Wellen in der Physik: Definition, Typen, Formeln

Wellen sind Störungen, die sich durch den Raum ausbreiten, ohne Materie zu transportieren, nur Energie.

Das Element, das eine Welle verursacht, wird als Quelle bezeichnet, zum Beispiel erzeugt ein Stein, der in das Wasser eines Flusses geworfen wird, kreisförmige Wellen.

Kreiswellen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit

Beispiele für Wellen sind: Meereswellen, Radiowellen, Schall, Licht, Röntgen, Mikrowelle und andere.

Der Teil der Physik, der Wellen und ihre Eigenschaften untersucht, wird als wellenförmig bezeichnet.

Welleneigenschaften

Zur Charakterisierung der Wellen verwenden wir folgende Größen:

• Amplitude: entspricht der Höhe der Welle, gekennzeichnet durch den Abstand zwischen dem Gleichgewichtspunkt (Ruhepunkt) der Welle und dem Wellenberg. Beachten Sie, dass der „Kamm“ den maximalen Punkt der Welle anzeigt, während das „Tal“ den minimalen Punkt darstellt.
• Wellenlänge: Durch den griechischen Buchstaben Lambda (λ) dargestellt, ist dies der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tälern oder Kämmen.
• Geschwindigkeit: dargestellt durch den Buchstaben (v), die Geschwindigkeit einer Welle hängt von dem Medium ab, in dem sie sich ausbreitet. Wenn also eine Welle ihr Ausbreitungsmedium ändert, kann sich ihre Geschwindigkeit ändern.
• Frequenz: dargestellt durch den Buchstaben (f), im internationalen System wird die Frequenz in Hertz (Hz) gemessen und entspricht der Anzahl der Wellenschwingungen in einem bestimmten Zeitintervall. Die Frequenz einer Welle hängt nicht vom Ausbreitungsmedium ab, sondern nur von der Frequenz der Quelle, die die Welle erzeugt hat.
• Zeitverlauf: dargestellt durch den Buchstaben (T), die Periode entspricht der Zeit einer Wellenlänge. Im internationalen System ist die Einheit zur Messung der Periode Sekunden (s).

Arten von Wellen

Wie für die Natur, es gibt zwei Arten von Wellen:

• Mechanische Wellen: Zur Ausbreitung benötigen mechanische Wellen ein materielles Medium, zum Beispiel Schallwellen und Wellen an einer Schnur.
• Elektromagnetische Wellen: In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass es ein materielles Medium gibt, damit sich die Welle ausbreitet, zum Beispiel Funkwellen und Licht.

Wellenklassifizierung

Gemäß Wellenausbreitungsrichtung, sie werden eingeteilt in:

• Eindimensionale Wellen: Wellen, die sich in eine Richtung ausbreiten.
  Beispiel: Wellen an einem Seil.
• zweidimensionale Wellen: Wellen, die sich in zwei Richtungen ausbreiten.
  Beispiel: Wellen, die sich auf der Oberfläche eines Sees ausbreiten.
• dreidimensionale Wellen: Wellen, die sich in alle möglichen Richtungen ausbreiten.
  Beispiel: Schallwellen.

Wellen können auch klassifiziert werden nach Schwingungsrichtung:

• Longitudinalwellen: Quellenschwingung ist parallel zur Wellenverschiebung.
  Beispiel: Schallwellen

• Transversalwellen: die Schwingung steht senkrecht zur Wellenausbreitung.
  Beispiel: auf einer Schnur winken.

Formeln

Zusammenhang zwischen Periode und Frequenz

Die Periode ist der Kehrwert der Frequenz.

So:

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit kann auch als Funktion der Frequenz berechnet werden, wobei die Periode durch den Kehrwert der Frequenz ersetzt wird.

Wir haben:

Beispiel

Welche Periode und Ausbreitungsgeschwindigkeit hat eine Welle mit einer Frequenz von 5 Hz und einer Wellenlänge von 0,2 m?

Da die Periode der Kehrwert der Frequenz ist, gilt:

Um die Geschwindigkeit zu berechnen, verwenden wir die Wellenlänge und die Frequenz wie folgt:

Wellenförmige Phänomene

Reflexion

Eine Welle, die sich in einem bestimmten Medium ausbreitet, wenn sie auf ein Hindernis trifft, kann Reflexion erleiden, d. h. die Ausbreitungsrichtung umkehren.

Bei Reflexion ändern sich Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz der Welle nicht.

