Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Lernwerkstatt: Mechanische Schwingungen und Wellen

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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Lernwerkstatt: Mechanische Schwingungen und Wellen Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 Schuljahr Barbara Theuer Lernwerkstatt Mechanische Schwingungen & Wellen Wissenswertes von Amplitude bis Wellenlänge

3 Lernwerkstatt MECHANISCHE SCHWINGUNGEN & WELLEN Wissenswertes von Amplitude bis Wellenlänge 2. Digitalauflage 2013 Kohl-Verlag, Kerpen 2013 Alle Rechte vorbehalten. Inhalt: Barbara Theuer Coverbilder: Tommroch, Phoenixpix, psdesign1 & agsandrew - fotolia.com Redaktion, Grafik & Satz: Eva-Maria Noack Bestell-Nr. P ISBN: Bildnachweis: Seite 7: wikimedia.org; Seite 11: Joh3-16 / wikimedia.org; Seite 13: Stündle / wikimedia.org; Seite 20: fotolia.com; Seite 22: Stephan Kühn / wikimedia.org; Seite 27: foltolia.com; Seite 29: Wruedt / wikimedia.org; Seite 30: Barbey Elliot / wikimedia.org; Seite 31: AngMoKio / wikimedia.org, guillaumepaumier.com CC-BY / wikimedia.org; Seite 32: Taxiarchos228 / wikimedia.org; GFDL / wikimedia.org; Seite 33: Lokilech / wikimedia.org; Seite 42: Sgbeer / wikimedia.org; Claudia Hautumm / pixelio.de; Seite 44: nach Dr.T / wikimedia.org; Seite 45: wikimedia.org Kohl-Verlag, Kerpen Alle Rechte vorbehalten. Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt und unterliegen dem deutschen Urheberrecht. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages ( 52 a Urhg). Weder das Werk als Ganzes noch seine Teile dürfen ohne Einwilligung des Verlages eingescannt, an Dritte weitergeleitet, in ein Netzwerk wie Internet oder Intranet eingestellt oder öffentlich zugänglich gemacht werden. Dies gilt auch bei einer entsprechenden Nutzung in Schulen, Hochschulen, Universitäten, Seminaren und sonstigen Einrichtungen für Lehr- und Unterrichtszwecke. Der Erwerber dieses Werkes in PDF-Format ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den Gebrauch und den Einsatz zur Verwendung im eigenen Unterricht wie folgt zu nutzen: - Die einzelnen Seiten des Werkes dürfen als Arbeitsblätter oder Folien lediglich in Klassenstärke vervielfältigt werden zur Verwendung im Einsatz des selbst gehaltenen Unterrichts. - Einzelne Arbeitsblätter dürfen Schülern für Referate zur Verfügung gestellt und im eigenen Unterricht zu Vortragszwecken verwendet werden. - Während des eigenen Unterrichts gemeinsam mit den Schülern mit verschiedenen Medien, z.b. am Computer, via Beamer oder Tablet das Werk in nicht veränderter PDF-Form zu zeigen bzw. zu erarbeiten. Jeder weitere kommerzielle Gebrauch oder die Weitergabe an Dritte, auch an andere Lehrpersonen oder pädagogischen Fachkräfte mit eigenem Unterrichts- bzw. Lehrauftrag ist nicht gestattet. Jede Verwertung außerhalb des eigenen Unterrichts und der Grenzen des Urheberrechts bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Der Kohl-Verlag übernimmt keine Verantwortung für die Inhalte externer Links oder fremder Homepages. Jegliche Haftung für direkte oder indirekte Schäden aus Informationen dieser Quellen wird nicht übernommen. Kohl-Verlag, Kerpen 2016

4 Inhalt Seite Vorwort...4 Kapitel 1: Was ist eine mechanische Schwingung?...5 Kapitel 2: Kenngrößen einer Schwingung...6 Kapitel 3: Die harmonische Schwingung Kapitel 4: Graph einer harmonischen Schwingung...9 Kapitel 5: Schwingungsgleichung einer harmonischen Schwingung (für Fortgeschrittene) Kapitel 6: Galileis Betrachtungen über das Pendel Kapitel 7: Die Pendelschwingung Grundlagen...12 Kapitel 8: Schwingungsdauer eines Fadenpendels Abhängigkeit von den Kenngrößen des Pendels Berechnungen Kapitel 9: Experimentieren mit dem Fadenpendel Kapitel 10: Das Foucaultsche Pendel...17 Kapitel 11: Das Pendel der Esoteriker Ausflug ins Übersinnliche...18 Kapitel 12: Der Federschwinger...19 Kapitel 13: Aufgaben zu harmonischen Schwingungen Kapitel 14: Gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen Kapitel 15: (Un-)erwünschte Dämpfung von Schwingungen Kapitel 16: Aufbau und Funktion eines Stoßdämpfers...26 Kapitel 17: Hörbare Schwingungen...27 Kapitel 18: Erzwungene Schwingungen Resonanz...28 Kapitel 19: Resonanzkatastrophe im Diagramm...29 Kapitel 20: Resonanzkatastrophe bei der Tacoma-Narrows-Brücke...30 Kapitel 21: Wenn Wolkenkratzer schunkeln Tilgerpendel...31 Kapitel 22: Der Berliner Fernsehturm...32 Kapitel 23: Ausflug in die klassische Mechanik Das Newtonpendel Kapitel 24: Physikalischer Wellenbegriff mechanische Wellen...35 Kapitel 25: Kenngrößen einer Welle...36 Kapitel 26: Welleneigenschaften...37 Kapitel 27: Monsterwellen...38 Kapitel 28: Schallwellen Kapitel 29: Wettlauf mit dem Schall...41 Kapitel 30: Mit Schallwellen auf Entdeckungstour...42 Kapitel 31: Wenn die Erde bebt...43 Kapitel 32: Erdbebenwellen und ihre Messung...44 Kapitel 33: Wie entsteht ein Tsunami?...45 Kapitel 34: Kreuzworträtsel Schwingungen und Wellen Kapitel 35: Lösungen Lernwerkstatt MECHANISCHE SCHWINGUNGEN & WELLEN Wissenswertes von Amplitude bis Wellenlänge Bestell-Nr. P Seite 3

