Wellenlehre: Grundlagen von Schall und Licht in der Physik

Wellen: Grundlagen und Eigenschaften

Eine Welle ist die Ausbreitung einer Störung oder Schwingung in einem Medium, die Energie durch den Raum transportiert.

Arten von Wellen

Nach Ausbreitungsdimensionen

• Eindimensionale Wellen: Die Welle breitet sich in eine Richtung aus.
• Zweidimensionale Wellen: Die Welle breitet sich auf einer flachen Oberfläche aus.
• Dreidimensionale Wellen: Die Welle breitet sich in alle drei Raumrichtungen aus.

Nach Art des Mediums

• Mechanische Wellen: Benötigen ein materielles Medium zur Ausbreitung. Beispiel: Schall.
• Elektromagnetische Wellen: Können sich auch im Vakuum ausbreiten. Beispiel: Licht.

Nach Schwingungsrichtung der Teilchen

• Longitudinalwellen: Die Teilchen des Mediums schwingen in der gleichen Richtung wie die Ausbreitung der Störung.
• Transversalwellen: Die Teilchen des Mediums schwingen in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitung der Störung.

Wichtige Kenngrößen einer Welle

• Amplitude (A): Der maximale Ausschlag, den ein Teilchen von seiner Gleichgewichtsposition erreicht, während es schwingt.
• Wellenlänge (λ): Der minimale Abstand zwischen zwei Punkten, die sich im gleichen Schwingungszustand befinden.
• Periode (T): Die Zeit, die ein Punkt des Mediums benötigt, um eine vollständige Schwingung auszuführen.
• Frequenz (f, ν): Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Einheit: Hertz (Hz).
• Ausbreitungsgeschwindigkeit (v): Die Strecke, die eine Welle pro Zeiteinheit zurücklegt. Einheit: Meter pro Sekunde (m/s).

Schall

Was ist Schall?

Schall ist ein Phänomen, das durch die Vibrationen eines Körpers verursacht wird und sich als mechanische, longitudinale und dreidimensionale Welle ausbreitet.

Voraussetzungen für Schallentstehung

1. Schallquelle: Ein Körper, der vibrieren kann.
2. Elastisches Medium: Ein materielles Medium, dessen Teilchen schwingen und die Welle ausbreiten können.
3. Empfänger: Ein System, das die Schallwelle erfassen und interpretieren kann.

Wie breitet sich Schall aus?

Schall breitet sich aus, wenn die Teilchen des Mediums schwingen und ihre Schwingungen auf benachbarte Teilchen übertragen. Die Schallgeschwindigkeit (v) hängt vom Medium und der Temperatur (T) ab:

• Sie ist höher in dichteren Medien (z.B. Festkörper > Flüssigkeiten > Gase).
• Sie ist höher, je größer die Temperatur ist. Beispiel: In Luft bei Raumtemperatur (ca. 20°C) beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 343 m/s.

Licht

Was ist Licht?

Licht ist eine Erscheinung, die von Körpern emittiert wird und es uns ermöglicht, unsere Umgebung durch den Sehsinn wahrzunehmen. Es breitet sich als transversale elektromagnetische Welle aus und erreicht im Vakuum eine Geschwindigkeit von etwa 3x10⁸ m/s.

Brechungsindex

Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium.

Medien und Lichtdurchlässigkeit

• Transparente Medien: Lassen Licht ungehindert durch.
• Transluzente Medien: Lassen Licht teilweise durch, streuen es aber.
• Opake Medien: Lassen kein Licht durch.

Wie breitet sich Licht aus?

In einem homogenen Medium breitet sich Licht geradlinig aus.

Gesetze der Reflexion

1. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und das Lot zur Oberfläche liegen in einer Ebene.
2. Der Einfallswinkel (α) ist gleich dem Reflexionswinkel (β): α = β. Beispiel: Kaleidoskop.

Gesetze der Brechung

1. Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und das Lot zur Oberfläche liegen in einer Ebene.
2. Der Einfallswinkel und der Brechungswinkel stehen durch das Snellius'sche Brechungsgesetz in Beziehung.

Dispersion

Dispersion ist die Zerlegung von Licht (oder anderer Strahlung) in seine spektralen Bestandteile aufgrund unterschiedlicher Brechungswinkel.

Spektrum

Ein Spektrum ist die Darstellung der Intensität einer Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge oder Frequenz. Es zeigt die Zusammensetzung einer Strahlung aus verschiedenen einfachen Strahlungen.

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Gesamtheit aller existierenden elektromagnetischen Strahlungstypen.