Ein Beispiel ist, wenn eine Person in einem Tal schreit und einige Sekunden später das Echo seiner Stimme hört.

Durch Lichtreflexion können wir unser eigenes Bild auf einer polierten Oberfläche sehen.

Bild spiegelt sich in der ruhigen Oberfläche eines Sees

Brechung

Brechung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn eine Welle das Ausbreitungsmedium ändert. In diesem Fall kann es zu einer Änderung des Geschwindigkeitswertes und der Ausbreitungsrichtung kommen.

Wellen an einem Strand brechen aufgrund des Brechungsphänomens parallel zum Ufer. Durch die Änderung der Wassertiefe (Ausbreitungsmedium) ändert sich die Richtung der Wellen und macht sie parallel zum Ufer.

Beugung

Die Wellen gehen um Hindernisse herum. Wenn dies geschieht, sagen wir, dass die Welle gebeugt wurde.

Durch Beugung können wir beispielsweise eine Person auf der anderen Seite einer Wand hören.

Beim Durchfahren eines Hindernisses werden die Wellen ausgebreitet.

Interferenz

Wenn sich zwei Wellen treffen, tritt eine Wechselwirkung zwischen ihren Amplituden auf, die als Interferenz bezeichnet wird.

Interferenzen können konstruktiv (erhöhte Amplitude) oder destruktiv (verringerte Amplitude) sein.

stehende Wellen

Stehende Wellen entstehen durch Überlagerung gleicher periodischer Wellen und aus entgegengesetzten Richtungen.

Wenn konstruktive und destruktive Interferenz auftritt, präsentieren sie Punkte, die vibrieren und andere, die nicht vibrieren.

Wir können stehende Wellen auf einer Saite mit festen Enden erzeugen, wie beispielsweise die Saiten einer Gitarre.

Alles wissen über:

• Schallwellen
• Schallgeschwindigkeit
• Lichtgeschwindigkeit
• Energie
• Gravitationswellen
• Physikalische Formeln

Übungen zur Aufnahmeprüfung

1. (ENEM - 2016)

Das Elektrokardiogramm, ein Test zur Beurteilung des Herzzustands eines Patienten, ist eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens über einen bestimmten Zeitraum. Die Abbildung zeigt das Elektrokardiogramm eines ausgeruhten, nicht rauchenden erwachsenen Patienten in einer angenehmen Temperaturumgebung. Unter diesen Bedingungen gilt eine Herzfrequenz zwischen 60 und 100 Schlägen pro Minute als normal.

Anhand des vorgelegten Elektrokardiogramms wird festgestellt, dass die Herzfrequenz des Patienten

nicht normal.
b) über dem Idealwert
c) unter dem Idealwert
d) nahe der unteren Grenze
e) nahe der Obergrenze

Siehe Antwort

Alternative c) unter dem Idealwert

2. (ENEM 2013)

Bei Flugreisen werden Passagiere gebeten, alle Geräte auszuschalten, deren Betrieb mit dem Aussenden oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen verbunden ist. Das Verfahren dient dazu, Strahlungsquellen zu eliminieren, die den Funkverkehr der Piloten mit dem Kontrollturm stören könnten.

Die Eigenschaft der emittierten Wellen, die das gewählte Verfahren rechtfertigt, ist die Tatsache, dass

a) haben entgegengesetzte Phasen
b) beide hörbar sein
c) haben inverse Intensitäten
d) gleich groß sein
e) haben nahe Frequenzen

Siehe Antwort

Alternative e) haben nahe Frequenzen

3. (ENEM 2013)

Eine häufige Manifestation von Fans in Fußballstadien ist der mexikanische Ola. Die Zuschauer einer Linie stehen und sitzen synchron mit denen der benachbarten Linie, ohne ihren Platz zu verlassen und ohne sich seitlich zu bewegen. Der kollektive Effekt breitet sich über die Stadionzuschauer aus und bildet eine fortschreitende Welle, wie in der Abbildung gezeigt.

Es wird geschätzt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser „menschlichen Welle“ 45 km/h beträgt und dass jede Schwingungsperiode 16 Personen umfasst, die aufstehen und ordentlich sitzen und einen Abstand von 80 cm voneinander haben.
In diesem mexikanischen Ola ist die Wellenfrequenz in Hertz ein Wert, der näher an

a) 0,3
b) 0,5
c) 1,0
d) 1,9
e) 3,7

Siehe Antwort

Alternative c) 1.0