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Schwingungen und Wellen - 3B Scientific

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<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

Lieferumfang des Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Ultraschallwellen<br />

1 US-Pen ....................................................... 1<br />

1 Halter für US-Pen ........................................ 2<br />

1 Halterfuß für US-Pen................................... 3<br />

3 Klemmstücke für Strahlteiler ....................... 4<br />

1 Mikrofonsonde ............................................ 5<br />

2 Ultraschallsender 40 kHz ........................... 6<br />

1 Betriebsgerät US ......................................... 7<br />

1 Fresnel’sche Zonenplatte ........................... 8<br />

2 Seitenteile für Doppelspalt/ Reflektoren ..... 9<br />

1 Mittelsteg für Doppelspalt ..........................10<br />

1 Ultraschallabsorber ...................................11<br />

1 Klemmstück für Doppelspalt ......................12<br />

2 Strahlteiler..................................................13<br />

1 Hohlspiegel ...............................................14<br />

1 Steckernetzgerät .......................................15<br />

2 BNC-Kabel, 1 m ........................................16<br />

1 Kabel BNC/ 4 mm .....................................17<br />

1


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Lieferumfang<br />

Mechanische <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

1 Gr<strong>und</strong>platte................................................ 18<br />

1 Querstange................................................ 19<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde.............. 20<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong><br />

Innengewinde ............................................ 21<br />

2 Dynamische Kraftsensoren ....................... 22<br />

1 Betriebsgerät MEC .................................... 23<br />

1 Stabmagnet ............................................... 24<br />

1 Stoppuhr.................................................... 25<br />

1 Gliedermaßstab......................................... 26<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g ........................ 27<br />

1 Exzentermotor............................................28<br />

1 Rolle mit Hanfbindfaden ............................29<br />

1 Fadenöse ...................................................30<br />

2 Doppelmuffen.............................................31<br />

2 Schraubenfedern II ....................................32<br />

2 Schraubenfedern I .....................................33<br />

1 Induktionsspule..........................................34<br />

1 Kurzschlussring..........................................35<br />

1 Magnethaken .............................................36<br />

1 Gummiseil ..................................................37<br />

<strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH ▪ Rudorffweg 8 ▪ 21031 Hamburg ▪ Deutschland ▪ www.3bscientific.com<br />

Technische Änderungen vorbehalten, © Copyright 2013 <strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH


<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

Komponenten des Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Betriebsgerät US<br />

