EPI WS 2008/09 Dünnweber/Faessler

Ähnliche Dokumente
12. Vorlesung. I Mechanik

EPI WS 2007/08 Dünnweber/Faessler

Bei gekoppelten Pendeln breitet sich die Schwingung von einem zum nächsten aus

9 Periodische Bewegungen

Vorlesung Physik für Pharmazeuten und Biologen

Einführung in die Physik

9. Akustik. I Mechanik. 12. Vorlesung EP. 7. Schwingungen 8. Wellen 9.Akustik

III. Gekoppelte Schwingungen und Wellen 1. Komplexe Schwingungen 1.1. Review: harmonischer Oszillator

PN 1 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen Karin Beer, Paul Koza, Nadja Regner, Thorben Cordes, Peter Gilch

PN 1 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen

Heute: Wellen, Überlagerung von Wellen, Dispersion, Fourier-Synthese, Huygenssche Prinzip, Kohärenz, Interferenz

5. Wellen. Als Welle bezeichnet man die Ausbreitung einer Störung in einem kontinuierlichen Medium oder einer räumlich periodischen Struktur.

[c] = 1 m s. Erfolgt die Bewegung der Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle, dann liegt liegt Transversalwelle vor0.

13. Mechanische Wellen Darstellung harmonischer Wellen Überlagerung von Wellen, Interferenz und Beugung. 13.

u(z, t 0 ) u(z, t 0 + t) z = c t Harmonische Welle

F R. = Dx. M a = Dx. Ungedämpfte freie Schwingungen Beispiel Federpendel (a) in Ruhe (b) gespannt: Auslenkung x Rückstellkraft der Feder

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Alle Schwingungen, die sich nicht durch eine einfache Sinus-(Cosinus- )Funktion darstellen lassen, nennt man anharmonische Schwingungen.

5. Wellen. Als Welle bezeichnet man die Ausbreitung einer Störung in einem kontinuierlichen Medium oder einer räumlich periodischen Struktur.

Kapitel 6. Schwingungen und Wellen 6.1 Schwingungen 6.2 Wellen 6.3 Schallwellen und Akustik. Straße von Gibraltar

Kapitel 6. Schwingungen und Wellen 6.1 Schwingungen 6.2 Wellen 6.3 Schallwellen und Akustik. Straße von Gibraltar

gekoppelte Pendelreihe Wellenmaschine Seilwelle (hin und her)

8. Akustik, Schallwellen

wir-sind-klasse.jimdo.com

m s km v 713 h Tsunamiwelle Ausbreitungsgeschwindigkeit: g=9,81m/s 2,Gravitationskonstante h=tiefe des Meeresbodens in Meter

Mechanische Schwingungen und Wellen

III. Schwingungen und Wellen

Physik B2.

Einführung in die Physik I. Schwingungen und Wellen 3

Wellen. Experimentalphysik. B. Baumann Physik für Ingenieure Bachelor Basics Kapitel 5

Mechanische Schwingungen und Wellen

Physik III im Studiengang Elektrotechnik

Physik für Biologen und Zahnmediziner

Ferienkurs Teil III Elektrodynamik

Das Hook sche Gesetz

HARMONISCHE SCHWINGUNGEN

1. Bestimmen Sie die Phasengeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Wasser durch Messung der Wellenlänge und Frequenz stehender Wellen.

Wellenoptik. Licht als Welle. Experimente (z. B. Brechung) Licht verhält sich wie eine Welle

Übungsblatt 6 ( ) mit Lösungen

9. Akustik. I Mechanik 9.Akustik II Wärmelehre 10. Temperatur und Stoffmenge. 13. Vorlesung EP

2. Wellen. Physik für Maschinenbau. Seite 1 WS 05/06

Klassische und relativistische Mechanik

Übungsblatt 6 ( ) mit Lösungen

Geozentrisches und heliozentrisches Weltbild. Das 1. Gesetz von Kepler. Das 2. Gesetz von Kepler. Das 3. Gesetz von Kepler.

