Physik und physikalische Chemie

Schwingungen und Wellen

Wie periodische Vorgänge an einem Ort als Schwingung ablaufen und sich als Welle im Raum ausbreiten, von Federpendel und Schwingkreis bis zu Licht und Ultraschall.

✓ gelesen

Ein Federpendel, das auf und ab federt, und ein elektrischer Schwingkreis, in dem Ladung zwischen Kondensator und Spule pendelt, gehorchen derselben Mathematik. Diese Gemeinsamkeit macht Schwingungen und Wellen zu einem Querschnittsthema, das Mechanik, Elektrik, Akustik und Optik verbindet. Eine Schwingung ist ein zeitlich periodischer Vorgang an einem festen Ort; koppeln viele schwingende Punkte aneinander, wandert die Schwingung durch den Raum, und es entsteht eine Welle.

Der erste Teil bleibt beim einzelnen Oszillator. Zuerst geht es darum, wie man eine harmonische Schwingung beschreibt. Dann folgt, wodurch ihre Eigenfrequenz festgelegt ist und wie sich die Energie während einer Periode umverteilt. Zum Schluss kommt hinzu, was in realen Systemen passiert, wenn Reibung die Schwingung dämpft oder eine äußere Kraft sie antreibt. Der zweite Teil löst sich vom Ort und folgt der Ausbreitung: Kenngrößen wie Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Unterscheidung nach Schwingungsrichtung und schließlich das, was beim Zusammentreffen mehrerer Wellen geschieht.

Genau dort liegt die Brücke zur Optik und Spektroskopie. Licht ist eine elektromagnetische Welle, Spektren werden oft in Wellenzahlen angegeben, und ein optisches Gitter zerlegt Licht nach Wellenlängen, wie es in Spektrometern genutzt wird. Am Ende steht mit dem Ultraschall eine Anwendung, die in der medizinischen Diagnostik ebenso vorkommt wie in der pharmazeutischen Technologie.

Schwingungen

Beschreibung harmonischer Schwingungen

Wie man eine harmonische Schwingung mit Gleichung und Diagramm beschreibt …

Beschreibung harmonischer Schwingungen
Eigenfrequenz von Federpendel und Schwingkreis

Wie Federkonstante und Masse beim Federpendel und Induktivität und Kapazität …

Eigenfrequenz von Federpendel und Schwingkreis
Energieumwandlung bei harmonischen Schwingungen

Wie sich bei einer ungedämpften harmonischen Schwingung potentielle und kinetische …

Energieumwandlung bei harmonischen Schwingungen
Gedämpfte und erzwungene Schwingungen, Resonanz

Wie eine gedämpfte Schwingung exponentiell abklingt, warum ihr Takt dabei …

Gedämpfte und erzwungene Schwingungen, Resonanz

Wellen

Kenngrößen und Ausbreitung von Wellen

Wie Wellenlänge, Frequenz, Wellenzahl und Ausbreitungsgeschwindigkeit zusammenhängen, warum sich beim …

Kenngrößen und Ausbreitung von Wellen
Transversal- und Longitudinalwellen, Polarisierbarkeit

Wie sich Transversal- und Longitudinalwellen in ihrer Schwingungsrichtung unterscheiden, welche …

Transversal- und Longitudinalwellen, Polarisierbarkeit
Überlagerung von Wellen: Interferenz und stehende Wellen

Wie sich zwei Wellen am selben Ort überlagern und wann …

Überlagerung von Wellen: Interferenz und stehende Wellen
Beugung und Interferenz am optischen Gitter

Wie das Huygens’sche Prinzip die Beugung erklärt und wie man …

Beugung und Interferenz am optischen Gitter
Ultraschall: Echolaufzeit und Doppler-Effekt

Wie man aus der Laufzeit eines Ultraschallechos Tiefen, Schallgeschwindigkeiten und …

Ultraschall: Echolaufzeit und Doppler-Effekt
Zurück nach oben