12 Der Ton (reine Schwingung): Ein Ton ist eine reine, sinusförmige Schwingung. Er hat eine bestimmte Höhe (Frequenz) und Lautstärke (Amplitude), aber keine Klangfarbe. Beispiel: Eine Stimmgabel erzeugt einen nahezu reinen Ton. Der Klang (zusammengesetzte Schwingung): Ein Klang ist eine Überlagerung mehrerer Töne. Er besteht aus dem Grundton und den Obertönen. Die Grundschwingung ruft den Grundton hervor, welcher die Tonhöhe festlegt. Die Oberschwingungen verursachen die Obertöne, welche die Klangfarbe festlegen. 13 Das Ohr reagiert auf Luftdruckveränderungen im Frequenzbereich von etwa 20Hz bis 20000Hz (20kHz) und nimmt Druckschwankungen zwischen 0,00002 bis 20 Pa wahr. Dieser Bereich verringert sich mit steigendem Alter. 14 Die Lautstärke, mit der wir einen Ton empfinden, ist abhängig von der Energie, welche die Schallwelle pro Sekunde an unser Ohr sendet. Ein geeignetes Maß, mit dem sich dieser Energietransport beschreiben lässt, ist die Schallintensität oder der Schall(druck)pegel. 15 Der Doppler-Effekt beschreibt im Allgemeinen die Änderung der Frequenz einer Welle, wenn sich Quelle Q und Beobachterin oder Beobachter B relativ zueinander bewegen. Bei Annäherung erhöht sich die Frequenz, bei Entfernung verringert sie sich. 16 Der dargestellte Ton zeigt eine gedämpfte Schwingung mit abnehmender Frequenz und Amplitude. Dies führt dazu, dass der Ton allmählich leiser und tiefer wird, bis er schließlich nicht mehr hörbar ist. 17 Im Luftraum oberhalb des Wassers bildet sich eine stehende Welle, deren Frequenz von der Länge der Luftsäule abhängt. Je mehr Wasser in der Flasche ist, desto kürzer wird die verbleibende Luftsäule und umso höher wird der Ton. 18a) Wird die Frequenz verdoppelt, so halbiert sich die Wellenlänge. b) Wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit verdoppelt, so verdoppelt sich die Wellenlänge. 19 Biologische Begriffe: 1. Stent, 2. Ablagerungen, 3. Gewebestruktur, 4. Rote Blutkörperchen Rechenaufgaben 1 Wenn man gemäß d = c·t die Schallgeschwindigkeit c (in Luft bei 20 °C beträgt sie ca. 340 m/s) mit der gemessenen Zeit t (in Sekunden) multipliziert, erhält man die Entfernung d in Metern. Da 340 Meter in etwa ein Drittel eines Kilometers ist, so entspricht die Entfernung in Kilometer ca. der gemessenen Zeit dividiert durch 3. 2 d ≈ 5 300 m 3a) Für 50 Hz: λ L,50Hz = 340 m/s __ 50 s −1 = 6,8 m Für 5 000 Hz (5 kHz): λ L, 5kHz = 340 m/s __ 5 000 s −1 = 0,068 m = 6,8 cm b) Für 50 Hz: λ W,50Hz = 1 480 m/s __ 50 s −1 = 29,6 m Für 5 000 Hz (5 kHz): λ W,5kHz = 1 480 m/s __ 5 000 s −1 = 0,296 m = 29,6 cm c) in Luft: λ L,440Hz = 340 m/s __ 440 s −1 ≈ 0,77m = 77cm in Wasser: λ W,440Hz = 1 480 m/s __ 440 s −1 ≈ 3,36 m 4 Um die benötigte Intensität I ′ zu erreichen, werden 10 identische Wecker benötigt, da sich die Intensitäten addieren. 5 d = 1 480 m/s·4 s ___ 2 = 2 960 m 6a) E kin = 1 _ 2 ·120 000 kg·(5, 56 m/s) 2 ≈ 1,85·10 6 J b) v = √ _____________ 2·1,85·10 6 kg·m 2/s 2 ____ 900 kg ≈ 64,2 m _ s (~ 231 km/h) c) Orientierung des Blauwals: Der Blauwal orientiert sich mithilfe des Echolotverfahrens (Echoortung). Er sendet Ultraschallwellen aus, die an Hindernissen reflektiert werden, und interpretiert die zurückkehrenden Echos, um Entfernungen abzuschätzen. 7 Die Saite muss bei 40cm gedrückt werden, um einen Grundton von 550Hz zu erhalten. 8 Das Auto hätte eine Geschwindigkeit von etwa 37,8 m/s bzw. 136 km/h. 9 a) Für eine Frequenzänderung von 50 Hz: v B,50Hz = 50 s −1·1 500 m/s ___ 2·(5·10 6) s −1 = 0,0075 m/s = 7,5 mm/s b) Für eine Frequenzänderung von 10 kHz: v B,10kHz = 10 000 s−1·1 500 m/s ___ 2·(5·10 6) s −1 = 1,5 m/s Elektrische Ströme 1 Ladung und Spannung, S. 85 Teste dein Wissen 2c) Man hält den negativen Stab nahe an das Elektroskop. Durch elektrische Kräfte werden die Elektronen abgestoßen. Mit kurzer Berührung der Zeiger leitet man die Elektronen ab. Entfernt man den Stab, dann ist das Elektroskop positiv geladen. 3b) Es war positiv geladen. 