SCHWINGUNGEN WELLEN. Schwingungen Resonanz Wellen elektrischer Schwingkreis elektromagnetische Wellen

11.1 Wellenausbreitung 11.2 Wellengleichung 11.3 Interferenzen und Gruppengeschwindigkeit

Physik für Erdwissenschaften

9. Periodische Bewegungen

Das Hook sche Gesetz. Wenn man eine Messung durchführt und die beiden Größen gegeneinander aufträgt erhält man. eine Ursprungsgerade.

7. Periodische Bewegungen Physik für E-Techniker. 7.2 Wellen Harmonische Welle Wellenpakete. Doris Samm FH Aachen

Das Hook sche Gesetz

3 Akustik. 3.1 Schallwellen (Versuch 23) 12 3 AKUSTIK. Physikalische Grundlagen

Fortschreitende Wellen. Station C. Was transportieren Wellen? Längs- und Querwellen

Physik Profilkurs ÜA 07 mechanische Wellen Ks. 2011

Übungen zu Physik I für Physiker Serie 12 Musterlösungen

DER SCHALL ALS MECHANISCHE WELLE

10. Vorlesung EP I. Mechanik 7. Schwingungen (freie, gedämpfte und erzwungene Schwingung, Resonanz, Schwebung)

Erzwungene Schwingung

Experimentalphysik II

Das führt zu einer periodischen Hin- und Herbewegung (Schwingung) Applet Federpendel (

Physik für Biologen und Zahnmediziner

EINLEITUNG PHYSIKALISCHE CHARAKTERISTIKA

2 Mechanische Schwingungen und Wellen. 2.1 Mechanische Schwingungen

Wellen als Naturerscheinung

Einführung in die Physik I. Schwingungen und Wellen 1

SA Saitenschwingungen

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

1. Klausur in K2 am

Experimentalphysik II Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Aufgaben Mechanische Wellen

Ergänzungen zur Physik I: Wellen (Zusammenfassung)

Prüfungsvorbereitung Physik: Optik, Schwingungen, Wellen

Vorbereitung. (1) bzw. diskreten Wellenzahlen. λ n = 2L n. k n = nπ L

0.1.1 Exzerpt von B. S. 134: HUYGENSsches Prinzip

Anhang C: Wellen. vorhergesagt 1916 (Albert Einstein) Entdeckung 2016 (LIGO-Kollaboration) Albert Einstein Christian Schwanenberger -

Probestudium der Physik 2011/12

Wellenlehre. Theorieschub

Tonstudio Praktikum AKUSTIK GRUNDLAGEN

Zusammenfassung. f m v. Überschall. Interfernzφ. Stehende Welle. Chladnische Klangfiguren. Quelle

Experimentalphysik E1

Gekoppelte Pendel an der Hafttafel

4. Schwingungen und Wellen

Schwingungen. Harmonische Schwingungen. t Anharmonische Schwingungen. S. Alexandrova FDIBA TU Sofia 1

Physik für Erdwissenschaften

9. Akustik. IMechanik 9.Akustik II Wärmelehre 10. Temperatur und Stoffmenge. 12. Vorlesung EP

Physikalisches Praktikum 2. Semester Elektrotechnik. Versuch 4 Messung der Schallgeswindigkeit

Kapitel 5: Mechanische Wellen

Ruhelage. D: Die Ruhelage nimmt ein Oszillator ein, wenn er nicht am Schwingen ist.

Schwingungen und Wellen

M13. Gekoppeltes Pendel

Physikalisches Praktikum O 4 Debye-Sears Effekt

Physik 1 für Chemiker und Biologen 11. Vorlesung

Name: PartnerIn in Crime: Datum: Versuch: Ultraschall 1125B

Aufgaben zu Teil F, Kapitel 2

Gekoppelte Schwingkreise verhalten sich wie gekoppelte mechanische Pendel

Dieter Suter Physik B3

Experimentalphysik E1

4.6 Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden

8. Periodische Bewegungen

Transkript:

