Basics, Schwingungen und Wellen |
Das ist eine spannende Sache. Interessant, dass beide Begriffe in der Überschrift zusammenstoßen. Wir werden klären, wie das zusammenpasst.
Ein Photon ist ein Lichtteilchen. Hast du gehört/gelesen? Ein Lichtteilchen! Licht ist ein Strom von Teilchen. Ein Strom von Photonen. Das ist eine Vorstellung.
Licht besteht aus Lichtwellen. Hast du gehört/gelesen? Lichtwellen! Licht ist eine elektromagnetische Welle. Das ist etwas ganz anderes, wie ein Lichtteilung. Und das ist eine zweite Vorstellung.
Man sagt nun: Licht ist beides. Es besteht aus Lichtteilchen, den Photonen, und es ist gleichzeitig eine Welle. Irgendwie ist das halt die Formulierung, die wir Menschen verwenden. Wir sagen zu diesem “beides ist”: Welle-Teilchen-Dualismus.
Bei Materie ist das genau so. Da sind wir es gewöhnt, von Teilchen zu sprechen. Elektronen als Teilchen. Klar. Aber: wir können auch von Elektronen als Welle sprechen. Das sind dann Materiewellen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Materiewelle
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Basics, Schwingungen und Wellen |
Zwei Möglichkeiten gibt es, um Dinge in unserer Umgebung zu sehen. Und bei beiden Erklärungen spielt das Auge eine wichtige Rolle. Erstens – das könnte sein – gehen aus dem Auge sogenannte Sehstrahlen aus. Sie treffen auf die Dinge und werden von ihnen wieder reflektiert, zurückgeworfen in unser Auge. Zweitens: Es gibt noch etwas Anderes: Lichtquellen, die Licht erzeugen, das auf die Dinge trifft, von denen reflektiert und in unser Auge geworfen werden. Das ist die physikalisch richtige Erklärung.
Link: Sehstrahlen in der Antike | Richtige Erklärung (LEIFI Physik)
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Wie kann man Informationen von der einen Seite auf die andere Bringen? Mit Lichtzeichen. Mit Radiowellen. Beides sind elektromagnetische Wellen. Sie gehen auch durch das Vakuum. Einen Sender brauchen wir, und einen Empfänger, und eine Art, wie wir die Informationen codieren.
Die Lichtwellen breiten sich nach den Gesetzen der Optik aus – normalerweise geradlinig und auf den kürzesten Weg. In der geometrischen Optik versuchen wir auch wirklich, mit dem Lineal die Lichtstrahlen zu zeichnen. In der Wellenoptik verzichten wir auf das Lineal, sondern schauen uns das Benehmen von “Elementarwellen” genauer an, um die Ausbreitung von Wellenfronten zu verstehen.
Wenn Licht aus verschiedenen Farben besteht – weißes Licht aus allen Regenbogenfarben – dann kann man beim Empfänger schauen, ob irgend ein Kobold eine Farbe auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger “gefressen” hat. Fehlt eine Farbe, weiß man, oh, da gibt es den “gelbfressenden Kobold”. Zum Beispiel. Es ist natürlich kein Kobold, der die Farben frisst, sondern zum Beispiel Gase in der Atmosphäre, Ozon zum Beispiel. Sie absorbieren bestimmte Farben aus der weißen Sonnenlichtmischung, und wenn die fehlen, wissen wir, oh, da ist Ozon da. Das ist die Spektralanalyse. Wir analysieren die Spektren von Sternen, um herauszufinden, welche Elemente auf ihnen das Licht verursachen.
Links:
- Elektromagnetische Wellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle
- Optik: https://de.wikipedia.org/wiki/Optik
- Spektralanalyse: https://de.wikipedia.org/wiki/Spektroskopie
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Der Dopplereffekt ist ein Phänomen der Wellenphysik. Er tritt etwa bei Schallwellen und Lichtwellen auf. Eine Schallquelle fährt auf uns zu. Oder sie fährt von uns weg. Ein Rettungsauto zum Beispiel. Die Töne des Einsatzhorns (Tatü-Tata) werden höher, wenn das Auto auf uns zukommt, wenn es von uns wegfährt, werde sie tiefer. Die Frequenz erhöht sich, oder sie wird geringer, so könnte man auch sagen. Auch mit geschlossenen Augen weiß man so, ob das Rettungsauto auf uns zukommt, oder von uns wegfährt.
