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Physik-LK · Skript 1 · Schwingungen

Schwingungsgleichung und Zeiger

Ein Zeiger der Länge x dreht sich mit der Kreisfrequenz ω. Seine senkrechte Komponente ist die Auslenkung: x(t) = x · sin(ω t + φ0). Der Winkel ω t + φ0 heißt Phase. Hier siehst du, wie Länge, Drehgeschwindigkeit und Startwinkel des Zeigers die Kurve im x-t-Diagramm bestimmen.

So gehst du vor

  1. 1Ziehe die Zeigerspitze mit dem Finger: Die Länge ändert x, der Winkel ändert φ0. Die Kurve rechts folgt sofort.
  2. 2Stelle T am Regler ein und tippe „Start“. Die rote Komponente läuft als Punkt im Diagramm mit.
  3. 3Ziehe im Diagramm die Zeitmarke zu einem Zeitpunkt und lies darunter x, v und a ab.
  4. 4Schalte den zweiten Zeiger zu und vergleiche zwei Schwingungen gleicher Frequenz.
  5. 5Bei Schwingung X stellst du deinen Zeiger so ein, dass beide Kurven aufeinanderliegen. Erst dann auflösen.

Amplitude x

2,0 cm

Periodendauer T

2,0 s

Nullphasenwinkel φ0

0 °

Zeit t

0,00 s
Rechnung
ω = 2πT = 3,14 s−1, f = 1T = 0,50 Hz
x(t) = 2,0 cm · sin(3,14 s−1 · t + 0,00)
Zur Zeit t = 0,00 s:
x = 0,00 cm
v = x ω · cos(ω t + φ0) = 6,28 cms
a = −ω² x = 0,00 cms²
v = x ω = 6,28 cms, â = x ω² = 19,7 cms²

Das Skript schreibt beim losgelassenen Pendel x = x · cos(ω t). Das ist hier der Fall φ0 = 90°, denn sin(α + 90°) = cos(α). In die Formel gehört φ0 im Bogenmaß: 90° sind π2 ≈ 1,57.

Aufträge

  1. Stelle x = 2,0 cm, T = 2,0 s und φ0 = 0° ein. Wo steht der Zeiger nach T4, T2 und T? Lies jeweils x ab.
  2. Ein Pendel wird um x = 2,0 cm ausgelenkt und bei t = 0 losgelassen (T = 2,0 s). Welches φ0 gehört dazu? Berechne x und v zur Zeit 0,25 s und prüfe mit der Zeitmarke.
  3. Blende v und a ein. Wo ist v = 0, wo a = 0? Um welchen Bruchteil von T ist die v-Kurve gegen die x-Kurve verschoben?
  4. Verdopple zuerst x, dann statt dessen die Frequenz. Wie ändern sich v und â jeweils? Begründe mit den Formeln.
  5. Schalte den zweiten Zeiger zu. Stelle gleichphasig und gegenphasig ein. Wie liegen die Zeiger, wie die Kurven? Welche Phasendifferenz gehört zu einer Verschiebung um T8?
  6. Schwingung X: Lies aus der gestrichelten Kurve x, T und φ0 ab, stelle sie ein und löse danach auf. Gib die Schwingungsgleichung an.

Theorie: Schwingungs-Skript, Abschnitte „Der Zeiger: Kreisbewegung und Schwingung“ und „Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung“.