11. Vorlesung EP I Mechanik 7. Schwingungen gekoppelte Pendel 8. Wellen (transversale und longitudinale Wellen, Phasengeschwindigkeit, Dopplereffekt Superposition von Wellen) Versuche: Schwebung gekoppelte Pendel Wellenkette: laufende und stehende Welle Wellenwanne: ebene Welle, Kugelwelle (Huygens) Dopplereffekt akustisch Hörbereich für Schall

7. Schwingungen Versuch: gekoppelte Pendel Durch die schwache Federkopplung wirkt eine erzwingende Kraft F 2 auf das zunächst ruhende Pendel. Nach mehreren Schwingungen nimmt die Amplitude von x 1 (t) ab, während m 2 mit wachsender Amplitude schwingt, bis m 1 still steht. Dann wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Richtung, d.h. die Schwingungsenergie wechselt periodisch von Pendel 1 zu Pendel 2. Jedes Pendel vollführt somit eine Schwebung. Diese läßt sich als Überlagerung von 2 Schwingungen mit leicht verschiedenen Frequenzen darstellen. sogenannte Eigenschwingungen.

Gekoppelte Oszillatoren z.b. 2 Schwerependel mit zwischengespannter Feder. Es gibt zwei Schwingungsmoden ( Eigenschwingungen ): 7. Schwingungen Überlagerung beider Schwingungsmoden ergibt Schwebung: Oszillation wechselt von einem Pendel zum anderen

Ausbreitung von Schwingungen -> Wellen 8.Wellen Bei gekoppelten Pendeln breitet sich die Schwingung von einem zum nächsten aus Welle entsteht durch lokale Anregung oder Störung eine Mediums, die sich durch Kopplung auf benachbarte schwingungsfähige Systeme ausbreitet = Modell für Wellen im Medium (Festkörper oder Fluid), wobei die Kopplungsfeder für die intermolekularen Kräfte steht. Versuch: Wellenkette (mit Torsionspendel) Damit die Welle am entfernten Ende nicht reflektiert wird, ist dort zunächst eine Dämpfung eingeschaltet, die später ( stehende Welle) ausgeschaltet wird.

Dabei wird bei klassischer Welle keine Materie aber eine lokale Störung des Mediums und somit Energie transportiert. Das Medium wird lokal verändert, die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt vom Medium (Kopplungsstärke, Trägheit) ab. Die Störung kann pulsförmig oder periodisch (z.b. sinus-förmig) sein. Longitudinale Welle (z.b. Schall): Transversale Welle (Versuch Wellenkette):

Wasserwellen: Kombination beider Typen, Kreisbahnen, deren Radii mit der Tiefe abnehmen. Ebene Wellen und Elementarwellen: Versuche Wasserwanne Wellenfronten (WF) = Flächen in 3 (Linien in 2) Dimensionen, deren Punkte gleichphasig schwingen Ausbreitungsrichtung senkrecht zu WF -Flächen Bei ebenen Wellen sind WF Ebenen Bei Elementarwellen sind WF Kugeloberflächen Huygens Prinzip: 1) Jeder Punkt einer WF ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle 2) Die Einhüllenden (Tangentenflächen) bilden neue WF

Wellenausbreitung, mathematische Darstellung z z z t

mathematische Darstellung für eine in z-richtung laufende Welle: A (z,t) = A 0 sin(ωt-kz) Z = const. Schwingung t = const. Schnappschuss Definition der Wellenlänge λ: für feste Zeit (Schnappschuß) entspricht λ der Weglänge z, für die gilt z k = 2π, d.h. das Argument der Sinusfunktion ändert sich um eine Periode. Wellenzahl (oder Wellenvektor) k = 2π λ

Definition der Phasengeschwindigkeit: v ph ist die Geschwindigkeit von Orten gleicher Amplitude, d.h. gleicher Phase, wobei die Phase das Argument der Sinus- oder Cosinusfunktion ist: Phase = ωt-kz Aus Bedingung ωt kz = ω (t + t) k (z + z) folgt ω t = k z z ω ω v ph = = = = f λ t k 2π / λ Ausbreitungsgeschwindigkeit (= Phasengeschwindigkeit) v ph = f λ Damit ergibt sich eine alternative Schreibweise für die Wellenamplitude: A(z,t) = A 0 sin[ω(t z/v ph )] Im Fall der Akustik ist v ph die Schallgeschwindigkeit (c Schall ) Im Fall der Optik ist v ph die Lichtgeschwindigkeit (c)