13<br />

12 11 10<br />

9<br />

12V AC<br />

Δϕ AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

1 2 3 4 5 6 7 8<br />

1 Schalter S1<br />

2 Eingang Kanal B<br />

3 Schalter S2<br />

4 Ausgang Kanal B<br />

5 Frequenzsteller des Generators G2<br />

6 Amplitudensteller des Generators G2<br />

7 Schalter S3<br />

8 Ausgänge des Generators G2<br />

9 Ausgänge des Generators G1<br />

10 Amplitudensteller des Generators G1<br />

11 Hohlbuchse für Steckernetzgerät<br />

12 Ausgang Kanal A<br />

13 Eingang Kanal A<br />

Das Betriebsgerät US dient zur Speisung der<br />

Ultraschallsender, zur Verstärkung der Signale<br />

aus den Mikrofonsonden oder dem US-Pen<br />

sowie zur Ansteuerung des Phasenzeigers im<br />

US-Pen.<br />

Die Betriebselektronik besteht aus einem<br />

zweiteiligen Generatorblock <strong>und</strong> einem zweikanaligen<br />

Verstärkerblock, der eine Funktionseinheit<br />

zum Phasenvergleich zwischen beiden<br />

Kanälen enthält.<br />

Im Generatorblock werden die Wechselspannungen<br />

für die Ultraschallsender erzeugt. Der<br />

Generator G1 wird durch einen Schwingquarz<br />

auf 40,000 kHz stabilisiert, während an G2<br />

eine zwischen 25 <strong>und</strong> 40 kHz umschaltbare<br />

<strong>und</strong> zusätzlich um ca. ± 0,5 % variierbare Frequenz<br />

zur Verfügung steht. Beide Generatoren<br />

verfügen jeweils über einen Amplitudensteller<br />

<strong>und</strong> zwei parallel geschaltete Ausgangsbuchsen.<br />

1


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Komponenten<br />

Im Verstärkerblock werden die elektrischen<br />

Spannungen der Ultraschallsonden verstärkt<br />

<strong>und</strong> auf die BNC-Buchsen geschaltet. Für beide<br />

Kanäle kann ein Hochpass zugeschaltet<br />

werden, um niederfrequente Schallanteile auszufiltern.<br />

Den Eingangsverstärkern folgt eine Funktionsgruppe,<br />

die die Signale der Kanäle A <strong>und</strong> B<br />

vergleicht <strong>und</strong> in einem der Phasendifferenz<br />

proportionalen Gleichstrom wandelt. Dieser<br />

Strom wird über die Eingangsbuchse des Kanals<br />

A auf den US-Pen geführt. Beträgt die<br />

Phasendifferenz ein Vielfaches von 360°<br />

leuchtet die LED des US-Pen nur minimal.<br />

Generator G1:<br />

Frequenz:<br />

40,000 kHz,<br />

quarzstabilisiert<br />

Amplitude:<br />

einstellbar<br />

Ausgang:<br />

2 BNC-Buchsen,<br />

parallel geschaltet<br />

Generator G2:<br />

Frequenzbereich 1: ca. 38 … 42 kHz<br />

Frequenzbereich 2: ca. 24 … 26 kHz<br />

Frequenzbereiche: umschaltbar<br />

Amplitude:<br />

einstellbar<br />

Ausgang:<br />

2 BNC-Buchsen,<br />

parallel geschaltet<br />

Verstärker (Kanal A <strong>und</strong> B):<br />

Eingangswiderstand: 10 kΩ<br />

Vorspannung: 8 V<br />

Verstärkung ca. 100<br />

Ausgangswiderstand: 1 kΩ<br />

Frequenzbereich: 2 kHz … 43 kHz<br />

(± 3dB) mit Hochpass<br />

2 Hz … 43 kHz<br />

(± 3dB) ohne Hochpass<br />

Eingänge:<br />

Klinkenbuchse<br />

Ausgänge:<br />

BNC-Buchse<br />

Phasenvergleich zwischen A <strong>und</strong> B:<br />

Ansteuerstrom<br />

für US-Pen<br />

0 …15 mA (DC)<br />

Einkopplung auf B: Generatorsignal G1,<br />

Generatorsignal G2<br />

oder abgeschaltet<br />

Allgemeine Daten:<br />

Ultraschallsender 40 kHz<br />

Zur Auflage auf dem Arbeitstisch ausgelegter<br />

Ultraschallsender mit bündig zur Austrittsöffnung<br />

angeordnetem Ultraschallwandler in<br />

quadratischem Aluminiumrohr. Schwach ausgeprägte<br />

Resonanzkennlinie zum Betrieb im<br />

Frequenzbereich 1 des Generator G2 oder bei<br />

der festen Frequenz 40,000 kHz.<br />

Hinweis: Der Frequenzbereich 2 der Betriebselektronik<br />

US kann nur mit einem separaten<br />

Wandler abgestrahlt werden, der nicht zum<br />

Lieferumfang des SW-Pakets gehört.<br />

Eingangsspannung: 20 V AC RMS/<br />

70 Vpp max.<br />

Impedanz:<br />

> 500 Ω<br />

