Wellen, Schall & Optik: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Kostenlose Übungsaufgaben zu Wellen, Schall & Optik mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: Wellengeschwindigkeit, Schallpegel und Brechung, stehende Wellen, Linsen und Doppler, Interferenz, Gitter, Spiegel und Glasfasern.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
λ = ?

Licht mit einer Wellenlänge von 650 nm im Vakuum tritt in Wasser (n = 1,33) ein. Bestimme seine Wellenlänge λ im Material.

n = 1,33λ0 = 650 nm
nm
Nächste Aufgabe →
Wellen, Schall & Optik kostenlos übenWellen, Schall & Optik jetzt übenJeden Tag 5 kostenlose Aufgaben. Keine Kreditkarte nötig.

Was du übst

  1. LeichtWellengeschwindigkeit, Schallpegel und Brechung
  2. Mittelstehende Wellen, Linsen und Doppler
  3. SchwerInterferenz, Gitter, Spiegel und Glasfasern

So löst du Aufgaben zu Wellen, Schall & Optik

  1. Erkenne die Art der Aufgabe: Wellengeschwindigkeit, Schallpegel, stehende Welle, Doppler, Brechung, Linse oder Spiegel oder Interferenz.
  2. Schreibe zuerst die Beziehung hin: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) oder n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Rechne die Einheiten um: nm, mm und cm in m, und prüfe, ob Winkel von der Normalen aus gemessen werden.
  4. Prüfe Vorzeichen und Plausibilität: Ein virtuelles Bild hat dᵢ < 0, eine sich nähernde Quelle klingt höher, eine geschlossene Pfeife hat nur ungerade Harmonische.

Häufige Fehler

  • Winkel von der Oberfläche statt von der Normalen aus messen.
  • 20·log für Intensitäten verwenden oder Dezibel direkt addieren.
  • Die Quellgeschwindigkeit in der Doppler-Formel in den Zähler setzen.
  • Die Vorzeichenkonvention für Zerstreuungslinsen und Wölbspiegel weglassen.
  • Die höchste Gitterordnung auf die nächste ganze Zahl statt nach unten runden.

Wichtige Formeln

Wellengeschwindigkeit
v = fλ, T = 1/f
Saite
v = √(T/μ), μ = m/L
Schallpegel
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Punktquelle
I = P/(4πr²)
Stehende Wellen
Saite oder offene Pfeife fn = n·v/(2L); geschlossene Pfeife fn = n·v/(4L), n ungerade
Doppler-Effekt
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Brechzahl
n = c/v, λ = λ0/n
Snelliussches Brechungsgesetz
n1sin θ1 = n2sin θ2
Grenzwinkel
sin θc = n2/n1
Glasfaser
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Linsen und Spiegel
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Doppelspalt
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Gitter
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Einzelspalt
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Wellen, Schall & Optik von Grund auf lernen

Davor: Federn & Pendel

1Was eine Welle ist

Eine Welle transportiert Energie von Ort zu Ort, ohne Materie mitzutragen: Das Medium schwingt nur. Auf einer Saite oder auf Wasser ist die Bewegung transversal (quer zur Ausbreitungsrichtung); Schall in Luft ist longitudinal (in Ausbreitungsrichtung).

λAv = fλ

Die Wellenlänge λ ist die Länge eines vollen Zyklus, die Periodendauer T die Zeit eines Zyklus und die Frequenz f = 1/T. In einer Periode legt die Welle eine Wellenlänge zurück, also:

v = fλ Saite: v = √(T/μ), μ = m/L

Schall in Luft breitet sich mit etwa 343 m/s aus, Licht mit c = 3,00 × 10⁸ m/s. Die Geschwindigkeit hängt vom Medium ab, nicht von der Frequenz.

Selbsttest Ein Schall von 686 Hz breitet sich mit 343 m/s aus. Wie groß ist seine Wellenlänge?
  1. 0,002 m
  2. 0,5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Antwort: 0,5 m. λ = v/f = 343/686 = 0,5 m. Teilt man andersherum, erhält man 2 m, und Multiplizieren ergibt eine riesige Zahl.

