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Grundlegende Eigenschaften

Frage

Welche Aussagen über elektromagnetische Wellen sind wahr?

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Antwort

Zu den elektromagnetischen Wellen gehören Radiowellen, Licht, und auch Wasserwellen.

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Frage

Vervollständige:

  1. Elektrische Ladungen sind die Ursache von...
  2. Bewegte elektrische Ladungen sind die Ursache von...
  3. Beschleunigte Ladungen sind die Ursache für...
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Antwort

  1. Elektrische Ladungen sind die Ursache von elektrischen Feldern
  2. Bewegte elektrische Ladungen sind die Ursache von magnetischen Feldern
  3. Beschleunigte Ladungen sind die Ursache für die Abstrahlung von Energie als elektromagnetische Welle
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Frage

Erkläre den Begriff "elektromagnetische Welle"!

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Bei einer elektrogmagnetischen Welle handelt es sich um Schwingung aus elektrischen und magnetischen Feldkomponenten, die sich im Raum ausbreitet. Eine elektromagnetische Welle verändert sich also in Raum und Zeit.

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Frage

In der Optik geht es häufig um "elektromagnetische Wellen". Gibt es auch reine "elektrische" beziehungsweise reine "magnetische" Wellen?

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Nein, es gibt keine rein magnetischen oder rein elektrischen Wellen. Die beiden Feldkomponenten treten immer zusammen in einer Welle auf.

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Frage

Erläutere den Hertz'schen Dipol anhand einer Stabantenne.

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In einer Stabantenne befinden sich Elektronen. Werden die Elektron durch äußere Einwirkung (Oszillator) in Bewegung gesetzt, so gibt es Momente, in denen sich mehr Elektronen an einem Ende des Dipols befinden als am anderen Ende. Dies ist ein Dipol, der ein elektrisches Feld erzeugt.

Ist die Konzentration der Ladungsträger an den Enden des Dipols gleich, dann entsteht ein Strom, der ein magnetisches Wirbelfeld zur Folge hat (Thema "stromdurchflossener Leiter"). 

Durch den Oszillator gibt es also periodisch ein elektrisches und ein magnetisches Feld, insgesamt ein elektromagnetisches Feld.

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Frage

Fülle die Lücken aus:

In einem Herz'schen Dipol werden Ladungen durch einen ____ beschleunigt. Dies hat ein ____ Feld zur Folge. Im Allgemeinen gilt, dass ____ Ladungen elektromagnetische Felder hervorrufen.

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In einem Herz'schen Dipol werden Ladungen durch einen Oszillator beschleunigt. Dies hat ein elektromagnetisches Feld zur Folge. Im Allgemeinen gilt, dass beschleunigte Ladungen elektromagnetische Felder hervorrufen.

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Frage

Der dänische Professor Oersted hat im 19. Jahrhundert festgestellt, dass ein elektrischer Strom in unmittelbarer Nähe zu einen Kompass die Magnetnadel beeinflusst. Der Kompass verstellt sich bei eingeschalteten Strom. Was ist die Schlussfolgerung aus diesem Versuch? Kannst du die Ursache der Beeinflussung der Nadel begründen?

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Die Schlussfolgerung ist, dass es eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus geben muss.

Heute ist klar: Ein stromdurchflossener Leiter baut ein magnetischen Wirbelfeld auf, welches die Kompassnadel beeinflusst.

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Frage

Durch welche physikalische Entdeckung konnte der Generator überhaupt erst erfunden werden?

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Michael Faraday hat im 19. Jahrhundert die Induktion entdeckt: Eine sich in einem Magnetfeld drehende Leiterschleife erzeugt eine Spannung. Ein Generator ist so aufgebaut, dass er durch die Drehbewegung eine Spannung erzeugen kann (z.B. Windenergieanlagen).

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Frage

Warum ist ein elektrischer Dipol eine Quelle für elektromagnetische Felder?

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Antwort

In einem elektrischen Dipol ändert sich immer wieder die Stromrichtung. Das bedeutet, dass die Ladungsträger bei Änderung der Stromrichtung beschleunigt werden. Beschleunigte Ladungen verursachen ein elektromagnetisches Feld.

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Frage

An elektromagnetischen Wellen lassen sich folgende Phänomene beobachten:

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Antwort

Reflexion

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Frage

Was ist ein bedeutender Unterschied zwischen Schallwellen und elektromagnetischen Wellen?

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Schallwellen brauchen ein Medium, um sich auszubreiten. Elektromagnetische Wellen, wie z.B. Licht, brauchen kein Medium, sondern breiten sich auch im Vakuum aus.

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Frage

Elektromagnetische Wellen transportieren Energie. Mit welcher Geschwindigkeit passiert das im Weltall? Wie ändert sich die Geschwindigkeit, wenn elektromagnetische Wellen ein Medium durchdringen?

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Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus (Licht ist auch eine elektromagnetische Welle). In Medien, wie z.B. Glas oder Wasser, ist die Geschwindigkeit geringer und hängt vom Brechungsindex des Mediums ab.

