Mittendorfer
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 1/13 Übungsdatum: 24.01.2002 Abgabetermin: 31.01.2002 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne (AHS 6. Klasse) Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne INHALT ............................................................................................................. 3 Lernziele & Voraussetzungen .................................................................... 4 Versuchsaufbau .......................................................................................... 5 Dopplereffekt ............................................................................................. 6 Machscher Kegel........................................................................................ 7 Abhängigkeit der Wellenlänge von der Wassertiefe.................................. 9 Brechung von Wellen................................................................................. 10 ANHANG ........................................................................................................... 11 Leybold Katalogausschnitt......................................................................... 12 2/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne INHALT 3/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne Lernziele • • • • Genaueres Verständnis von Dopplereffekt Wie kommt ein Machscher Kegel zustande Abhängigkeit der Wellenlänge von der Wassertiefe & Analogon zur Optik Wie werden Wellen gebrochen Voraussetzung • Unterscheidung von longitudinal und transversal Wellen 4/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 5/13 Versuchsaufbau - Wellenwanne Die Wellenwanne dient zur Demonstration der Wellenausbreitung sowie für Versuche zur Reflexion, Brechung und Beugung. Der Frequenzbereich des Wellenerregers (ca. 4 – 20 Hz) gestattet ohne stroboskopische Betrachtung sowohl die Durchführung der Versuche im Bereich der Kapillarwellen als auch im Bereich der Kapillar-Schwerewellen. Die Versuchsergebnisse sind aufgrund einer direkten Betrachtung der Wellenerscheinungen oft anschaulicher und eindrucksvoller als die der Analogieversuche aus den Gebieten der Optik, Akustik und Elektrizitätslehre.1 Der „Bausatz“ umfasst: • Wellenwanne, ausgekleidet mit reflexionsarmer Matte, und Spiegel am Wannenboden • Erregermotor, an den verschiedenartige Erreger Lamellen aus Aluminium angebracht werden können. • Dosenlibelle zum Ausrichten in der Waagrechten • Getönte Glasplatten in verschiedenen Formen • Verschiedene Hindernisse Mittlerweile hat Leybold zwei neuartige, wenn auch vermutlich noch teurere Geräte im Angebot, diese sind im Hauptkatalog „Physik“ zu finden. Der Preis beläuft sich für das Modell mit Stroboskop Beobachtung und Druckluft Wellenerreger 2162,74 €, für das einfache Modell auf 662,78 €. (laut Preistabelle ´98 inkl. MwSt.) [siehe Anhang] 1 Leybold Bulletin 29 D - Wellenwanne Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 6/13 Dopplereffekt Doppler-Effekt, in der Physik die von einem Beobachter wahrzunehmende Änderung der Frequenz einer Licht- oder Schallwelle, wenn deren Quelle sich dem Beobachter nähert oder sich von ihm entfernt. Dieses Phänomen ist nach dem österreichischen Physiker Christian Johann Doppler benannt, der 1842 das zugrunde liegende Prinzip formulierte. Wenn eine Schallquelle, die einen Ton mit konstanter Frequenz (Tonhöhe) emittiert, sich auf einen Beobachter zubewegt, so hört dieser einen höheren Ton. Entfernt sich die Schallquelle von ihm, so hört er einen tieferen Ton. Solche Frequenzänderungen kann man bei Lokomotivpfeifen oder Autohupen gut hören, wenn das betreffende Fahrzeug vorüberfährt. Weil das Doppler-Prinzip ebenso für Lichtwellen gilt, erscheinen die Linien im Spektrum der Sterne zum Rot hin verschoben, wenn sie sich von der Erde wegbewegen. Aus dem Ausmaß der Verschiebung kann man die Geschwindigkeit des betreffenden Sternes relativ zur Erde berechnen (siehe Rotverschiebung).2 Bei dem Versuch mit der Wellenwanne wird der punktförmige Erreger mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,1 m pro Sekunde geradlinig durch die Wellenwanne gezogen. Man kann dabei die Ausbreitung der entstehenden Kreiswellen beobachten, und dass die Abstände zwischen den Wellenbergen in Bewegungsrichtung deutlich verkürzt sind. In der entgegengesetzten Richtung wird der Abstand zwischen den Wellenbergen bzw. Wellentälern deutlich gedehnt. 2"Doppler-Effekt."