2Schallpegel und Doppler-Effekt

Unsere Ohren reagieren auf die Intensität I (W/m²) auf einer logarithmischen Skala, daher wird die Lautstärke in Dezibel angegeben:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Die zehnfache Intensität addiert 10 dB; zwei gleiche Quellen addieren etwa 3 dB. Eine kleine Quelle verteilt ihre Leistung über eine Kugel, I = P/(4πr²), also senkt der doppelte Abstand den Pegel um etwa 6 dB.

Wenn sich Quelle und Hörer annähern, steigt die Tonhöhe; wenn sie sich entfernen, sinkt sie (Doppler-Effekt):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Verwende die oberen Vorzeichen für eine Bewegung aufeinander zu. Die Geschwindigkeit des Hörers steht im Zähler, die der Quelle im Nenner.

3Stehende Wellen

An beiden Enden einer Saite reflektierte Wellen überlagern sich zu einer stehenden Welle. Eine an beiden Enden eingespannte Saite hat an den Enden Knoten und fasst ganze halbe Wellenlängen:

n = 1n = 2n = 3
L = nλ/2 fₙ = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, …

Eine an beiden Enden offene Pfeife folgt derselben Regel. Eine einseitig geschlossene Pfeife hat am geschlossenen Ende einen Knoten und am offenen Ende einen Bauch, also passen nur ungerade Harmonische: fₙ = n·v/(4L) mit n = 1, 3, 5, …

Selbsttest Eine einseitig geschlossene Pfeife hat ihre Grundfrequenz bei 100 Hz. Welche dieser Frequenzen kann sie ebenfalls erzeugen?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Antwort: 300 Hz. Eine geschlossene Pfeife hat nur ungerade Harmonische: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz bräuchte n = 2, was eine geschlossene Pfeife nicht enthalten kann.

4Brechung und Linsen

Licht wird in Glas oder Wasser um den Faktor n = c/v langsamer (die Brechzahl). An einer Grenzfläche ändert der Strahl seine Richtung (Snelliussches Brechungsgesetz), wobei die Winkel von der Normalen aus gemessen werden:

θ₁θ₂n₁n₂ > n₁
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ Grenzwinkel: sin θc = n₂/n₁

Beim Übergang von einem dichteren in ein dünneres Medium wird jenseits von θc alles Licht reflektiert (Totalreflexion). Glasfasern leiten Licht auf diese Weise.

FFd₀dᵢ

Dünne Linsen und gekrümmte Spiegel gehorchen einer Gleichung, mit dem Abbildungsmaßstab m = −dᵢ/d₀:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

Vorzeichen: f > 0 für eine Sammellinse und einen Hohlspiegel (f = R/2), f < 0 für eine Zerstreuungslinse und einen Wölbspiegel. Ein positives dᵢ ist ein reelles Bild, ein negatives dᵢ ein virtuelles; m < 0 bedeutet, dass das Bild auf dem Kopf steht.

5Interferenz und Beugung

Licht aus zwei schmalen Spalten im Abstand d überlagert sich auf einem Schirm im Abstand L. Wo der Gangunterschied d·sin θ ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, addieren sich die Wellen: helle Streifen.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Ein Beugungsgitter hat viele Spalte: N Linien pro mm bedeuten d = 1/N mm. Seine Maxima sind scharf und weit auseinander, und die höchste Ordnung ist das größte ganze m mit m ≤ d/λ. Ein Einzelspalt der Breite a hat dunkle Streifen bei a·sin θ = mλ, sein zentrales Maximum ist also 2λL/a breit.

6Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Gegenstand steht 30 cm vor einer Sammellinse mit f = 10 cm. Bestimme die Bildweite und den Abbildungsmaßstab.

1

Linsengleichung

1/dᵢ = 1/f − 1/d₀ = 1/10 − 1/30 = 2/30

Also ist dᵢ = 15 cm.

2

Art des Bildes

dᵢ ist positiv, also ist das Bild reell: Es entsteht auf der anderen Seite der Linse und lässt sich auf einem Schirm auffangen.

3

Abbildungsmaßstab

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0,5

Das Bild steht auf dem Kopf und ist halb so groß wie der Gegenstand.

4

Kontrolle mit einer Skizze

Ein Strahl parallel zur Achse wird auf der anderen Seite durch F gebrochen; ein Strahl durch die Mitte geht geradeaus. Sie schneiden sich 15 cm hinter der Linse, unterhalb der Achse.