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Frage

Beschreibe kurz, wie Synchrotronstrahlung entsteht und komme zu dem Schluss, dass es sich um elektromagnetische Strahlung handelt.

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Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger. Durch geeignete Magnetfelder werden geladene Teilchen in einer Kreisbahn gehalten und erfahren auf diese Weise eine Beschleunigung (ohne diese Beschleunigung würden die Teilchen geradeaus fliegen). Beschleunigte Ladungen geben Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. In einem Synchrotron wird diese Strahlung tangential zur Bewegungsrichtung der Teilchen abgestrahlt.

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Frage

In welchen Beispielen wird elektromagnetische Strahlung erzeugt?

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Ein schnelles Elektron (mind. 99% der Lichtgeschwindigkeit)

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Frage

Was ist eine Welle in der Physik? 

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Eine Welle ist in der Physik ein räumlich und zeitlich veränderliches Feld, das Energie, jedoch keine Materie, durch den Raum transportiert.

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Welche zwei verschiedene Arten von Wellen gibt es? 

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Man unterscheidet zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen.

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Frage

Wie nennt man die Art von Welle, die parallel zur Ausbreitungsrichtung schwingen? 

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Diese Art von Wellen nennt man Longitudinalwellen.

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Frage

Welche Eigenschaft besitzt eine Transversalwelle? 

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Transversalwellen schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. 

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Durch welche drei Faktoren kann man Wellen voneinander unterscheiden? 

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Die Amplitude, die Wellenlänge und die Ausbreitungsgeschwindigkeit sind Faktoren anhand derer Wellen voneinander unterschieden werden können. 

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Frage

Durch welche zwei Faktoren lassen sich die von Wellen erzeugten Schwingungen charakterisieren? 

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Die Frequenz und die Periodendauer charakterisieren die von Wellen erzeugten Schwingungen. 

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Frage

Was beschreibt die Amplitude und wie lässt sie sich am besten messen? 

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Die Amplitude beschreibt die maximale Auslenkung der Schwingungen der Welle. Man kann auch sagen, dass sich die Amplitude dort messen lässt, wo der Wellenberg am höchsten ist.

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Was ist die Wellenlänge? 

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Die Wellenlänge ist der Abstand zweier Punkte mit gleicher Phase. Zum Beispiel kann die Wellenlänge herausgefunden werden, wenn man sich den Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern anschaut.

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Wie kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle beschrieben und gemessen werden? 

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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle ist die Geschwindigkeit mit der sich eine bestimmte Phase fortbewegt. Auch hier kann zum Beispiel von einem Wellental oder Wellenberg ausgegangen werden, der dann für eine bestimmte Zeit beobachtet wird.


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Was ist die Periodendauer? 

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Die Periodendauer kann auch als Schwingungsdauer bezeichnet werden. Sie beschreibt die Zeit, die verstreicht, während ein schwingungsfähiges System genau eine Schwingungsperiode durchläuft. Eine Schwingungsperiode ist dann abgeschlossen, wenn sich die Welle also wieder im selben Schwingungszustand befindet wie zu Beginn.

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Frage

In welchem Verhältnis steht die Periodendauer zur Frequenz? 

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Der Kehrwert der Periodendauer ist die Frequenz. Es gilt: f= 1/T


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Frage

Was ist die Frequenz und in welcher Einheit wird sie gemessen? 

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Die Frequenz gibt die Anzahl der vollen Schwingungen pro Zeiteinheit an. Sie wird in Hertz gemessen, was auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz zurückgeht.


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Welcher physikalische Zusammenhang besteht zwischen der Wellenlänge einer Welle und der Frequenz ihrer Schwingung? 

Welche Beziehung ergibt sich dadurch für die Wellenlänge und die Periodendauer? 

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Die Wellenlänge und die Frequenz hängen wie folgt miteinander zusammen: 

lambda x f = v 

Setzt man für f also 1/T ein ergibt sich für lambda folgender Zusammenhang: 

lambda = v x T   

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Was besagt das Reflexionsgesetz? 

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Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel gleich groß sind.


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Wo spielt die Reflexion von Wellen im Alltag eine Rolle? Nenne drei Beispiele. 

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Die Reflexion von Wellen wird für Ultraschalluntersuchungen verwendet sowie für die Messung der Wassertiefe. Außerdem nutzen Fledermäuse die Wellenreflexion zur Orientierung. 

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Frage

Wo spielt die Reflexion von Wellen im Alltag eine Rolle? Nenne drei Beispiele. 

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Antwort

Die Reflexion von Wellen wird für Ultraschalluntersuchungen verwendet sowie für die Messung der Wassertiefe. Außerdem nutzen Fledermäuse die Wellenreflexion zur Orientierung. 

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Was passiert bei der Brechung von Wellen? 

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Wenn mechanische Wellen von einem Stoff in einen anderen Stoff übergehen, so verändern sie im Allgemeinen ihre Ausbreitungsrichtung. Sie werden also gebrochen. Dabei hängt die Richtung und die Stärke der Brechung vom Einfallswinkel sowie von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Stoffen ab. 

