Grundlagen der Physik: Ausbreitung von Schall und Licht

1. Energieübertragung über Entfernungen

Energie kann von einem Körper auf einen anderen übertragen werden. Es gibt Prozesse, die Energie übertragen, selbst wenn die Körper voneinander getrennt sind. Diese Prozesse sind die Emission und Absorption von Schall und Licht.

Schall ist eine mechanische Schwingung, die sich durch ein Medium ausbreitet. So bringt beispielsweise das Geräusch eines Lastwagens die Fensterscheibe eines weit entfernten Hauses zum Vibrieren.

Licht ist Strahlungsenergie und besteht aus Teilchen, den Photonen, die sich durch das Vakuum und transparente Materialien wie Luft und Wasser ausbreiten. Das Licht der Sonne reist durch das Vakuum und erwärmt die Erde nach einer Reise von über 150 Millionen Kilometern.

Diese Form der Energieausbreitung kann als Welle bezeichnet werden; man spricht daher häufig von Schall- und Lichtwellen.

Die Optik und die Akustik sind zwei Teilgebiete der Physik, die für die Erforschung von Licht bzw. Schall zuständig sind.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Im Vakuum breitet sich das Licht mit fast 300.000 km/s aus, während es im Wasser etwa 225.000 km/s schnell ist.

Schall hingegen kann sich nicht im Vakuum ausbreiten, sondern benötigt ein materielles Medium. Er legt in Stahl etwa 5.100 Meter in einer Sekunde zurück (18.360 km/h), während er in der Luft in dieser Zeit nur 340 Meter weit kommt (1.200 km/h).

2. Materie: Ein Trägermedium für den Schall

Alle Geräusche haben etwas gemeinsam: Sie werden durch Schwingungen verursacht.

Der Ort, an dem die Schwingung beginnt, wird als Zentrum (Fokus) bezeichnet, und die Ausbreitung durch das Material nennt man Welle.

Eigenschaften des Schalls

• Die Intensität: Es gibt laute und leise Töne.
• Die Tonhöhe: Sie hängt mit der Frequenz zusammen, welche die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde angibt. Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Frequenz in Hertz (Hz) gemessen.
• Die Klangfarbe: Sie erlaubt es, den Klang verschiedener Stimmen und Instrumente zu unterscheiden.

3. Die Ausbreitung des Lichts

Vor 300 Jahren schlug Newton vor, dass Licht aus Teilchen besteht, die von einer Lichtquelle (Fokus) emittiert werden. Wir wissen heute, dass diese Teilchen Photonen genannt werden. Sie verhalten sich jedoch nicht wie gewöhnliche Teilchen, da sich Licht auch wie eine Welle verhält.

Die Lichtquelle

Körper, die eine sehr hohe Temperatur haben, emittieren Photonen. Diese breiten sich als Welle in alle Richtungen aus, bis sie von anderen Körpern absorbiert werden.

Die Flugbahn der Photonen kann durch imaginäre Geraden, sogenannte Lichtstrahlen, dargestellt werden.