Den Dopplereffekt gibt es auch bei Licht: das Licht der Sterne ist ein bisschen hin zu tieferen Frequenzen (“rot”) hin verschoben, weil sie sich von uns wegbewegen. Das ist ein Hinweis für die Expansion des Universums.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Doppler-Effekt
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Schallwellen sind Longitudinalwellen. Die Luft (auch andere Medien sind möglich) wird in Ausbreitungsrichtung periodisch verdichtet und entspannt. Schallwellen bereiten sich unter Normalbedingungen etwa mit 300 Meter pro Sekunde aus. Sie können auch um die Ecke gehen, was man bemerkt, wenn durch eine offene Tür Geräusche von Dingen von außerhalb kommen, die man nicht sieht. Die Akustik beschäftigt sich mit dem Hören der Schallwellen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Schall und https://de.wikipedia.org/wiki/Akustik
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Wenn man viele schwingungsfähige Systeme kombiniert, entsteht eine Welle. Das klingt zunächst ein bisschen abstrakt, aber man denke nur an die La Ola Welle der Begeisterung im Fußballstadion. Einer springt auf, der nächste sieht es, springt auch auf, und so weiter und so fort. Es gibt eine Ausbreitungsgeschwindigkeit und eine Frequenz. Eine Wellenlänge. Eine La Ola Welle ist eine “Transversalwelle”, weil die Schwingungsrichtung der Beteiligten (auf/ab) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist (links/rechts). Auch Wasserwellen sind Transversalwellen.
Ob es sinnvoll ist, auf eine Flaschenpost zu warten? Eigentlich tanzt sie nur auf einer Welle auf und ab – die schwingungsfähigen Gebilde, die Wasserteilchen verlassen ihren Ort nicht, nur die Energie der Welle wird transportiert, es sieht also so aus, als ob die Welle als Gesamtes auf uns zukommt. De facto aber bricht die Wasserwelle aber in Strandnähe, so dass es Effekte gibt, dass die Flasche doch zu uns ans Ufer kommt.
Schallwellen sind ähnlich: hier oszillieren die Teilchen aber nach links und nach rechts, also in Richtung der Ausbreitung. Solche Wellen werden Longitudinalwellen genannt.
Und es gibt viele weitere Beispiele für sogenannte mechanische Wellen.
Links:
- Welle: https://de.wikipedia.org/wiki/Welle
- Longitudinalwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Longitudinalwelle
- Transversalwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Transversalwelle
- Wasserwelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserwelle
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Wenn jemand schaukelt, dann muss die Schaukel immer wieder mal angeschupst werden. Am besten geht das, indem das Anschupsen in einer ähnlichen Frequenz wie das Schaukeln selbst passiert. Dann funktioniert die Energieübertragung am besten. Mit kleinen Schupsen – regelmäßig in Resonanz ausgeführt – kann man die Schaukel zu höchsten Höhen bringen.
Ähnliches passiert in Musikinstrumenten, bei denen ein Resonanzraum ungefähr die Ausdehnung der Wellenlänge der Schallschwingungen hat, das es spielt. Dann hilft der Resonanzraum mit, die Töne besonders gut hörbar zu machen.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Resonanz
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Basics, Schwingungen und Wellen |
Eine Schwingung besteht, wenn ein Objekt regelmäßig hin und her schwingt, auf und ab schwingt, oder sich auf einer Kreisbahn bewegt. Eine Welle besteht, wenn mehrere dieser Objekte aneinandergekoppelt sind. jedes einzelne schwingt – aber durch die Kombination breitet sich eine Welle aus. Nicht die Objekte verlassen die Plätze, sondern die Energie der Welle.
Link zu einem Video, die den Unterschied erklärt: https://www.youtube.com/watch?v=eqle-qxYVvA
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Schwingung und https://de.wikipedia.org/wiki/Welle
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Wenn sich etwas hin- und her bewegt, dann ist es eine Schwingung. Oder auch auf und ab. Sogar eine Kreisbewegung kann man als Schwingung verstehen. Hauptsache regelmäßig. Wir sprechen von harmonischen Schwingungen. Ein Pendel. Eine Masse an einer Spiralfeder. Eine Schnur mit einem Gewicht, das man im Kreis fliegen lässt.
Durch Reibung kommt die Schwingung zum Stilland mit der Zeit. Die Amplitude (die Größe der momentanen Auslenkung) nimmt ab. Wir sprechen von einer gedämpften Schwingung. Im Idealfall (keine Luft, keine Reibung in der Schnur) ist die Schwingung ungedämpft.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Schwingung
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Harmonische Schwingungen lassen sich mit einer Sinusfunktion darstellen. Sie verlaufen regelmäßig – die Wellenlänge gibt an, wie weit sich ein Wellenberg und ein Wellental der aufgezeichneten Schwingung erstreckt. Die Frequenz gibt an, wie oft in einer Sekunde eine vollständige Schwingung erfolgt. Harmonische Schwingungen finden wir überall dort, wo wir ein “Bim-Bam” mitsingen könnten. Bei Glocken, Schaukeln, Pendeln.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Schwingung#Harmonische_Schwingung
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Ein Pendel ist etwas, was hin- und herschwingt. Du kannst “bim-bam” dazu singen. Die Pendelbewegung, das ist etwas Regelmäßiges. Bim-Bam-Bim-Bam-Bim-Bam.