Antwort

dᵢ = 15 cm und m = −0,5: ein reelles, umgekehrtes Bild von halber Größe.

Selbsttest Ein Gegenstand steht 5 cm vor einer Sammellinse mit f = 10 cm. Welche Art von Bild entsteht?
  1. Kein Bild: Die Strahlen verlassen die Linse parallel
  2. Reell und aufrecht, auf derselben Seite
  3. Reell und umgekehrt, auf der anderen Seite
  4. Virtuell und aufrecht, auf derselben Seite wie der Gegenstand

Antwort: Virtuell und aufrecht, auf derselben Seite wie der Gegenstand. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, also dᵢ = −10 cm: Eine negative Bildweite bedeutet ein virtuelles Bild, und m = +2 bedeutet aufrecht und vergrößert. So funktioniert eine Lupe.

7Häufige Fehler und Prüfungsfragen

  • Winkel von der Oberfläche statt von der Normalen aus messen.
  • 10·log für Amplituden oder 20·log für Intensitäten verwenden: Intensitäten verwenden 10·log.
  • Einer geschlossenen Pfeife gerade Harmonische zuschreiben.
  • Das Minuszeichen eines virtuellen Bildes oder einer Zerstreuungslinse weglassen.
  • Vergessen, nm, mm und cm bei Interferenzaufgaben in Meter umzurechnen.
  • Leicht: v = fλ, Wellen auf Saiten, Schallpegel, das Snelliussche Brechungsgesetz und die Lichtgeschwindigkeit in einem Material.
  • Mittel: stehende Wellen auf Saiten und in Pfeifen, der Grenzwinkel, dünne Linsen, der Doppler-Effekt und das quadratische Abstandsgesetz.
  • Schwer: Doppelspalte, Gitter, Einzelspalte, Spiegel, Zwei-Linsen-Systeme, Echos von bewegten Objekten und Glasfasern.

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
λ = 0,343 mv = ?f = 1 kHz

Eine Schallwelle in Luft hat eine Frequenz von 1 kHz und eine Wellenlänge von 0,343 m. Bestimme ihre Geschwindigkeit v.

f = 1 kHzλ = 0,343 m

Gesucht: v (m/s)

Tipps anzeigen
  1. Die Welle legt in einer Periode T = 1/f eine Wellenlänge zurück.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Wellen: Eine periodische Welle legt in einer Periode eine Wellenlänge zurück, also v = fλ mit T = 1/f. Auf einer gespannten Saite ist v = √(T/μ), wobei T die Spannkraft und μ = m/L die Masse pro Meter ist. Schall in Luft breitet sich bei 20 °C mit etwa 343 m/s aus, Licht im Vakuum mit c = 3,00 × 10⁸ m/s. Die Lautstärke wird auf einer logarithmischen Skala gemessen: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB mit I₀ = 10⁻¹² W/m², sodass die zehnfache Intensität 10 dB addiert. Eine Punktquelle verteilt ihre Leistung P über eine Kugel: I = P/(4πr²).

Wellengeschwindigkeit

v = fλ = 1000·0,343 = 343 m/s

Antwort

v = 343 m/s
Beispiel 2Mittel
L = ?n = 3

Eine an beiden Enden offene Pfeife soll ihre Schwingung „3. Harmonische“ bei 686 Hz haben. Die Schallgeschwindigkeit beträgt 343 m/s. Bestimme die Länge L der Pfeife.

v = 343 m/sn = 3f3 = 686 Hz

Gesucht: L (m)

Tipps anzeigen
  1. f = n·v/(2L).
  2. Löse nach L auf.
  3. λ = v/f = 0,5 m.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Stehende Wellen und Doppler-Effekt: Eine an beiden Enden eingespannte Saite oder eine an beiden Enden offene Pfeife fasst ganze halbe Wellenlängen: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Eine einseitig geschlossene Pfeife hat am geschlossenen Ende einen Knoten und am offenen Ende einen Bauch: L = nλ/4 mit nur ungeraden n, fn = n·v/(4L). Bewegen sich Quelle oder Beobachter entlang der Verbindungslinie, gilt f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): Verwende die oberen Vorzeichen für eine Bewegung aufeinander zu. Zwei Wellen fast gleicher Frequenz schweben mit |f₁ − f₂|.

