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Ph12 Lernbereich 2: Mechanische Schwingungen und Wellen (ca. 55 Std.) Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Fachoberschule: Physik 12 (T)

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben Schwingungen mit den physikalischen Größen Amplitude, Periodendauer sowie Frequenz und bestimmen diese Größen in selbst geplanten und durchgeführten Experimenten unter Verwendung eines geeigneten Messverfahrens, z. B. digitale Videoanalyse, Bewegungssensor.
  • modellieren unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen die zeitliche Entwicklung von Orts‑, Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungskoordinaten harmonisch schwingender Körper mit trigonometrischen Funktionen. Sie verwenden für die Beschreibung harmonischer Schwingungen auch Zeigerdiagramme.
  • identifizieren bei schwingenden Systemen diejenigen Größen, von denen die Periodendauer abhängt und ermitteln mithilfe gezielter grafischer Auswertungen die auftretenden funktionalen Zusammenhänge.
  • ermitteln bei periodischen Bewegungen die rücktreibende Kraft (Rückstellkraft) und begründen beim Vorliegen eines linearen Kraftgesetzes, dass es sich bei der betrachteten Bewegung um eine harmonische Schwingung handelt, z. B. Federschwerependel, Fadenpendel, Flüssigkeitspendel. Sie identifizieren die Richtgröße harmonischer Schwingungen und stellen Zusammenhänge zwischen dieser und anderen charakteristischen Schwingungsgrößen (Eigenfrequenz, Periodendauer, Schwingungsenergie, Amplitude, Masse) her.
  • erklären die bei Schwingungen ablaufenden Energieumwandlungen und stellen die schwingungsrelevanten Energieformen sowie die gesamte Schwingungsenergie in Abhängigkeit von der Zeit und der Elongation grafisch dar. Auf Grundlage des Energieerhaltungsprinzips führen sie quantitative Energiebetrachtungen durch und erklären qualitativ Dämpfungseffekte, z. B. bei Schwingungsdämpfern.
  • beschreiben die Entstehung und das Ausbreitungsverhalten von Longitudinal‑ und Transversalwellen. Sie veranschaulichen grafisch die Phasenlagen zu bestimmten Zeitpunkten und treffen quantitative Vorhersagen über das räumliche Fortschreiten der Welle sowie über das Schwingungsverhalten an einem festen Ort. Dabei nutzen sie Zeigerdiagramme und die Gleichung einer fortschreitenden linearen Welle.
  • prognostizieren den Einfluss von Hindernissen auf das Phänomen der Beugung einer ebenen Wellenfront. Bei einem Einfachspalt verschiedener Breite nutzen sie dafür das Huygens'sche Prinzip sowie das Superpositionsprinzip und stellen anhand von Simulationen oder auch Experimenten einen qualitativen Zusammenhang zwischen der Veränderung der ebenen Wellenfront und der Spaltbreite her.
  • führen quantitative Betrachtungen zu Interferenzexperimenten durch. Bei Doppelspaltversuchen bzw. zwei kohärent schwingenden Erregern entscheiden sie durch Rechnung, auch mithilfe von Zeigerdiagrammen, an welchen Orten Interferenzmaxima und Interferenzminima bestimmter Ordnung auftreten. Bei zwei entgegenlaufenden Wellenzügen stellen sie einen Zusammenhang zwischen der Lage von Knoten und Bäuchen bei der resultierenden stehenden Welle und der Wellenlänge der Wellenzüge her.
  • erklären qualitativ das Phänomen der Resonanz schwingungsfähiger Körper bei diskreten Frequenzwerten anhand von Experimenten oder Animationen und beurteilen Maßnahmen, um Resonanzeffekte bei Alltagsphänomenen zu beeinflussen, z. B. Funktionsweise von Musikinstrumenten, Vibrationen bei Fahrzeugen oder Maschinen.
  • erläutern für den Fall eindimensionaler Eigenschwingungen das Zustandekommen von Resonanzschwingungen durch die mathematische Betrachtung der Phasenausbreitung. Dabei unterscheiden sie Reflexionen am festen und losen Ende und stellen einen quantitativen Zusammenhang zwischen den Abmessungen eindimensionaler Resonatoren und möglichen Eigenfrequenzen her, um beispielsweise die Tonerzeugung in Orgelpfeifen nachzuvollziehen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Amplitude, Elongation, (Eigen‑)Frequenz, (Eigen‑)Kreisfrequenz, Periodendauer, Rückstellkraft
  • Zeigerdiagramme
  • Liniendiagramme von Elongation, Geschwindigkeits‑, Beschleunigungs‑ und Rückstellkraftkoordinaten
  • Koordinatengleichungen für verschiedene Anfangsbedingungen
  • lineares Kraftgesetz, Richtgröße
  • Energieumwandlungen, Abhängigkeit der Gesamtenergie von der Richtgröße und der Amplitude
  • Entstehung und Ausbreitung der Längs‑ und Querwelle bei harmonisch schwingendem Erreger, Wellenfront
  • Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit
  • Versuche mit Wellenmaschine, Federwurm
  • Beugung und Interferenz am Einfachspalt (nur qualitativ), Elementarwelle, ebene Welle als Überlagerung mehrerer gleichphasig schwingender punktförmiger Erreger mit gleicher Amplitude und Frequenz, z. B. Versuch mit Wellenwanne
  • Gleichung der fortschreitenden harmonischen Querwelle, Momentanbilder
  • Beugung und Interferenz am Doppelspalt, konstruktive und destruktive Interferenz ebener Kreiswellen, Versuch mit Wasserwellen oder Schallwellen
  • Gangunterschied, Bedingungen für Maxima und Minima der Überlagerungsamplitude
  • stehende Welle als Überlagerung gegenläufiger Wellen gleicher Frequenz und Amplitude, λ/2 als Abstand der Knoten und Bäuche
  • Eigenschwingungen und Eigenfrequenzen, Reflexion am festen und freien Ende, Versuch mit eingespanntem Seil, Alltagsphänomene, z. B. Orgelpfeifen (Kundt'sche Röhre), Vibrationen im Auto