Heute: Wellen, Überlagerung von Wellen, Dispersion, Fourier-Synthese, Huygenssche Prinzip, Kohärenz, Interferenz
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- Matthias Hauer
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1 Roter Faden: Vorlesung : Heute: Wellen, Überlagerung von Wellen, Dispersion, Fourier-Synthese, Huygenssche Prinzip, Kohärenz, Interferenz Versuche: Huygens sche Prinzip, Schwebungen zweier Schwinggabel, Fourier-Synthese, Fourier-Analyse Applets: resonanz, gekopendel, doppler, stwelleref Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1
2 Longitudinale / Transversale Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2
3 Harmonische Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3
4 Harmonische Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 4
5 Harmonische Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 5
6 Energieübertrag Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 6
7 Leistung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 7
8 Ausbreitungsgeschwindigkeit Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 8
9 Ausbreitungsgeschwindigkeit Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 9
10 Ausbreitungsgeschwindigkeit Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 10
11 Ausbreitungsgeschwindigkeit Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 11
12 Tsunami-Welle Tsunami Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 12
13 Tsunami-Welle Ausbreitungsgeschwindigkeit: v = g h g=9,81m/s 2,Gravitationskonstante h=tiefe des Meeresbodens in Meter Berechnungsbeispiel: h=4000 m v = 9, = 198 km v = 713 h m s Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 13
14 Interferenz Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 14
15 Interferenz Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 15
16 Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 16
17 Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 17
18 Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz Bei stehenden Wellen Maxima (Bäuche) und Minima (Knoten) ortsfest. Stehende Wellen z.b. durch Überlagerung der Welle mit reflektierter Welle. Phasensprung π bei Reflektion an einem festen Ende, null bei freiem Ende. Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 18
19 Gruppen- und Phasengeschwindigkeit Versuch: Stimmgabel Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 19
20 Dispersion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 20
21 Versuch Interferenz Voraussetzungen für Interferenz: Kohärenz, d.h. Phasendifferenz zwischen den Teilwellen zeitlich konstant. (bei Licht nur mit Laser Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 21
22 Huygenssche Prinzip Wellenausbreitung im Raum lässt sich dadurch beschreiben, dass man jeden Punkt P auf einer Phasenfläche der Welle als Ausgangspunkt einer neuen Kugelwelle ansieht. Beispiel: N kohärente (= phasenstarr gekoppelte) Quellpunkte im Abstand δ voneinander in der Ebene z=z 0. Überlagerung der N Amplituden in Ri. α: A(α)=Σ a e i(k.r-ωt) Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 22
23 Versuch: Huygenssche Prinzip Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 23
24 Interferenz in 2 und 3 Dimensionen Applet Huygens Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 24
25 Oberflächenwellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 25
26 Fourier-Analyse Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 26
27 Beispiel: Fourier-Analyse einer Rechteckfuntkion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 27
28 Beispiel: Fourier-Analyse einer Rechteckfuntkion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 28
29 Versuch: Fourier-Analyse Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 29
30 Stehende Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 30
31 Stehende Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 31
32 Stehende Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 32
33 Stehende Wellen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 33
34 Wellenfunktion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 34
35 Wellenfunktion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 35
36 Überlagerung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 36
37 Gezupfte Saite Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 37
38 Gezupfte Saite(Überlagerung) Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 38
39 Stehende Wellen einer Glocke Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 39
40 Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 40
41 Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 41
42 Partielle Ableitungen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 42
43 Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 43
44 Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 44
45 Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 45
46 Lösungen der Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 46
47 Lösungen der Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 47
48 Lösungen der Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 48
49 Lösungen der Wellengleichung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 49
50 Fragen zu stehenden Wellen 1. In einem beidseitig geschlossenen Rohr (l=1,0m) wird durch einen Lautsprecher eine Eigenschwingung angeregt. Mit welcher Frequenz muß die Luftsäule in dem Rohr angeregt werden, damit die dritte Oberschwingung erzeugt wird? (c L =340m/s) 2. Die g-saite einer Violine ist 30cm lang und schwingt (ohne Griff) mit 196Hz. Die nächsthöheren Schwingungsmoden sind die Noten a(220hz), h(247hz), c(262hz) und d(294hz). Wie weit vom Saitenende müssen die Finger gesetzt werden? Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 50
51 Ausbreitung von Wellenbergen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 51
52 Ausbreitung von Wellenbergen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 52
53 Zum Mitnehmen Bewegte harmonische Wellen beschrieben durch Wellenpakete (Wellengruppen) entstehen bei Überlagerung von Wellen benachbarter Frequenzen. Die Gruppengeschwindigkeit v G =dω/dk ist geringer als die Phasengeschwindigkeit, wenn Dispersion vorliegt. (Dispersion: ω ist Funktion von k oder v ist Fkt. von λ). Interferenz entsteht bei Überlagerung kohärenter Wellen, d.h. phasenstarr gekoppelte Wellen Beliebige Wellen lassen sich in harmonischen Wellen zerlegen (Fourier-Analyse). Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 53
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