Wellenlänge

λ = v/f = 343/686 = 0,5 m

Länge

L = nλ/2 = 3·0,5/2 = 0,75 m

Antwort

L = 0,75 m
Beispiel 3Schwer
θa​ = ?n1​ = 1,52n2​ = 1,49n0​ = 1,00

Eine Glasfaser hat einen Kern mit n₁ = 1,52 und einen Mantel mit n₂ = 1,49. Bestimme den größten Winkel θa zur Faserachse, unter dem Licht aus der Luft in das Faserende eintreten und noch durch Totalreflexion geführt werden kann.

n1 = 1,52n2 = 1,49n0 = 1,00

Gesucht: θa (°)

Tipps anzeigen
  1. Im Kern muss der Strahl mindestens unter dem Grenzwinkel auf den Mantel treffen: sin θc = n₂/n₁.
  2. An der Eintrittsfläche gilt sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0,0903.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Geometrische Optik: An einer Grenzfläche gilt n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (Snelliussches Brechungsgesetz), wobei die Winkel von der Normalen aus gemessen werden und n = c/v. Beim Übergang in ein langsameres Medium wird der Strahl zur Normalen hin gebrochen. Aus einem dichteren Medium (n₁ > n₂) wird jenseits des Grenzwinkels θc = arcsin(n₂/n₁) alles Licht reflektiert: Totalreflexion. Dünne Linsen und Kugelspiegel gehorchen 1/f = 1/do + 1/di mit dem Abbildungsmaßstab m = −di/do. Vorzeichenkonvention: f > 0 für eine Sammellinse und einen Hohlspiegel (f = R/2), f < 0 für eine Zerstreuungslinse und einen Wölbspiegel; di > 0 für ein reelles Bild, di < 0 für ein virtuelles, und m < 0 für ein umgekehrtes Bild.

Grenzwinkel am Mantel

sin θc = 1,49/1,52 = 0,9803 → θc = 78,6°

Numerische Apertur

NA = √(1,52² − 1,49²) = 0,3005

Akzeptanzwinkel

θa = arcsin(0,3005) = 17,49°

Antwort

θa = 17,49°

Fragen und Antworten

Wellen, Schall & Optik: Worum geht es?

Eine Welle transportiert Energie von Ort zu Ort, ohne Materie mitzutragen: Das Medium schwingt nur. Auf einer Saite oder auf Wasser ist die Bewegung transversal (quer zur Ausbreitungsrichtung); Schall in Luft ist longitudinal (in Ausbreitungsrichtung).

Die Wellenlänge λ ist die Länge eines vollen Zyklus, die Periodendauer T die Zeit eines Zyklus und die Frequenz f = 1/T. In einer Periode legt die Welle eine Wellenlänge zurück, also:

Wellen, Schall & Optik: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?
  1. Erkenne die Art der Aufgabe: Wellengeschwindigkeit, Schallpegel, stehende Welle, Doppler, Brechung, Linse oder Spiegel oder Interferenz.
  2. Schreibe zuerst die Beziehung hin: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) oder n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Rechne die Einheiten um: nm, mm und cm in m, und prüfe, ob Winkel von der Normalen aus gemessen werden.
  4. Prüfe Vorzeichen und Plausibilität: Ein virtuelles Bild hat dᵢ < 0, eine sich nähernde Quelle klingt höher, eine geschlossene Pfeife hat nur ungerade Harmonische.
Wellen, Schall & Optik: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Winkel von der Oberfläche statt von der Normalen aus messen.
  • 20·log für Intensitäten verwenden oder Dezibel direkt addieren.
  • Die Quellgeschwindigkeit in der Doppler-Formel in den Zähler setzen.
  • Die Vorzeichenkonvention für Zerstreuungslinsen und Wölbspiegel weglassen.
  • Die höchste Gitterordnung auf die nächste ganze Zahl statt nach unten runden.
Wellen, Schall & Optik: Was wird geübt?
  • Leicht: Wellengeschwindigkeit, Schallpegel und Brechung
  • Mittel: stehende Wellen, Linsen und Doppler
  • Schwer: Interferenz, Gitter, Spiegel und Glasfasern

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