Schwingungen/Wellen (Physik 2), Photonics / Mobile Robotics, FH Graubünden, Thomas
Borer, 2024/25
Lernziele
Allgemein
- eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten
können.
- eine Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
- sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten
können.
- aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.
- Erkenntnisse in geeigneter Form beschreiben, darstellen und zusammenfassen können.
- experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
- Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich
dokumentieren können.
- physikalische Gesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
- Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer
Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
- die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
- eine einfachere Überschlagsrechnung ausführen können.
- einen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
Schwingungen
- wissen und verstehen, was eine Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Periodendauer und die Frequenz einer Schwingung sind und wie die beiden Grössen zusammenhängen.
- wissen und verstehen, dass Impuls eine mengenartige Grösse ist.
- wissen und verstehen, dass Impuls fliessen und gespeichert werden kann.
- die Grössen Impulsstromstärke und Impulsänderungsrate kennen und verstehen.
- die bei einer mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
- wissen, dass bei einer mechanischen Schwingung Impuls und Energie zwischen Teilsystemen hin und her fliessen.
- den Zusammenhang zwischen einer Kreisbewegung und der Schwingung eines Federschwingers kennen und verstehen.
- den zeitlichen Verlauf der Auslenkung eines Federschwingers von der Ruhelage kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, was die Amplitude und die Kreisfrequenz einer Schwingung eines Federschwingers sind.
- die Zusammenhänge zwischen Frequenz und Kreisfrequenz kennen und verstehen.
- die an einem Körper angreifenden Kräfte korrekt einzeichnen können.
- die Wirkung der an einem Körper angreifenden Kräfte mit Hilfe des Aktionsprinzips ausdrücken können.
- wissen, was eine harmonische Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Amplitude, die Anfangsphase und die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung sind.
- die Zusammenhänge zwischen Winkelgeschwindigkeit, Frequenz und Kreisfrequenz kennen und verstehen.
- die zeitlichen Verläufe von Ort, Geschwindigkeit, Impuls und Energie eines harmonischen Federschwingers kennen und deren Zusammenhänge verstehen.
- beurteilen können, ob eine Schwingung eine harmonische Schwingung ist oder nicht.
- wissen und verstehen, dass die Schwingung eines Federschwingers harmonisch ist.
- wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Federschwingers beeinflussen.
- wissen und verstehen, dass die Schwingung eines Pendels nicht harmonisch ist.
- wissen und verstehen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Pendels beeinflussen.
- die Analogie zwischen einer Drehschwingung und einer linearen Schwingung kennen und verstehen.
- wissen, dass die Schwingung eines Drehpendels harmonisch ist.
- wissen, welche Grössen und mit welcher Gesetzmässigkeit diese Grössen die Periodendauer eines Federschwingers beeinflussen.
- verstehen, wie eine Schwingung gedämpft werden kann.
- verstehen, wie ein mechanischer Dämpfer funktioniert.
- verstehen, dass alle natürlich ablaufenden Schwingungen gedämpft sind.
- wissen, wie die Stärke der Dämpfung die Bewegung eines Schwingers beeinflusst.
- die bei einer mechanischen, gedämpften Schwingung auftretenden Impuls- und Energieflüsse verstehen.
- wissen und verstehen, was bei einem gedämpften Schwinger der aperiodische Grenzfall ist.
- verstehen, was eine erzwungene Schwingung ist.
- wissen und verstehen, was die Eigenfrequenz eines Schwingers, ein Erreger und die Erregerfrequenz sind.
- die bei einer erzwungenen mechanischen Schwingung auftretenden Impuls- und
Energieflüsse verstehen.
- wissen und verstehen, dass bei einer erzwungenen Schwingung die im zeitlichen
Mittel vom Erreger zum Schwinger fliessende Energie im Dämpfer dissipiert
wird.
- wissen, von welchen Grössen die Energie abhängt, die bei einer
erzwungenen Schwingung im Dämpfer im zeitlichen Mittel dissipiert wird.
- wissen, dass eine erzwungene Schwingung einen Einschwingvorgang durchläuft.
- aus einem grafisch dargestellten zeitlichen Verlauf einer Schwingungsgrösse
den Einschwingvorgang und die stationäre Phase einer erzwungenen Schwingung
erkennen können.
- wissen, dass bei einer sinusförmig angeregten erzwungenen Schwingung
die Frequenz in der stationären Phase gleich gross ist wie die Erregerfrequenz.
- das Phänomen Resonanz kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, was eine Resonanzkurve ist.
- den qualitativen Verlauf einer Resonanzkurve kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, dass bei Resonanz der zeitlich gemittelte Energiestrom
vom Erreger zum Schwinger maximal ist.
- wissen und verstehen, von welchen Grössen die Resonanzfrequenz abhängt.
- wissen und verstehen, was ein Doppelschwinger, ein Mehrfachschwinger ist.
- wissen und verstehen, was eine Eigenschwingung, eine Eigenfrequenz eines Doppelschwingers, eines Mehrfachschwingers ist.
- das Spektrum eines Doppelschwingers, eines Mehrfachschwingers kennen und verstehen.
- wissen, dass ein N-fachschwinger N verschiedene Eigenfrequenzen hat und N verschiedene Eigenschwingungen ausführen kann.
- ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Schwingung eines Mehrfachschwingers aufstellen können.
- die Eigenschwingungen eines Mehrfachschwingers beschreiben und charakterisieren können.