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 7/13 Der Machsche Kegel Wenn man nun den punktförmigen Erreger mit noch größerer Geschwindigkeit und zwar etwa 0,3 m pro Sekunde geradlinig bewegt, so kann man das charakteristische Bild eines Machschen Kegels beobachten. Dies ist nur der Fall wenn man die Quelle (den Erreger) mit einer Geschwindigkeit, größer der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Wasserwellen bewegt. Zusatzinformationen Beobachtungen von Artilleriegeschossen enthüllen das Wesen der atmosphärischen Störungen, die beim Flug auftreten. Im Bereich der Unterschallgeschwindigkeit, d. h. unter 0,85 Mach, ist die einzige atmosphärische Störung eine Turbulenz hinter dem Projektil. Im Bereich der Schallgeschwindigkeit von 0,85 Mach bis 1,3 Mach treten mit steigender Geschwindigkeit Stoßwellen auf. Im unteren Teil dieses Geschwindigkeitsbereichs entstehen Stoßwellen an allen Unebenheiten des glatten Projektilmantels. Wenn die Geschwindigkeit 1 Mach übersteigt, bilden sich vorne und hinten am Projektil Stoßwellen, die sich kegelförmig vom Projektil ausbreiten. Der Winkel an der Spitze ändert sich mit der Geschwindigkeit des Projektils. So ist bei 1 Mach die vordere Stoßwelle im Wesentlichen eine Ebene, bei 1,4 Mach beträgt der Winkel des Kegels ungefähr 90 Grad. Bei 2,48 Mach hat die Stoßwelle, die das Projektil nach sich zieht, an der Spitze einen Winkel von etwas weniger als 50 Grad. Diese Forschungsrichtung hat bereits den Bau von modernen Hochgeschwindigkeitsflugzeugen ermöglicht. Die Tragflächen dieser Flugzeuge lassen sich bis zu 60 Grad zurückschwenken. Dadurch geraten die Tragflächen nicht in die Stoßwelle. Effizienzmaximierung Andere Faktoren umfassen die ideale Form von Geschossen und das Verhalten von Gas, wenn es mit hohen Geschwindigkeiten fließt. Die so genannte Tränenform, eine ideale Stromlinienform für Unterschallgeschwindigkeiten, ist im Überschallbereich wegen der großen Stirnfläche äußerst unökonomisch. Bei Überschallgeschwindigkeit führt diese Form zum Entstehen energieverzehrender Stoßwellen mit großer Amplitude. Wenn Gas mit Überschallgeschwindigkeit durch eine verengte Röhre strömt, z. B. durch die Mündung einer Rakete, erhöht sich an der engsten Stelle die Strömungsgeschwindigkeit, und der Druck nimmt ab. Bei einer sich ausweitenden Röhre Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 8/13 tritt die umgekehrte Erscheinung auf. Das Verbrennungsgas einer Rakete erhöht daher seinen Auftrieb durch den größeren Druck in der breiter werdenden Düsenöffnung. Eine weitere Tatsache, die den Raketenbauern schon lange bekannt ist, ist der direkte Einfluss des umgebenden atmosphärischen Druckes auf die Flugleistung im Überschallbereich. Je mehr sich das umgebende Medium einem vollkommenen Vakuum nähert, desto effizienter arbeitet das Triebwerk des Flugkörpers. Die Höchstgeschwindigkeit eines Überschallflugzeuges kann auch vergrößert werden, indem man die Stirnfläche bzw. den Querschnitt, der der ankommenden Luft entgegensteht, verringert. Die Erhöhung des Gewichts durch eine größere Länge sowie ein schlankerer Flugzeugrumpf mit einer nadelförmigen Spitze sind notwendige Konstruktionsmerkmale von Überschallflugzeugen. In den Jahren nach dem 2. Weltkrieg haben Forschungsinstitute für Aerodynamik Windkanäle gebaut, in denen Flugzeugmodelle und Flugzeugteile in Luftströmen mit Überschallgeschwindigkeit getestet werden können. Flächenregel Ein größerer Fortschritt im Flugzeugbau, der auf Forschungsarbeit im Windkanal beruht, war die Entdeckung der Flächenregel durch den amerikanischen Physiker Richard Travis Whitcomb. Sie lieferte ein neues Prinzip für den Bau von Überschallflugzeugen. Nach diesem Grundsatz beruht der rasche Anstieg des Luftwiderstands im Bereich der Schallgeschwindigkeit auf der Verteilung der gesamten Querschnittsfläche entlang des Flugzeuges. Indem man den Rumpf dort einschnürt, wo die Tragflächen angebracht sind, verringert sich der für das Flugzeug typische Luftwiderstand. Whitcombs so genannte Wespentaillenbauweise ermöglichte eine Steigerung der Höchstgeschwindigkeit im Überschallbereich um 25 Prozent ohne zusätzliche Triebwerksleistung.3 3"Aerodynamik."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 9/13 Abhängigkeit der Wellenlänge von der Wassertiefe Bei diesem Versuch wird der Spiegel schräg im Wasser angebracht, sodass gut 2/3 des Spiegels sich im Wasser befindet. Man verwendet den Erreger für ebene Wellen. Bei ausreichend geringer Erregerfrequenz (ca. 4 – 8 Hz) kann man deutlich die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Wassertiefe erkennen. Wenn man diesen Versuch leicht modifiziert, und den Spiegel schräg zur Wellenfront seichter werdend anbringt, kann man beobachten, wie sich die Frontrichtung allmählich einer Parallelen zum Ufer nähert. Analogon zur Optik: auch bei einer kontinuierlichen Dichteveränderung findet Brechung statt. Physikalisches Schulversuchspraktikum Brechung von Wellen Wir wissen jetzt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen mit der Wassertiefe zusammenhängt. Wir geben nun das Modell einer Sammellinse in die Wellenwanne, und beobachten was mit den ebenen Wellen geschieht. Die Wellen werden in Analogie zur Optik hinter der Sammellinse gebündelt. Wellenwanne 10/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne ANHANG 11/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 12/13 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wellenwanne 13/13