Superposition =Überlagerung = Interferenz von Wellen Wellen überlagern sich ungestört, d.h. eine Welle läuft weiter, auch wenn es Bereiche mit destruktiver Interferenz (lokaler Auslöschung) gibt. Zwei ebene Wellen treffen sich. Wir betrachten Überlagerung an einem Ort P

Superposition von Wellen - stehende Wellen zwei gegenläufige Wellen gleicher Frequenz und Amplitude A(z,t) = A 0 cos(ωt - kz) + A 0 cos(ωt + kz ) = 2A 0 cos (kz ) cos (ωt ) Stationäres Wellenbild, wenn Gleiche Frequenz (sonst Schwebung) Feste Phasenbeziehung (Kohärenz) also entweder durch Reflexion oder phasenstarre Quellen

Doppler-Effekt Bewegte Quelle: Doppler-Effekt Bewegt sich die Quelle auf den Empfänger zu, so nimmt dieser eine höhere Frequenz wahr f E = f 0 v ph v ph v Q aufeinander zu : f E > f 0 voneinander weg : f E < f 0 Überschallgeschwindigkeit: - Bei v Q > v ph überholt die Quelle die von ihr ausgesandten Wellen. - Es bildet sich eine kegelförmige Wellenfront aus (Mach-Kegel). - Sinus des Öffnungswinkels: v ph /v Q (=Mach-Zahl)

Bemerkung zum Dopplereffekt Herleitung der Formel: Wie aus der Skizze hervorgeht, ist λ E = λ 0 v Q T Q Da v ph = λ 0 f = λ/t, ist λ E = λ 0 (1- ) = λ 0 Mit f 0(E) = v ph / λ o(e) folgt f E = f 0 v ph v ph v v v Die Formel gilt auch für eine sich entfernende Quelle. Dann ist v Q eine negative Größe, d.h. im Nenner der Formel steht v ph + v Q und f E ist kleiner als f 0. Anwendungen des Dopplereffekts: Messung der Blutgeschwindigkeit (Ultraschall dopplerverschoben) Radarkontrolle (gleiches Prinzip) Rotverschiebung des Spektrums sich schnell entfernender Sterne dient der Geschwindigkeitsermittlung v v Q ph ph v ph Q

Superposition von Wellen - stehende Wellen nach Reflexion Je nach Art der Reflexion kann eine zusätzliche Phase auftreten: Freies, weiches Ende -> kein Phasensprung Festes, hartes Ende -> Phasensprung um π (senkrechte Kraft) λ = 2L Bei zwei festen Enden (schwingende Saite) ergeben sich aus den Randbedingungen feste Schwingungsmoden (sonst Auslöschung), Grundton (n=1) und Obertöne (n>1) n

9. Akustik, Schallwellen Schallwellen: wellenförmige Fortpflanzung von Druck- oder Dichteschwankungen in elastischen Medien wie Gasen,Flüssigkeiten, Festkörpern. In Fluiden: longitudinal (Orientierung der Bewegungsamplitude von Molekülen parallel zur Ausbreitungsrichtung) In Festkörpern: transversal (Bewegungsamplitude senkrecht zur Ausbreitungsrichtung), oder longitudinal wie bei Fluiden. Einteilung nach Frequenzen: Infraschall : ν <= 16 Hz Hörbarer Schall: 16 Hz < ν < 16 khz Versuch Ultraschall : 16 khz < ν Hyperschall : 10 MHz < ν P: Druck S: Auslenkung

Schall-Erzeugung: Schallerzeugung durch stehende Wellen auf Festkörpern: schwingende Saite Stimmgabel Orgelpfeife Lautsprechermembran Beispiel 1: beidseitig eingespannte Saite l -> stehendes Wellenfeld bei bestimmten Eigen- oder Resonanzfrequenzen λ l = n, n = 1,2,3,... 2 = n f, n 1,2,3,.. f n 1 =