Grundlagen der Wellenbewegung: Schall und Licht erklärt

Punkt 7: Wellenbewegung

Die Wellenbewegung ist eine Form der Energieübertragung ohne Materietransport; sie beschreibt, wie sich eine Störung durch ein Medium oder den Raum ausbreitet.

Wellentypen

Nach dem benötigten Ausbreitungsmedium unterscheidet man:

• Mechanische Wellen: Diese benötigen ein elastisches Medium zur Ausbreitung.
• Elektromagnetische Wellen: Diese können sich auch im Vakuum fortpflanzen.

Nach ihrer Ausbreitungsrichtung unterscheidet man:

• Longitudinalwellen: Die Schwingungsrichtung der Teilchen und die Ausbreitungsrichtung sind identisch (Beispiel: Schallwellen).
• Transversalwellen: Die Schwingungsrichtung der Teilchen verläuft senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle (Beispiel: sichtbares Licht).

Eigenschaften von Wellen

• Wellenfront: Eine Linie oder Fläche, die von den Punkten gebildet wird, die von der Störung im selben Augenblick erreicht wurden.
• Strahl (Rayo): Eine imaginäre Linie senkrecht zur Wellenfront.
• Ausbreitungsgeschwindigkeit (v): Der Abstand, den die Welle pro Zeiteinheit zurücklegt.
• Wellenlänge (λ): Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten einer Welle, die in der gleichen Weise schwingen. Die Angabe erfolgt in Metern.
• Periodendauer (T): Die Zeit, die die Störung benötigt, um eine Wellenlänge zurückzulegen; sie entspricht der Zeit für eine vollständige Schwingung. Die Angabe erfolgt in Sekunden.
• Frequenz (f): Die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Die Einheit ist Hertz (Hz), was "pro Sekunde" bedeutet. Formel: f = 1 / T.
• Amplitude (A): Die maximale Auslenkung aus der Gleichgewichtslage der schwingenden Punkte, gemessen in Metern.

Wellenphänomene

• Reflexion: Richtungsänderung einer Welle beim Auftreffen auf eine Grenzfläche.
• Brechung: Änderung der Geschwindigkeit einer Welle beim Übergang von einem Medium in ein anderes mit unterschiedlicher Dichte.
• Beugung (Diffraktion): Ein Phänomen, das auftritt, wenn eine Welle ihre Ausbreitungsrichtung ändert, weil sie auf ein Hindernis oder eine Öffnung trifft, die kleiner oder gleich der Wellenlänge ist.

Der Schall

Schall entsteht durch die Schwingung von Körpern und ist eine longitudinale mechanische Welle. Er pflanzt sich in der Luft mit einer konstanten Geschwindigkeit von ca. 340 m/s fort.

Eigenschaften von Klang

• Echo: Tritt auf, wenn die reflektierende Oberfläche mindestens 17 m entfernt ist.
• Nachhall (Reverb): Tritt auf, wenn die Entfernung weniger als 17 m beträgt.

Qualitäten des Schalls

• Physikalische Intensität: Energie pro Sekunde und Flächeneinheit. Sie hängt von der Amplitude ab. Formel: I = E / (S * t) = P / S.
• Tonhöhe (Ton): Unterscheidung zwischen tiefen und hohen Klängen; sie hängt von der Frequenz ab (gemessen in Hertz, Hz).
• Klangfarbe (Timbre): Ermöglicht es, Töne gleicher Intensität und Tonhöhe zu unterscheiden, je nach dem Instrument, das sie erzeugt.

Das Licht

Licht ist eine Welle, die sich geradlinig ausbreitet. Im Vakuum geschieht dies mit einer Geschwindigkeit von ca. 300.000 km/s.

• Lichtreflexion: Richtungsänderung eines Strahls beim Auftreffen auf die Oberfläche eines Körpers.
• Lichtbrechung: Richtungsänderung beim Übergang von einem Medium in ein anderes, in dem es sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet.

Brechungsindex

Symbol: n. Formel: n = c / v (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen transparenten Medium).