Du kannst das bei einer Schaukel tun. Bei einem Faden, an dem eine Masse hängt. Die schwingen hin und her – beide können wir als “Fadenpendel” bezeichnen, auch wenn bei einer Schaukel eigentlich kein Faden verwendet wird, sondern ein Seil oder eine Kette.
Es gibt nämlich noch eine zweite Art von Pendel: das Federpendel. Da schwingt etwas auf und ab, an einer Feder. Nicht die Feder eines Vogels ist gemeint, sondern dieser aufgewickelte Metalldraht, wie in einem Kugelschreiber. An so einer Feder kann man eine Masse befestigen, und wenn man die daran hängen lässt und die Masse anzupft, schwingt das Federpendel.
Wir sagen: beide Pendelbewegungen sind periodische Bewegungen. Sie haben eine bestimmte Schwingungsdauer – und eine bestimmte Frequenz, die sich aus der Schwingungsdauer ergibt. Eine Schwingungsdauer von 1/5 Sekunde bedeutet: 5 Schwingungen passen in eine Sekunde, die Schwingung hat 5 Hertz (Hz).
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Pendel
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Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Es gibt menschliche Probleme oder Wünsche, für die die Natur bereits eine Lösung gefunden haben. Für das Fliegen. Das effiziente Schwimmen. Für schillernde Farben. Oder für die Konstruktion von Brücken.
Man muss das Rad also nicht neu erfinden.
Das Ganze heißt Bionik: Eine Mischung aus Biologie und Technik.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bionik
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Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Wenn etwas so klein ist, besteht es aus wenigen bis zu wenigen Tausend Atomen oder Molekülen. Die Eigenschaften von Nanopartikeln sind anders, als größere Partikel (Teilchen). Sie können im menschlichen Körper oder in Lebewesen Effekte hervorrufen, die noch nicht vollständig bekannt sind. Natürlich soll der Nutzen größer sein, als das Risiko, wenn Nanopartikel für bestimmte Zwecke eingesetzt werden.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nanoteilchen
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Hier werden mehrere medizinische Themen angesprochen, die in Verbindung mit der Physik stehen.
Nanotechnologie – darunter wäre der Wunschtraum, kleine Roboter/Maschinen im Körper Untersuchungen machen zu lassen. Im Idealfall würden sie auch mit Reparaturen beauftragt werden können. Nano – das ist der Bereich von 1 Milliardstel Meter, die betrachteten Skalen sind also wirklich sehr klein.
Prothesen – das betrifft das Thema Biomaterialien. Materialien für die Natur. Lebewesen haben so gute Materialien für Knochen, Gelenke, Zähne, Muskeln, dass Prothesen, die von Menschen gemacht werden, im Nachteil erscheinen. Auf der anderen Seite sind Keramikkronen für Zähne, künstliche Gelenke, selbst Arme oder Beine, die mit Gedanken bewegt werden können, schon sehr weit entwickelt und der Stand der Technik geht durch Forschung rasch voran.
Ferrofluide – das sind Flüssigkeiten, die magnetisch sind. Man versucht sie in Krebszellen einzuschleusen, um sie danach in einem Magnetfeld zu erhitzen und zu zerstören. Das würde die Krebsbehandlung verbessern.
Links:
- Nanotechnologie: https://de.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie
- Prothesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Prothese
- Ferrofluide: https://de.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid
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Basics, Physik in Biologie und Medizin |
Homöopathie gehört eigentlich in den Gesundheitsbereich. Es ist für klassische Wissenschafter:innen klar, dass es keine Wirkmechanismen gibt, die eine Wirksamkeit dieser “Medikamente” erklären würde, vor allem in den hochverdünnten Darreichungsformen. Physikalisch ist in diesem Bereich also nichts zu tun. Oft sind die Wirkstoffe so stark verdünnt, dass rein rechnerisch keine Moleküle mehr im Alkohol oder in den Milchzuckerkügelchen sind. Befürworter der Homöopathie sagen – macht nichts, wirkt trotzdem. “Es gibt keine Studien”, die das belegen, sagen die Wissenschafter:innen. Und so ist die Homöopathie ein Beispiel dafür, wie sich Naturheilkunde und Wissenschaft diametral gegenüber auf unterschiedlichen Standpunkten befinden können, und was das für die oft auch politische Argumentation in Auseinandersetzungen bedeutet. Denn: sollen homöopathische Medikamente von der Krankenkasse bezahlt werden, auch wenn nicht wissenschaftlich nachgewiesen werden kann, dass sie bei Krankheit helfen? Der Placeboeffekt wird oft erwähnt, homöopathische Medikamente helfen, weil sich Patient:innen gut behandelt fühlen. Ein wichtiges Problem ist, dass bei homöopathischen Behandlungen unter Umständen Behandlungen mit evidenzbasierter Medizin nicht durchgeführt werden, die für die Genesung wichtig wären.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Homöopathie
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