Wellentypen [Physikunterricht]

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====== Wellentypen ======

===== Lernziele =====

  * Sie kennen die 3 wesentlichen Wellentypen und können dazu jeweils mindestens ein Beispiel nennen

===== Die verschiedenen Wellentypen =====

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{{ :schwingungen-wellen:pfuetze.jpg?200|}}
Vermutlich denken Sie an eine **Oberflächenwelle**, wenn Sie an eine Welle denken. Sie sehen solche an der Wasseroberfläche auf Seen, Fliessgewässer und Ozeane. Diese beobachten Sie auch, wenn es in eine Pfütze regnet.

Es ist unschwer zu erkennen, dass diese Oberflächenwellen eine schier unendliche Vielfalt aufweisen. Wir können Sie in diesem Kurs nicht genauer untersuchen. Sie müssen Sie lediglich als solche erkennen.
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In Raum drin, also nicht beim Übergang zwischen unterschiedlichen Medien, können 2 unterschiedliche Wellenarten beobachtet werden: die Transversal- und die Longitudinalwelle.

Bei der **Transversalwelle** erfolgen die einzelnen Schwingungen quer zur Ausbreitungsrichtung. Beachten Sie, dass sich die einzelnen Schwinger (in der Abbildung als rote Punkte dargestellt) nicht nach links bewegen, sondern nur rauf und runter. Sie können sonst gerne ein Blatt Papier auf den Bildschirm halten, so dass der rote Punkt sich entlang des Blattrands bewegt. Sie werden dadurch meine Aussage leicht überprüfen können.

{{ :schwingungen-wellen:transversal.gif }}

Typische Vertreter der Transversalwellen sind elektromagnetische Wellen (Licht, WLAN und andere kabellose Übertragungen). Sie sind nicht an Materie gebunden und können sich auch in Vakuum ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischen Wellen in Vakuum ist gleich, und entspricht der Lichtgeschwindigkeit $c =$ 299'792'458 m/s.

Die Auslenkung der einzelnen Schwingungen erfolgt bei der **Longitudinalwelle** in Richtung der Wellenausbreitung. Beachten Sie, dass sich auch hier die einzelnen Teilchen nicht die ganze Zeit nach links bewegen, sondern nur am gleichen Ort schwingen.

{{ :schwingungen-wellen:longitudinal.gif }}

Als Beispiel wäre hier Schall zu nennen. Da bei einer Longitudinalwelle etwas verdichtet werden muss (deshalb heisst sie auch Druckwelle), kann sie sich nur in einem Material (Gas, Flüssigkeit oder Festkörper) ausbreiten und nicht in Vakuum. In Luft breitet sich Schall bei Zimmertemperatur mit ca. 340 m/s aus.

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=== Frage ===
Suchen Sie in Ihrer Formelsammlung die Tabelle mit dem Spektrum der elektromagnetischen Wellen. Welche Wellenlänge haben Mikrowellen?
++++ Antwort |
1 mm bis 3 cm
++++
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==== Ein Beispiel aus der Geografie: Erdbebenwellen ====

Das oberste Bild hinter der Überschrift zeigt die Aufzeichnung eines Seismografen. Damit werden die Erschütterungen der Erde gemessen. Ziel ist es, damit Erdbeben zu lokalisieren und den Aufbau der Erde zu erkunden.

Den Seismografen erreichen zuerst die sog. Primärwellen (oder P-Wellen). Es handelt sich dabei um Longitudinalwellen, die sich im Erdinnern (fest und flüssig) ausbreiten. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit variiert zwischen 5 und 13 km/s. Als zweites erreichen die Sekundärwellen (oder S-Wellen) die Messstation. Sie sind wie die P-Wellen sog. Raumwellen, die sich im Erdinnern fortbewegen. Im Gegensatz zu den P-Wellen können sie sich nicht in Flüssigkeiten (Magma oder Wasser der Ozeane) ausbreiten. Ihre Geschwindigkeit ist nur halb so gross wie diejenige der P-Wellen.

An der Oberfläche werden ebenfalls Erdbebenwellen beobachtet. Diese sind für die zerstörerischen Auswirkungen eines Erdbebens verantwortlich. Es werden nebst vielen Varianten die Rayleigh- und die Love-Wellen unterschieden. Im Gegensatz zu den Raumwellen breiten sie sich nur relativ langsam aus und erreichen als Letzte den Seismografen.

{{ :schwingungen-wellen:erdbebenwellen.png }}

Die Aufzeichnung mehrerer Seismografen erlaubt es, das Erdbeben zu lokalisieren. Aus der Differenz der Laufzeiten zwischen den P- und S-Wellen kann die Distanz des Erdbebenherds (Epizentrum) zur Station bestimmt werden. Das Epizentrum muss sich auf der Kugeloberfläche mit der berechneten Distanz als Radius befinden. Im Raum genügen 4 Stationen, um das Epizentrum zu lokalisieren: Denn 2 Kugeln schneiden sich in einem Kreis. Eine weitere Kugel schneidet diesen Kreis in zwei Punkten. Die letzte Kugel liefert den Ort des Epizentrums.

{{ :schwingungen-wellen:seismograf.png }}

In der Schweiz sind starke Erdbeben eher selten. Es gibt jedoch Gebiete, bei denen häufiger Erdbeben auftreten. Auf der Karte unten, sehen Sie eine deutliche Häufung im Wallis (rot zeigt eine höhere Gefahr an). Auch Basel zeigt eine gewisse Gefährdung auf. Wie Sie sehen ist Zürich eher nicht gefährdet. Trotzdem werden Gebäude auch in Zürich erdbebensicher gebaut.

{{ :schwingungen-wellen:erdbebenkarte.png }}