Schwingungen/Wellen (Physik 2), Photonics / Mobile Robotics, FH Graubünden, Thomas Borer, 2023/24

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine bekannte oder neue Problemstellung selbstständig bearbeiten und in einer Gruppe diskutieren können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse und Fähigkeiten erarbeiten können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form darstellen und zusammenfassen 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 experimentellen Aufbau skizzieren können.
• experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
• aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen 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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