- wissen, was die Grundschwingung und die Oberschwingungen eines schwingungsfähigen Systems sind.
- die bei der Bewegung eines Mehrfachschwingers auftretenden Impuls- und Energieflüsse kennen und verstehen.
Wellen
- verschiedene Typen von Wellen kennen.
- wissen und verstehen, wie eine Welle entsteht.
- wissen und verstehen, was der Träger einer Welle ist.
- die Bewegungen von Welle und Wellenträger unterscheiden können.
- wissen und verstehen, was eine Quer-/Transversalwelle und eine Längs-/Longitudinalwelle ist.
- wissen und verstehen, dass sich in Gasen nur Longitudinalwellen ausbreiten können.
- wissen und verstehen, dass sich in flüssigen und festen Körpern sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen ausbreiten können.
- wissen, wovon die Geschwindigkeit einer Welle abhängt.
- wissen und verstehen, dass der Wellenträger ein-, zwei oder dreidimensional sein kann.
- wissen und verstehen, was eine Wellenfront ist.
- wissen und verstehen, was eine lineare Welle, gerade Welle, Kreiswelle, ebene Welle und Kugelwelle ist.
- die Zusammenhänge zwischen Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz, Wellenlänge, Wellenzahl und Ausbreitungsgeschwindigkeit kennen und anwenden können.
- wissen und verstehen, was eine Sinuswelle bzw. eine harmonische Welle ist.
- die mathematische Beschreibung einer eindimensionalen Sinuswelle kennen, verstehen und anwenden können.
- wissen und verstehen, wie die Energiestromdichte und die Intensität definiert sind.
- den Zusammenhang zwischen der Intensität und der Amplitude einer Schwingungsgrösse kennen und anwenden können.
- für eine von einem punktförmigen Sender abgestrahlte Welle den Zusammenhang zwischen der Intensität und dem Abstand vom Sender kennen und verstehen.
- die allgemeine Form einer eindimensionalen Wellenfunktion kennen und verstehen.
- die eindimensionale Wellengleichung kennen und verstehen.
- das Phänomen Polarisation kennen und verstehen.
- den quantitativen Zusammenhang zwischen den Intensitäten von Licht vor und hinter einem Polarisationsfilter kennen, verstehen und anwenden können.
- das Phänomen der Dispersion kennen und verstehen.
- wissen, dass man bei der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle zwischen der Phasen- und der Gruppengeschwindigkeit unterscheidet.
- das Prinzip der ungestörten Überlagerung von Wellen kennen und verstehen.
- wissen und verstehen, was konstruktive und destruktive Interferenz ist.
- die Überlagerung zweier in gleiche Richtung bzw. gegeneinander laufender Wellen beschreiben können und verstehen.
- wissen und verstehen, was ein Gangunterschied ist.
- die Interferenz zweier schräg zueinander laufender gleicher Sinuswellen verstehen.
- ausgewählte einfachere Problemstellungen zur Interferenz bearbeiten können.
- wissen und verstehen, dass Kohärenz eine Voraussetzung für ein stationäres Interferenzbild ist.
- die verschiedenen Erklärungen von Kohärenz kennen und verstehen.
- das Phänomen Schwebung kennen und verstehen.
- die mathematische Beschreibung einer Schwebung kennen, verstehen und anwenden können.
- wissen, wie eine Welle an einem festen und freien Ende eines Wellenträgers reflektiert wird.
- verstehen, wie eine stehende Welle entsteht.
- eine stehende Welle auf einem eindimensionalen Wellenträger als Überlagerung zweier entgegenlaufender Wellen verstehen.
- Beispiele von stehenden Wellen kennen.
- eine Eigenschwingung auf einem eindimensionalen Wellenträger als Überlagerung zweier entgegenlaufender Wellen verstehen.
- verstehen, dass sich auf einem endlichen Wellenträger nur bei bestimmten Frequenzen eine stehende Welle bzw. eine Eigenschwingung bildet.
- den Zusammenhang zwischen der Länge eines eindimensionalen Wellenträgers und den Wellenlängen bzw. Frequenzen der möglichen Eigenschwingungen verstehen und anwenden können.
- die mathematische Beschreibung einer stehenden Welle bzw. Eigenschwingung kennen, verstehen und anwenden können.
- das Huygens’sche Prinzip kennen, verstehen und anwenden können.
- die Herleitung des Reflexions- und des Brechungsgesetzes mit Hilfe des Huygens’schen Prinzips verstehen.
- das Reflexionsgesetz und das Brechungsgesetz kennen und anwenden können.
- das Phänomen der Beugung kennen und mit Hilfe des Huygens’schen Prinzips erklären können.
- den Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Beugung einer Welle, der Wellenlänge und den Abmessungen des beugenden Objektes kennen.
- das Interferenzmuster bei der Beugung einer Welle an einem idealen Doppelspalt kennen und verstehen.
- die Interferenzbedingungen für das Auftreten konstruktiver und destruktiver Interferenz bei der Beugung von Licht an einem idealen Doppelspalt kennen und verstehen..
- den Doppler-Effekt kennen und verstehen.
- die Zusammenhänge zwischen gesendeter und wahrgenommener Frequenz beim Doppler-Effekt bei mechanischen Wellen verstehen und anwenden können.
- die Grössen Schallleistung, Schallintensität, Schallpegel und Lautstärke kennen.
- die Zusammenhänge zwischen den Grössen Schallleistung, Schallintensität, Schallpegel und Lautstärke kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
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