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2.1 Was zeichnet Schwingungen aus?

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2.1
Was zeichnet Schwingungen aus?
S
Aufgabe
Schallwellen entstehen in der Regel an Orten, an denen ein Medium, z.B. Luft, komprimiert wird und sich
anschließend wieder ausdehnen kann. Ursache von Tönen sind sich wiederholende Bewegungen, die
man als Schwingungen bezeichnet. Zwei Beispiele einer Schwingung sollen in diesem Experiment betrachtet werden:
1. Beobachte die Schwingung eines Lineals an einer Tischkante.
2. Lasse ein Gewicht an einer Feder auf und ab schwingen und überlege, anhand welcher Kenngrößen sich diese Schwingung beschreiben lässt.
Material
1
1
1
1
2
1
Lineal, l = 200 mm
Maßband, l = 2 m
Schraubenfeder 3 N/m
Gewichtsteller für Schlitzgewichte
Schlitzgewicht, schwarz, 50 g
Digitale Stoppuhr, 24 h, 1/100 s & 1 s
09937-01
09936-00
02220-00
02204-00
02206-01
24025-00
Zusätzlich wird benötigt
1 Klebeband, ca. 10 cm
Aufbau und Durchführung
Dieses Experiment wird von zwei Schülern durchgeführt.
Abb. 1: Durchführung von Teil 1: Drücke das Lineal mit einer Hand auf
den Tisch und ziehe es an der freien Seite herunter.
Teil 1: Schwingung eines Lineals (Abb. 1)
Legt das Lineal auf den Tisch. Haltet es mit einer Hand fest. Die Hand sollte möglichst nah an der
Tischkante liegen, nicht aber über die Kante hinausragen.
Drückt das Lineal nun an seinem freien Ende so herab, dass es beim Loslassen anfängt zu schwingen.
Wiederholt diesen Vorgang einige Male. Verändert auch die schwingende Länge des Lineals. Notiert Eure Beobachtungen (unter Beobachtungen und Ergebnisse, 1. – 3.)
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PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
1
S
Was zeichnet Schwingungen aus?
2.1
Teil 2: Federpendel (Abb. 2)
Zieht das Maßband so weit aus der Rolle heraus, dass es ohne zu knicken vom Tisch bis zum Boden reicht. Klebt das
Band mit einem Streifen Klebeband an der Tischkante fest.
Die Skala sollte zu euch hin gerichtet sein, der Nullpunkt der
Skala sollte exakt am Boden sein.
Schüler 1: Halte die Feder an einem Ende fest und hänge das
Gewicht an das andere Ende. Die Feder dehnt sich in eine
Ruheposition.
Schüler 1: Halte Feder und Gewicht nun so vor das Maßband,
dass das Gewicht 20 cm über dem Boden hängt, also bei der
Markierung „20 cm“ auf dem Maßband.
Schüler 1: Halte deine Hand ruhig an der gleichen Stelle;
Schüler 2: Ziehe das Gewicht 20 cm nach unten bis zum Boden („0 cm“) und lasse es los.
Beobachtet das Federpendel und wiederholt den Vorgang mit
getauschten Rollen. Achtet genau darauf, wie sich die Position
des Gewichtes mit der Zeit verändert und notiert Eure Beobachtungen (unter Beobachtungen und Ergebnisse, 4.).
Schüler 1: Halte das Federpendel an die gleiche Position wie
zuvor; Schüler 2: Nimm eine Stoppuhr und ziehe das Gewicht
wieder 20 cm bis zum Boden. Drücke beim Loslassen des
Gewichtes gleichzeitig den Startknopf der Stoppuhr.
Stoppt die Zeit, die das Gewicht für 10 volle Schwingungsdurchläufe benötigt. Notiert das Ergebnis (unter Beobachtungen und Ergebnisse, 5.).
Beobachtungen und Ergebnisse
Teil 1: Schwingung eines Lineals
1. Wie bewegt sich das freie Linealende, nachdem es losgelassen wurde? Wie ändert sich seine Bewegung im Lauf der Zeit?
Abb. 2: Durchführung von Teil 2: Halte das
Gewicht vor die Maßbandskala.
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2.
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Wo wird der hörbare Ton erzeugt? Achtet dabei genau auf das Lineal, wenn es noch schwingt, der
Ton aber schon nicht mehr zu hören ist?
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3.
Was zeichnet Schwingungen aus?
S
Wie verändern sich der Ton und die Linealbewegung, wenn das frei schwingende Linealende verlängert wird? Was geschieht mit dem Ton, wenn man das Linealende anfangs weiter nach unten
dehnt?
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Teil 2: Federpendel
4. Betrachtet die Schwingung des Gewichtes. Lest von der Skala des Maßbandes ab:
die Ruheposition des Gewichtes
-
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die niedrigste Position des Gewichtes
-
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die höchste Position des Gewichtes
5.
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Wie lange benötigt das Gewicht für 10 Schwingungsdurchgänge?
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Auswertung
1. Das Gewicht am Federpendel schwingt genauso wie das freie Ende des Lineals auf und ab. Bei solchen Schwingungen bezeichnet man die weiteste Auslenkung von der Ruheposition als Amplitude.