Schalldruck:<br />

110 dB bei 10 V<br />

Bandbreite:<br />

> 7 kHz / -90 dB<br />

Frequenz:<br />

40 kHz (±1 kHz)<br />

Anschluss:<br />

BNC-Stecker<br />

Abmessungen: ca. 20 x 20 x 60 mm³<br />

Kabellänge:<br />

ca. 1 m<br />

Mikrofonsonde<br />

Warnhinweis: Der Wandler in der Mikrofonsonde<br />

ist empfindlich gegen Feuchtigkeit <strong>und</strong><br />

mechanischen Einwirkungen.<br />

• Wandler keinen mechanischen Belastungen<br />

aussetzen <strong>und</strong> nicht in Kontakt mit<br />

Flüssigkeiten gelangen lassen.<br />

Zur Auflage auf dem Arbeitstisch ausgelegte<br />

Mikrofonsonde mit unmittelbar an der Eintrittsöffnung<br />

angeordnetem Wandler in dünnem<br />

Metallrohr.<br />

Frequenzbereich: 1 Hz bis 43 kHz<br />

Ausgang:<br />

Signal für<br />

Kanäle A oder B<br />

Anschluss:<br />

Klinkenstecker 3,5 mm<br />

(Spitze)<br />

Kabellänge:<br />

ca. 1 m<br />

Abmessungen: ca. 6 mm x 150 mm<br />

Masse:<br />

ca. 25 g<br />

Stromversorgung:<br />

Abmessungen:<br />

Masse:<br />

12 V AC, 500 mA<br />

aus Steckernetzgerät<br />

ca. 100x140x45 mm³<br />

ca. 500 g<br />

2


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Komponenten<br />

US-Pen<br />

Warnhinweis: Der Wandler im US-Pen ist<br />

empfindlich gegen Feuchtigkeit <strong>und</strong> mechanischen<br />

Einwirkungen.<br />

• Wandler keinen mechanischen Belastungen<br />

aussetzen <strong>und</strong> nicht in Kontakt mit<br />

Flüssigkeiten gelangen lassen.<br />

Ultraschallsonde mit eingebautem Wandler<br />

<strong>und</strong> zusätzlichem Phasenzeiger in Form einer<br />

LED, deren Stromansteuerung aus den Signalspannungen<br />

A <strong>und</strong> B in der Betriebselektronik<br />

generiert wird. Die Helligkeit der LED<br />

wird auf ein Minimum reduziert, wenn die Phasendifferenz<br />

zwischen dem Messpunkt <strong>und</strong><br />

einem ausgewählten Bezugspunkt ein Vielfaches<br />

von 360° ist.<br />

Eingang Phasenzeiger<br />

(nur aus Kanal A): 0 … 15 mA (DC)<br />

Frequenzbereich: 1 Hz bis 43 kHz<br />

Ausgang:<br />

Signal für<br />

Kanäle A oder B<br />

Anschluss:<br />

Klinkenstecker 3,5 mm<br />

Eingang: Ring<br />

Ausgang: Spitze<br />

Kabellänge:<br />

ca. 1 m<br />

Abmessungen: ca. 10 mm x 150 mm<br />

Masse:<br />

ca. 32 g ohne Halter<br />

Halter <strong>und</strong> Halterfuß für US-Pen<br />

Der US-Pen kann in der Hand gehalten <strong>und</strong><br />

geführt oder zur weitgehenden Vermeidung<br />

von störenden Reflexionen im Halter für US-<br />

Pen aufgebaut werden.<br />

Der US-Pen wird im Halter so ausgerichtet,<br />

dass seine Öffnung etwa 1mm über der Tischebene<br />

liegt <strong>und</strong> zur Ultraschallquelle weist.<br />

Seitenteile für Doppelspalt/ Reflektoren<br />

Profilstücke zum Aufbau eines Doppel- bzw.<br />

Einzelspalts oder zur Verwendung als einzelne<br />

Reflektoren bzw. Spiegel.<br />

Abmessungen: ca. 100 x 20 x 50 mm³<br />

Mittelsteg für Doppelspalt<br />

Profilstück zum Aufbau eines Doppelspalts<br />

Abmessungen: ca. 20 x 20 x 50 mm³<br />

Klemmstück für Doppelspalt<br />

Klemmstück zur Stabilisierung des Doppelbzw.<br />

Einzelspaltes.<br />

Aufbau <strong>und</strong> Stabilisierung eines Doppelspalts<br />

Strahlteiler<br />

Teilweise durchlässig <strong>und</strong> teilweise reflektierend<br />

aus perforiertem Kunststoff.<br />

Abmessungen: ca. 100 x 20 x 60 mm³<br />

Klemmstück für Strahlteiler<br />

Klemmstück zur seitlichen Abstützung eines<br />

aufgestellten Strahlteilers.<br />

Vertikale Aufstellung eines Strahlteilers<br />

Hohlspiegel<br />

Für den Halbraum über der Tischebene ausgelegter<br />

Hohlspiegel aus klarem Kunststoff.<br />

US-Pen im Halter mit Fuß<br />

Brennweite:<br />

Krümmungsradius:<br />

Abmessungen:<br />

100 mm<br />

200 mm<br />

ca. 140 x 20 x 70 mm³<br />

3


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Komponenten<br />

