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Stehende Wellen

SchulversuchSchwingungen und WellenKlasse 11Fortgeschritten

Worum geht es?

Läuft eine gegen ihr reflektiertes Echo, überlagern sich beide zu einer stehenden Welle: Orte dauerhafter Ruhe (Knoten) wechseln mit Orten maximaler (Bäuchen), und nichts läuft mehr sichtbar. Auf einem beidseitig gehaltenen Band gelingt das nur bei bestimmten , den Eigenfrequenzen: Genau dann passen Halbwellen restlos zwischen die festen Enden. Der Versuch erzeugt die ersten Eigenschwingungen und macht aus den Knotenabständen ein Messverfahren für Wellenlänge und .

Warum macht man dieses Experiment?

Stehende sind die Klangquelle fast aller Musikinstrumente (Saiten und Pfeifen haben eigene ) und der Grund, warum Gitarrensaiten Töne statt Rauschen liefern: Nur die Eigenfrequenzen überleben. Zugleich liefert der Knotenabstand das bequemste Lineal der Wellenphysik, λ/2 zum Abmessen: die Grundlage der Wellenlängenbestimmung bis hin zur Mikrowelle im Küchengerät.

Die physikalische Idee

Ein Gummiband (oder eine Schnur) ist zwischen Vibrationsgenerator und Festpunkt gespannt. Der ( vom Funktionsgenerator einstellbar) schickt laufende , das feste Ende reflektiert sie: Bei den Eigenfrequenzen entsteht das stehende Bild. Knoten zählen, Abstände messen, mit der Frequenz zur verrechnen.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Die Mathematik der schwingenden Saite lösten Bernoulli, d'Alembert und Euler im 18. Jahrhundert: der Geburtsort der Wellengleichung. Melde machte stehende ab 1859 zum Standard-Demonstrationsversuch: unser Aufbau trägt seinen Namen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Wellenlänge und Geschwindigkeit bestimmen

Bestimme aus den Knotenabständen der stehenden die Wellenlänge und daraus mit der Erregerfrequenz die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Band.

Gesucht

  • — Wellenlänge (in )

    Das Doppelte des gemessenen Knotenabstands: das λ/2-Lineal der stehenden Welle.

Bekannt

  • — Erregerfrequenz (in )

    Vom Funktionsgenerator abgelesen.

Berechnet

  • — Ausbreitungsgeschwindigkeit (in )

    c=λ⋅fc = \lambda \cdot f: die Zielgröße, über mehrere Eigenschwingungen gegengeprüft.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Das Messprinzip: Zwischen benachbarten Knoten steckt eine halbe Wellenlänge.Zur Formelsammlung
  • Die Grundgleichung der Wellen: verbindet das gemessene λ mit der bekannten Frequenz zur Geschwindigkeit.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Stelle nacheinander die 2., 3. und 4. Eigenschwingung ein, miss jeweils die Knotenabstände, berechne λ\lambda und cc, und prüfe die Konstanz von cc. Untersuche danach: Wie ändert stärkere Bandspannung die ?

2Vorbetrachtung

Warum genau λ/2 zwischen den Knoten? Knoten sind die Orte dauerhafter Auslöschung von Hin- und Rückwelle; zwischen zwei Auslöschungsorten liegt zwingend ein Verstärkungsort, und das Muster wiederholt sich alle halbe (die Interferenzbedingungen springen im λ/2-Takt). Die stehende Welle legt der Welle also ein Lineal an: Knotenabstand mal zwei gleich Wellenlänge. Bequemer ist λ nirgends zu messen.

Die Konstanz-Prüfung: cc gehört dem Band (, Massebelag), nicht der Anregung. Alle Eigenschwingungen desselben Bandes müssen dasselbe cc liefern: höhere , entsprechend kürzere Wellenlänge, das Produkt bleibt. Die Erwartung bei f2=25 Hzf_2 = 25\ \mathrm{Hz} und d=0,60 md = 0{,}60\ \mathrm{m}: c=1,2⋅25=30 m/sc = 1{,}2 \cdot 25 = 30\ \mathrm{m/s}.

3Geräte / Stoffe

Knotenpositionen am Maßstab ablesen (Knoten sind scharf: die ruhigen Punkte); über mehrere Knotenabstände mitteln.

  • Vibrationsgenerator mit Funktionsgenerator

    Erregt das Band mit einstellbarer, ablesbarer : die Suchgröße der Eigenschwingungen.

  • Gummiband/Schnur mit Spannvorrichtung

    Der Wellenträger; die bestimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit.

  • Maßstab

    Misst Schwinglänge und Knotenabstände.

  • Stroboskop (optional)

    Zeigt in Zeitlupe, dass die „stehende“ Form aus Auf- und Abschwingen der Bäuche besteht.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Das Band in der 3. Eigenschwingung mit vermessenen Knotenpositionen; λ als Doppelpfeil über zwei Knotenabstände.

Stellen, die stillstehen, und Stellen, die tobenKnotenBauchλ / 2Die Welle läuft nicht mehr, sie steht

Die stehende : Knoten (dauerhaft in Ruhe) und Bäuche (maximale ) im festen Abstand. Zwischen zwei Knoten liegt genau eine halbe Wellenlänge.