5 Vorwort Liebe Kolleginnen und Kollegen, unser Leben wird, auch wenn uns das nicht ständig bewusst wird, von Schwingungen begleitet und nicht zuletzt von den rhythmischen Kontraktionen unseres Herzens ermöglicht. In der Zusammenarbeit von Medizinern, Physikern und Technikern wurden Geräte entwickelt, um beispielsweise mit einem Elektrokardiogramm diese Schwingungen aufzuzeichnen, messbar und berechenbar zu machen. Sprache und Gehör basieren auf Schallschwingungen und die wohltuenden Empfindungen harmonischer Klänge der Musikinstrumente bereichern unser Leben. Unerwünschte Schwingungen jedoch zerstören Material, verursachen den Einsturz von Brücken und Gebäuden. Schwingungen zu nutzen, aber auch die Dämpfung ungewollter Schwingungen setzen voraus, Kenngrößen von Schwingungen zu ermitteln und in Abhängigkeit von weiteren physikalischen Parametern zu berechnen. Vorliegende Kopiervorlagen bieten Aufgaben zum Arbeiten mit derartigen Größen wie Frequenz, Periodendauer, Elongation und Amplitude, zum Umgang mit Schwingungsdiagrammen und zum experimentellen Erforschen von Zusammenhängen. So wie beispielsweise das Arbeitsblatt zur im Diagramm erfassten Resonanzbedingung mit einer Seite über die reale Resonanzkatastrophe bei der Tacoma-Brücke ergänzt wird, werden auch zu anderen Schwingungsphänomenen sowie zur Dämpfungsproblematik Informationstexte einschließlich interessanter Fragestellungen angeboten. Wenn Wolkenkratzer angeregt durch Windböen schunkeln, müssen ihre Schwingungen gedämpft werden, wie das Tilgerpendel von Taipei eindrucksvoll zeigt. Auf dem Ausflug in die klassische Mechanik begegnen die Schüler* dem Newtonpendel, das sich seit längerer Zeit als Schreibtischspielzeug großer Beliebtheit erfreut. Und wenn es am Pendel klick macht, ist zu wünschen, dass das Prinzip der Übertragung und Erhaltung von Energie und Impuls verstanden worden ist. Während Schwingungen als zeitlich periodische Vorgänge definiert sind, sorgen Wellen für die räumliche Ausbreitung von Schwingungszuständen. Eigenschaften und Kenngrößen von Wellen durch Arbeit mit Wellendiagrammen und Berechnungen festigen, ist Ziel entsprechender Kopiervorlagen. Aber grau bleibt alle Theorie, wenn nicht ihre Bedeutung für die Praxis aufgezeigt wird. So gehen wir in vorliegendem Material zum Beispiel mit Ultraschallwellen auf Entdeckungstour, durchbrechen mit dem Extremsportler Baumgartner die Schallmauer und verfolgen den Wettlauf von Blitz und Donner bei einem Gewitter. Der Gewalt von Monsterwellen, Erd- und Seebeben sowie Tsunamis sollen sich die Schüler bewusst werden aber auch über die Möglichkeiten informiert werden, aufgrund von Kenntnissen über die Physik der Naturerscheinungen vor nahenden Katastrophen zu warnen. Das alles setzt voraus, physikalisches Wissen und Arbeitstechniken dieses Faches zu beherrschen. Wir wünschen Ihnen beim Einsatz der vorliegenden Kopiervorlagen eine interessante Bereicherung Ihres Unterrichts, das Kohl-Verlagsteam und Barbara Theuer Ich danke meinem Sohn André und meinem Lebensgefährten Lutz Rüdinger für ihre Unterstützung. Lernwerkstatt MECHANISCHE SCHWINGUNGEN & WELLEN Wissenswertes von Amplitude bis Wellenlänge Bestell-Nr. P *Mit den Schülern bzw. Lehrern sind im ganzen Heft selbstverständlich auch die Schülerinnen und Lehrerinnen gemeint! Seite 4

6 1. Was ist eine mechanische Schwingung? Aufgabe 1: Welche Merkmale gehören zur Charakteristik mechanischer Schwingungen? Kreuze an.! A r periodische Bewegung von Körpern um eine Ruhelage B r Änderung der Periode von Körperbewegungen C r zeitlich periodische Änderung einer mechanischen Größe Aufgabe 2: Gib mindestens drei praktische Beispiele für mechanische Schwingungen an.! Aufgabe 3: Betrachte die Schaukelbewegung als Schwingung. A E B D C a) Welche mechanischen Größen ändern sich zeitlich periodisch? b) Gib die Umkehrpunkte an: c) In welchem Punkt bewegt sich der Körper durch die Ruhelage? d) In welchen Punkten ist die potentielle Energie am größten? e) In welchem Punkt ist während der Bewegung die kinetische Energie am größten? f) Welche Energieumwandlung vollzieht sich auf dem Weg von A nach B? Lernwerkstatt MECHANISCHE SCHWINGUNGEN & WELLEN Wissenswertes von Amplitude bis Wellenlänge Bestell-Nr. P Seite 5

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