4a) Die Kugel bewegt sich auf die positive Platte zu 5 Beispielantwort: Wenn zwei unterschiedliche Metalle einander berühren, tritt eine Kontaktspannung auf: Die „unedleren“ Metalle geben leichter Elektronen ab als die „edleren“, so dass Elektronen fließen. Dies gilt auch, wenn die Metalle indirekt durch einen Metalldraht verbunden sind. Damit ein dauernder Strom fließt, müssen an der negativen Elektrode laufend Elektronen freigesetzt und an der positiven „entsorgt“ werden. Dies wird durch chemische Reaktionen des Elektrodenmaterials (z. B. Metallplatten) mit weiteren (säurehaltigen) Substanzen ermöglicht. Die säurehaltigen Zwischenlage zwischen den beiden Platten wirkt somit als Elektrolyt und ermöglicht den Ladungsausgleich durch Ionenwanderung. Die frei gesetzte elektrische Energie kann genutzt werden. 6 Beispielantwort: Amalgam ist eine Quecksilberlegierung und damit unedler als Gold. In Verbindung mit dem Speichel als Elektrolyt bildet dies eine galvanische Zelle und es fließt dadurch im Mund ständig ein (kleiner) elektrischer Strom. Dieser Strom verursacht eine elektrochemische Reaktion, welche das Amalgam zersetzen und dadurch Quecksilber im Mund freisetzen kann. Weil Quecksilber giftig ist, führt dies nicht nur zu Reizungen, sondern kann auch schwerwiegendere gesundheitliche Folgen haben. 7 Die Abbildung 85.1 zeigt den Effekt eines Van-de-Graaff-Generators (Bandgerenator) in Aktion. Die Haare der Person stehen aufgrund der gleichartigen elektrischen Ladungen, die sie durch Berührung der Metallkugel erhalten hat, voneinander ab. Dies wird durch die elektrische Abstoßung der gleichartigen (positiven) Ladungen verursacht. Rechenaufgaben 1a) Der E-PKW kann bei einer Batterieladung von 44kWh und Normverbrauch etwa 259km und der B-PKW bei einer Tankfüllung von 40 Liter und Normverbrauch etwa 714 km weit fahren. b) Der B-PKW benötigt für 100km zusätzliche 33,4 Kilowattstunden an Energie. Dies entspricht einem Mehrverbrauch von etwa 196,5 Prozent im Vergleich zum E-PKW. 2 Der Stromkreis, S. 93 Teste dein Wissen 1c) U = I·R 2c) Elektrische Leitung ohne Widerstand unterhalb einer bestimmten, sehr tiefen Temperatur. 3 Wärmeenergie: Beispiele: Heizgeräte wie ein E-Herd, Wasserkocher oder elektrische Heizungen Lichtenergie: Beispiele: Glühbirnen, LED-Lampen, Laser, Fernseher/Monitore Bewegungsenergie: Beispiele: Elektromotoren in Ventilatoren, Elektrofahrzeugen, Triebwerken Schallenergie: Beispiele: Lautsprecher oder Klingeln Chemische Energie: Beispiele: Elektrolyse oder Laden von Batterien 4 Unter dem elektrischen Widerstand R versteht man das Verhältnis der Spannung U zwischen den Enden des Leiters zur Stärke des Stroms I im Leiter: R = U/I Die entsprechende Einheit des Widerstands ist Ohm (Ω): Ω = 1 V/A 5 Der spezifische Widerstand ρ ist eine temperaturabhängige Materialkonstante, die angibt, wie stark ein Material den Stromfluss hemmt, unabhängig von der Form oder Größe des Leiters. Er wird durch Messungen bei konstanter Temperatur bestimmt und tritt in folgender Formel R = ρ· I _ A als Proportionalitätskonstante zwischen dem Widerstand R und den geometrischen Abmessungen auf. Bei Halbleitern sinkt in der Regel der Widerstand beim Erwärmen, weil bei höherer Temperatur die Atome des festen Halbleiters leichter Elektronen abgeben und dadurch mehr Ladungsträger für die Stromleitung verfügbar sind. Bei metallischen Leitern steigt der Widerstand bei Erhöhung der Temperatur, da die Atome stärker schwingen und den Stromfluss behindern. Umgekehrt sinkt der Widerstand von Metallen, je tiefer die Temperatur wird. Rechenaufgaben 1a) I = U _ R ges = 230 V _ 11 V/A ≈ 20,9 A b) Der Spannungsabfall in den Zuleitungen beträgt 20,9 V und 209,1 V am Motor. 2 I = U _ R = 12 V __ 60 V/A = 0,2 A 3 R = U _ I = 230 V _ 12 A ≈ 19,17 Ω 4 I = U _ R Mensch = 12 V __ 10·10 4 V/A = 1,2·10 −4 A = 0,12 mA 3 Elektrische Energieversorgung, S. 101 Teste dein Wissen 1c) Wenn man keinen weiteren Widerstand parallel schaltet. 2a) Wenn man noch einen großen Widerstand hinzufügt. 3a) Von seiner Länge, b) Von seiner Dicke und c) Vom Material. 4b) Es fließt (fast) kein Strom. 132 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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