schwingen.
Oszillatoren sind aneinander gekoppelt.
Oszillatoren können sich frei bewegen.
Oszillatoren bewegen sich gegen die Ausbreitungsrichtung der Welle.
Oszillatoren verlassen ihre Orte nicht.
3. Welche Formel stellt den Zusammenhang von Frequenz und Periodendauer richtig dar?
v f v f
f
v
v
f
v
f
f
v
4. Welches sind die schnellsten Erdbebenwellen? Sekundärwellen Love-Wellen Max-Wellen Primärwellen
Transportwellen Rayleigh-Wellen Kurzwellen Langwellen Kreiswellen Trägheitswellen
5. Mit welcher Frequenz schwingen die Oszillatoren, wenn sich die Welle mit einer Geschwindigkeit v = 200000m/s weiterbewegt
und die Wellenlänge = 4µm beträgt?
6. Wie werden Längswellen noch genannt? __________________________________
7. Welche Erdbebenwellen haben die größte Amplitude? S-Wellen Love-Wellen Max-Wellen P-Wellen
Transportwellen Rayleigh-Wellen Kurzwellen Langwellen Kreiswellen Trägheitswellen
8. Was ist verantwortlich für die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle? Energie Kopplung Dämpfung
Trägheit Amplitude Schwingungsrichtung Ausbreitungsrichtung Wärme Kraft
9. Berechne die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle mit der Frequenz f = 30Hz und der Wellenlänge = 10cm!
10. Welche Aussagen über Wellen sind richtig?
Es findet kein Stofftransport statt. Die Teilchen bewegen sich weiter. Die Amplitude wird immer größer.
Die Auslenkung der Oszillatoren wird kleiner. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist konstant.
Die Trägheit führt zu Verzögerungen. Es wird Energie übertragen. Die Oszillatoren schwingen frei.
11. Wie werden Querwellen noch genannt? __________________________________
12. Welche seismischen Wellen breiten sich nur an der Erdoberfläche aus? S-Wellen Love-Wellen Max-Wellen
P-Wellen T-Wellen Rayleigh-Wellen Kurzwellen Langwellen Kreiswellen Trägheitswellen
13. Ordne die Wellenarten den Medien zu!
Longitudinalwelle ◦
Oberflächenwelle ◦
Transversalwelle ◦
◦ Festkörper
◦ Flüssigkeit
◦ Gas
14. Zeichne die Bewegung eines Teilchens für die einzelnen Wellenarten ein!
Longitudinalwelle Transversalwelle Oberflächenwelle
15. Wie werden Longitudinalwellen noch genannt? __________________________________
16. Wie groß ist die Wellenlänge, wenn sich eine Welle mit der Frequenz 45kHz mit der Geschwindigkeit 1,5km/h ausbreitet?
17. Ordne die Seismischen Wellen den Bewegungsrichtungen des Bodens zu!
Primärwellen ◦
Rayleigh-Wellen ◦
Love-Wellen ◦
Sekundärwellen ◦
◦ hin und her
◦ vor und zurück
◦ auf und ab
18. Wie werden Erdbebenwellen noch genannt? ________________________________________
19. Welche seismischen Wellen breiten sich durch das Erdinnere aus? S-Wellen Love-Wellen Max-Wellen
P-Wellen T-Wellen Rayleigh-Wellen Kurzwellen Langwellen Kreiswellen Trägheitswellen
20. Ordne die Bewegungsarten den Wellenarten zu!
kreisförmig ◦
quer zur Ausbreitungsrichtung ◦
in Ausbreitungsrichtung ◦
Ausbreitungsrichtung der Welle
◦ Longitudinalwelle
◦ Transversalwelle
◦ Oberflächenwelle
2012, HTLW16 – STJO 2/2