Fresnel’sche Zonenplatte<br />

Für den Halbraum über der Tischebene ausgelegte<br />

Fresnel’sche Zonenplatte aus Kunststoff.<br />

Brennweite:<br />

35 mm<br />

Abmessungen: ca. 140 x 20 x 50 mm³<br />

Ultraschallabsorber<br />

Komponente zur Demonstration der Schalldämmung<br />

oder zur Unterdrückung von Direktschall<br />

zwischen Sender <strong>und</strong> Mikrofonsonde in<br />

einigen Experimenten.<br />

Oberfläche:<br />

Flauschtextil<br />

Abmessungen: ca. 80 x 15 x 50 mm³<br />

Betriebsgerät MEC<br />

Δϕ AB<br />

12V AC<br />

5<br />

10<br />

Motor<br />

1<br />

f<br />

9<br />

2<br />

3<br />

4<br />

A<br />

B<br />

C<br />

8<br />

7<br />

6<br />

1 Regler für die Drehzahl des Motors<br />

2 Eingang Kanal A (Kraftsensor)<br />

3 Eingang Kanal B (Kraftsensor)<br />

4 Eingang Kanal C (Induktionsspule)<br />

5 Ausgang der Phasenstufe Δφ AB<br />

6 Ausgang Kanal C<br />

7 Ausgang Kanal B<br />

8 Ausgang Kanal A<br />

9 Ausgang für Motorspannung<br />

10 Hohlbuchse für Steckernetzgerät<br />

Das Betriebsgerät MEC dient zur Speisung<br />

des Exzentermotors, zur Verstärkung der Signale<br />

aus den dynamischen Kraftsensoren <strong>und</strong><br />

der Induktionsspule sowie zur Auswertung der<br />

Phasenbeziehung zwischen Kanal A <strong>und</strong> B.<br />

Die Ausgänge A, B <strong>und</strong> C <strong>und</strong> Δφ AB sind zum<br />

Anschluss an Oszilloskope oder andere Messgeräte<br />

ausgelegt.<br />

Warnhinweis: Der Ausgang für Motorspannung<br />

ist nur für den im Lieferzubehör enthaltenen<br />

Exzentermotor ausgelegt. Der Anschluss<br />

anderer Verbraucher kann zur Zerstörung des<br />

Betriebgerätes führen.<br />

Impedanzwandler A:<br />

Verstärkung: 0,2<br />

Eingangswiderstand: 110 MΩ<br />

Ausgangswiderstand: 1 kΩ<br />

Impedanzwandler B:<br />

Verstärkung: 0,2<br />

Eingangswiderstand: 110 MΩ<br />

Ausgangswiderstand: 1 kΩ<br />

Verstärker C:<br />

Verstärkung: 20<br />

Eingangswiderstand: 10 kΩ<br />

Ausgangswiderstand: 1 kΩ<br />

Phasenstufe Δφ AB :<br />

Ausgangswiderstand: 1 kΩ<br />

Ausgangsspannung: 8 V bei Δφ AB = 0°<br />

-8 V bei Δφ AB = 180°<br />

Ausgang für Motorspannung:<br />

Motorspannung: 0 … 9 V<br />

Maximaler Strom 0,2 A<br />

4


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Komponenten<br />

Dynamische Kraftsensoren<br />

Die Dynamischen Kraftsensoren können an<br />

Stativstangen mit 10 mm Durchmesser befestigt<br />

werden. Sie funktionieren nach dem piezoelektrischen<br />

Prinzip.<br />

Eine Kraft am Haken generiert am Piezokristall<br />

eine Ladung, die der Kraft innerhalb Grenzen<br />

proportional ist. Die Sensoren sind aber nicht<br />

kalibriert. Infolge endlicher Übergangswiderstände<br />

im Piezomaterial <strong>und</strong> des Impedanzwandlers<br />

im der Betriebgerät MEC ergibt sich<br />

eine dynamische Übertragungscharakteristik.<br />

Untere Grenzfrequenz: 0,2 Hz<br />

Anschluss:<br />

3,5 mm Klinkenstecker<br />

Masse<br />

80g<br />

1<br />

0<br />

0.1 1<br />

10 100<br />

f / Hz<br />

Übertragungscharakteristik<br />

max.<br />

100 g<br />

max.<br />

500 g<br />

Maximal erlaubte Belastung der dynamischen Kraftsensoren<br />

Warnhinweis: Die dynamischen Kraftsensoren<br />

sind empfindlich gegen Feuchtigkeit <strong>und</strong><br />

dürfen nicht mechanisch überlastet werden!<br />

• Dynamische Kraftsensoren vor Feuchtigkeit<br />

schützen.<br />

• Den Krafthaken in Längsrichtung nicht mit<br />

mehr als 5 N <strong>und</strong> in Querrichtung nicht mit<br />

mehr als 1 N belasten.<br />

• Beim Einhängen von Schlaufen oder Federn<br />

am Krafthaken auf die maximal zulässigen<br />

Kräfte achten.<br />

Exzentermotor<br />

Motor mit Stahlstiftpaar zur Anregung von<br />

<strong>Schwingungen</strong> auf Seilen <strong>und</strong> Gr<strong>und</strong>platte zur<br />