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Was ist die Beugung von Wellen? 

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Es kann auch passieren, dass Wellen auf einen Spalt oder eine Kante treffen. Sie breiten sich dann sozusagen um die Ecke aus. Diese Erscheinung wird als Beugung bezeichnet. 

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Frage

Was ist die Interferenz von Wellen? 

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Wellen gehen oftmals von verschiedenen Erregern aus. Sie können sich dann überlagern. In der Physik spricht man dabei auch von Interferenz.

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Wie kann die Phasenverschiebung noch genannt werden? 

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Die Phasenverschiebung kann auch Phasendifferenz oder Phasenlage genannt werden.

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Wann liegt eine Phasenverschiebung vor? 

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Eine Phasenverschiebung liegt vor, wenn zwei Sinusschwingungen gegeneinander in ihren Phasenwinkeln verschoben sind. 

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Was ist die Phase ϕ einer Welle? 

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Die Sinusschwingung einer Welle kann auch als Projektion einer Kreisbewegung verstanden werden. Der Winkel der Kreisbewegung wird dann als Phase ϕ der Welle bezeichnet. 

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Frage

Wie wird die Phase typischerweise angegeben und wie weit reicht eine Phase ? 

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Antwort

Typischerweise wird die Phase im Bogenmaß angegeben und reicht von 0 bis 2π.

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Frage

Was ist das Bogenmaß? 

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Die Angabe eines Winkels im Bogenmaß bezieht sich auf die Länge des dazugehörigen Kreisbogens im Einheitskreis. Der Einheitskreis ist einfach ein Kreis mit dem Radius r = 1. Der Vollwinkel im Bogenmaß entspricht dem Gesamtumfang des Einheitskreises und beträgt demnach 2π. 

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Frage

Was lässt sich die Phasenverschiebung definieren? 

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Die Phasenverschiebung gibt an, wie viel die Phasen zweier Wellen zueinander verschoben sind. Die Periodendauern beider Wellen stimmen zwar überein, die Zeitpunkte ihrer Nulldurchgänge jedoch nicht.

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Was ist eine konstante Phasenverschiebung? 

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Antwort

Zwei Wellen mit gleicher Geschwindigkeit und Frequenz haben eine konstante Phasenverschiebung, die nur von den Anfangsphasen abhängt. Hierbei ist also entscheidend, wo die Wellen jeweils starten. Nur bei unterschiedlichen Startpunkten kommt eine Phasenverschiebung zustande.

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Frage

Was ist eine variable Phasenverschiebung? 

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Bei der variablen Phasenverschiebung handelt es sich um zwei Wellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Frequenz. Hier kann es sein, dass beide Wellen denselben Startpunkt haben und dennoch eine Phasenverschiebung ausbilden, da sie sich nicht mit derselben Geschwindigkeit und Frequenz bewegen. 

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Frage

Was ist der Gangunterschied? 

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Antwort

Der Gangunterschied ist die Wegdifferenz zweier oder mehrerer Wellen.

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Wie kann die Wegdifferenz noch genannt werden? 

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Die Wegdifferenz kann auch als Wegunterschied bezeichnet werden. 

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Für welche wellentypische Erscheinung ist die Wegdifferenz entscheidend? 

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Die Wegdifferenz ist entscheidend für das Auftreten von Interferenzerscheinungen.

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Frage

Nenne die Formel für den Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung und Gangunterschied im Bogenmaß. 

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Die Formel im Bogenmaß :  Δϕ=Δs / λ⋅2π 

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Frage

Nenne die Formel für den Zusammenhang von Phasenverschiebung und Gangunterschied im Gradmaß. 

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Die Formel im Gradmaß:  Δϕ=Δs / λ⋅360°

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Frage

Durch welches Modell kann eine Phasenverschiebung unter Anderem veranschaulicht werden? 

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Eine Phasenverschiebung kann zum Beispiel in einem Zeigermodell veranschaulicht werden.

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Frage

Man betrachtet die Schwingung einer Welle als Projektion einer Kreisbewegung. Wie wird eine komplette Schwingung auf Hintergrund dieser Annahme veranschaulicht? 

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Antwort

Betrachtet man die Schwingungen einer Welle als Projektion einer Kreisbewegung, so entspricht eine komplette Schwingung einer Welle einer kompletten Kreisbewegung.

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Frage

In welchem Zusammenhang werden die Begriffe Phasenverschiebung und Gangunterschied in der Physik verwende? 

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Antwort

Der Begriff der Phasenverschiebung sowie des Gangunterschieds werden in der Physik allgemein im Zusammenhang mit periodischen Vorgängen, sowie zum Beispiel bei Wellen, verwendet. 

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Frage

Was ist eine physikalische Definition der Kohärenz? 

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Antwort

In der Physik beschreibt die Kohärenz die Eigenschaft von Wellen im dynamischen Verlauf einer gemeinsamen festen Regel zu folgen.

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