Wie groß ist die Amplitude des Federpendels?
2.
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Wodurch wird beim schwingenden Lineal die Amplitude bestimmt?
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3.
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Wie hängt die Amplitude des Lineals mit der Lautstärke des erzeugten Tons zusammen?
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S
4.
5.
6.
Was zeichnet Schwingungen aus?
2.1
Ein Schwingungsvorgang kann unterschiedlich schnell ablaufen. Als Schwingungsdauer bzw. Periodendauer bezeichnet man die Zeit, die ein schwingendes Objekt für einen Durchlauf der Schwingung (auch Periode genannt) benötigt. Wie groß war die Periodendauer bei der Schwingung des
Federpendels?
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Der Kehrwert der Periodendauer gibt die Anzahl der Schwingungsdurchläufe pro Sekunde an. Diese
Größe bezeichnet man als Frequenz einer Schwingung. Berechne die Frequenz der Federpendelschwingung.
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Wie wirkt sich die die Länge des freien Linealendes auf die Frequenz der Linealschwingung aus?
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7.
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Wie ändert sich der erzeugte Ton mit der Frequenz der Linealschwingung?
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L
Harmonische Schwingungen
(Was zeichnet Schwingungen aus?)
In diesem Experiment sollen sich die Schüler mit den Begriffen „Amplitude“, „Periodendauer“ und „Frequenz“ in Zusammenhang mit harmonischen Schwingungen vertraut machen. Diese Begriffe sind essentiell wichtig für die Akustik. Die Schüler erarbeiten sich diese Kenngrößen anhand der Schwingungsbeispiele eines schwingenden Lineals und eines Federpendels.
Vor Durchführung des Experiments sollten die Schüler wissen, dass der Begriff der Schwingung einen
periodischen Vorgang bezeichnet. Sie sollten außerdem Töne anhand ihrer Lautstärke und Tonhöhe
charakterisieren können.
Hinweise zu Aufbau und Durchführung
Der zweite Teil des Experiments ist in Partnerarbeit durchzuführen.
Beobachtungen und Ergebnisse
Teil 1: Schwingung eines Lineals
1. Wenn ein Lineal über eine Tischkante hinausragt und man das freie Ende des Lineals nach unten
dehnt, so beginnt das Lineal auf und ab zu schwingen, sobald man sein Ende loslässt. Die Schwingung wird durch den Widerstand der Luft gegen das Lineal gedämpft und klingt nach kurzer Dauer
ab.
2. Die Schwingung des Lineals erzeugt einen Ton. Dieser entsteht dort, wo zwischen Lineal und Tisch
die Luft beim Niederschwingen des Lineals zusammengedrückt wird und sich dann beim Aufschwingen wieder ausdehnen kann. Dieser Teil des Lineals hört früher auf zu schwingen als die
Endkante des Lineals. Der Ton verklingt damit, während noch eine Schwingung zu beobachten ist.
3. Je weiter man das Lineal über die Tischkante hinausschiebt, desto langsamer schwingt es, d.h. die
Dauer einer Schwingung wird länger. Gleichzeitig wird der erzeugte Ton tiefer. Dehnt man das
Linealende am Anfang weiter nach unten, so wird der Ton lauter.
Teil 2: Federpendel
4. Die Ruheposition des Gewichts wird auf 20 cm über dem Boden festgelegt. Die tiefste Position
nimmt das pendelnde Gewicht bei seiner anfänglichen Auslenkung ein (0 cm). Bei den ersten
Schwingungsdurchläufen erreicht das Gewicht eine Maximalhöhe von 40 cm.
5. Für 10 Schwingungsdurchgänge benötigt dieses Federpendel ca. 11,8 Sekunden.
Auswertung
1. Die Amplitude des Federpendels lässt sich sowohl aus der Differenz der niedrigsten Position und
der Ruheposition als auch aus Differenz von höchster Position und Ruheposition errechnen. Die
Amplitude beträgt in diesem Experiment 20 cm.
2. Je stärker man das Lineal zu Beginn biegt, also je weiter man sein Ende nach unten auslenkt, desto
größer wird die Amplitude der Linealschwingung.
3. Mit steigender Amplitude der Linealschwingung nimmt die Lautstärke des Tons zu.
4. Die Periodendauer errechnet sich aus dem Quotienten der gemessenen Zeit (15 s) und der Anzahl
der gezählten Schwingungsdurchläufe zu: T =
11,8 s
= 1,18 s .
10
1
= 0,85 Hz .
1,18 s
5.
Die Frequenz des Federpendel, als Kehrwert der Periodendauer, beträgt: f =
6.
Mit längerem, freiem Ende des Lineals nimmt die Periodendauer der Linealschwingung zu, die Frequenz folglich ab.
Das längere, freie Ende sorgt auch dafür, dass sich der erzeugte Ton tiefer anhört. Es lässt sich folgern, dass ein Ton umso höher erklingt, je höher die Frequenz der Schwingung ist.
7.
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Harmonische Schwingungen
2.1
Raum für Notizen
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