Nur was an beiden Enden einen Knoten hatEingespannte Saite, gleiche Länge.Grundtonf1. Oberton2 f2. Oberton3 fDie Mischung dieser Töne ist die Klangfarbe.Die Einspannung wählt die Frequenzen aus

Die Eigenschwingungen des beidseitig festen Bandes: Grundschwingung (ein Bauch), erste Oberschwingung (zwei Bäuche), zweite (drei). Es passen nur ganze Halbwellen zwischen die Enden.

Aufbau: Gummiband bzw. Schnur (Schwinglänge L = 1,20 m) zwischen Vibrationsgenerator und Stativklemme; Funktionsgenerator mit Frequenzanzeige; Maßstab entlang des Bandes.

5Durchführung

Schritt 1: 2. Eigenschwingung (25 Hz) einstellen; alle Knotenpositionen ablesen, mittleren Abstand bilden.

Schritt 2: Ebenso für die 3. (37,6 Hz) und 4. (50,1 Hz).

Schritt 3: Bandspannung deutlich erhöhen, neue Grundfrequenz suchen: Wie hat sich cc geändert?

6Beobachtung

Knotenabstände und Auswertung (L=1,20 mL = 1{,}20\ \mathrm{m})
Eigenschwingungff in HzKnotenabstand in m\mathrm{m}λ\lambda in m\mathrm{m}c=λfc = \lambda f in m/s\mathrm{m/s}
  1. (2 Bäuche)
25,00,601,2030,0
  1. (3 Bäuche)
37,60,400,8030,1
  1. (4 Bäuche)
50,10,300,6030,1

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

Mit stark erhöhter liegt die Grundschwingung bei etwa 18 statt 12,5 Hz: Die ist auf rund 43 m/s43\ \mathrm{m/s} gestiegen.

7Auswertung

Das Verfahren trägt: Alle drei Eigenschwingungen liefern dasselbe c=30 m/sc = 30\ \mathrm{m/s}: und tauschen sich exakt gegenläufig, ihr Produkt ist die Bandkonstante. Damit ist zweierlei gezeigt: die Grundgleichung c=λfc = \lambda f als Messwerkzeug, und die Zuverlässigkeit des λ/2-Lineals.

Der Spannungs-Test bestätigt die Erwartung aus dem Wellenarten-Experiment: Straffer gespannt reicht das Band die Störung schneller weiter (cc von 30 auf 43 m/s). So stimmen Musiker ihre Saiten; die Spannschraube stellt cc und damit die ganze Frequenzleiter.

Ausblick Messtechnik: Dasselbe Rezept vermisst unhörbare und unsichtbare Wellen: Schall im Rohr (Resonanz-Luftsäulen-Experiment) und sogar Mikrowellen. Bei der Schokoladentafel im Ofen ohne Drehteller sind die Schmelzflecken Bäuche im λ/2-Abstand von etwa 6 cm, und c=0,12⋅2,45 GHz≈3⋅108 m/sc = 0{,}12 \cdot 2{,}45\ \mathrm{GHz} \approx 3 \cdot 10^8\ \mathrm{m/s}: Lichtgeschwindigkeit aus der Küche.

8Fazit

Die Knotenabstände liefern die (λ = 2·d), und über c=λfc = \lambda f folgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit: konstant 30 m/s30\ \mathrm{m/s} über drei Eigenschwingungen, wachsend mit der Bandspannung. Die stehende Welle ist das Präzisionslineal der Wellenmessung.

9Fehlerbetrachtung

Das Verfahren ist genau; seine Restfehler sitzen an den Rändern:

Endknoten unscharf (Erregerseite)eher systematisch

Ursache

Der bewegte Generatoranschluss ist nur ein Fast-Knoten.

Auswirkung

Die äußeren Abstände sind leicht verzerrt.

Verbesserung

Nur innere Knotenabstände verwenden (so durchgeführt).

Knotenposition am zappelnden Bandeher zufällig

Ursache

Auch Knoten wackeln minimal (Dämpfung, Nachbarresonanzen).

Auswirkung

±5 mm je Ablesung: 1 bis 2 Prozent in λ.

Verbesserung

Über mehrere Abstände mitteln; Foto mit Maßstab.

Frequenzanzeige des Generatorseher systematisch

Ursache

Einfache weichen um Prozente ab.

Auswirkung

Der Fehler wandert eins zu eins in cc.

Verbesserung

per Oszilloskop oder Zählermessung gegenprüfen.

Das Wichtigste

Entstehung

Laufende plus reflektierte Gegenwelle: An festen Orten löschen sie sich dauerhaft (Knoten), dazwischen verstärken sie sich (Bäuche). mit sich selbst.

Das λ/2-Lineal

Benachbarte Knoten liegen λ/2\lambda/2 auseinander: Knotenabstände messen heißt messen.

Eigenfrequenzen

Beidseitig fest heißt L=n⋅λ/2L = n \cdot \lambda/2, also fn=n⋅c2Lf_n = n \cdot \tfrac{c}{2L}: nur ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz, die harmonische Leiter der Musik.

Messanwendung

c=λ⋅fc = \lambda \cdot f aus Knotenbild und Generatorfrequenz: die Standardmethode für Wellengeschwindigkeiten (Seil bis Mikrowelle).

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