Montage an 10 mm Stativstangen.<br />

Drehzahl:<br />

600 … 6000 U/min<br />

Seilschwingungen: 20 … 200 Hz<br />

Eingangsspannung: 0 … 9 V<br />

Schraubenfedern I<br />

Maximale Dehnung. 0,2 m<br />

Maximale Zugkraft. ca. 2 N<br />

Durchmesser. 20 mm<br />

Federkonstante 9 N/m<br />

Toleranz: ± 15%<br />

Schraubenfedern II<br />

Maximale Dehnung. 0,5 m<br />

Maximale Zugkraft. ca. 2 N<br />

Durchmesser. 20 mm<br />

Federkonstante 5 N/m<br />

Toleranz: ± 15%<br />

Satz 10 Massestücke 50 g<br />

Satz 10 Massestücke mit doppelseitigem Haken<br />

in aufklappbarer Kunststoffbox<br />

Induktionsspule<br />

Die Induktionsspule zur Aufnahme der Geschwindigkeit<br />

einer Federpendelbewegung.<br />

Windungszahl: 1000<br />

Widerstand:<br />

ca. 300 Ω<br />

Innendurchmesser: 30 mm<br />

Spulenlänge: 60 mm<br />

Maximale Spannung: 30 V (3 W)<br />

Kurzschlussring<br />

Metallring aus Aluminium, der mit seinen Abmessungen<br />

auf die Induktionsspule passt.<br />

Im Kurzschlussring induzierte Wirbelströme<br />

verursachen eine bremsende Kraft auf den<br />

sich durch die Induktionsspule bewegenden<br />

Magneten.<br />

Rolle mit Hanfbindfaden<br />

Gewachtes Hanfgeflecht, 100 m<br />

Dicke<br />

ca. 0,6 mm<br />

5


Experimentiersatz „<strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong>“<br />

Komponenten<br />

Fadenöse<br />

Fadenöse zur Verwendung mit dem Hanfbindfaden<br />

für den Aufbau eines Fadenpendels<br />

verstellbarer Pendellänge.<br />

Stabmagnet<br />

Stabmagnet zur Befestigung am Magnethaken<br />

als Pendelmasse.<br />

Abmessungen: 50 mm x 20 mm Ø<br />

Masse:<br />

ca. 120 g<br />

Magnethaken<br />

Gr<strong>und</strong>platte<br />

Gr<strong>und</strong>platte mit drei Spezialgewinden zur verkantungsfreien<br />

Aufnahme der Stativstange mit<br />

Außen- <strong>und</strong> Innengewinde, die durch Einschrauben<br />

einer Stativstange mit Außengewinde<br />

verlängert werden kann.<br />

Abmessungen: 345 x 245 x 15 mm³<br />

Masse:<br />

2,1 kg<br />

Material:<br />

Stahlblech, 2 mm,<br />

beschichtet<br />

Gewindebuchsen: 3<br />

Max. Aufbauhöhe<br />

mit allen Stativstäben: 780 mm<br />

Magnethaken zum Aufhängen des Stabmagneten<br />

oder zur Befestigen von Seilen an der<br />

Gr<strong>und</strong>platte.<br />

Die Haftkraft auf der beschichteten Gr<strong>und</strong>platte<br />

beträgt bis zu 15 N.<br />

Gummiseil<br />

Umflochtene Gummischnur zur Untersuchung<br />

von Seilwellen.<br />

Massenbelegung<br />

(ungedehnter Zustand) 1,80 g/m<br />

Durchmesser: ca. 1,6 mm<br />

Stoppuhr<br />

Stoppuhrmodus:<br />

Im Stoppuhrmodus blinken die drei Balken<br />

über den Positionen SU, FR <strong>und</strong> SA.<br />

Die Taste START/STOP wechselt die Funktionen<br />

Start <strong>und</strong> Stop.<br />

Stativstäbe<br />

Abmessungen:<br />

Masse:<br />

Material:<br />

Version 1:<br />

Version 2:<br />

Querstange<br />

Abmessungen:<br />

Masse:<br />

Material:<br />

Doppelmuffen<br />

Abmessungen:<br />

Masse:<br />

Material:<br />

400 mm x 10 mm Ø<br />

je 250 g<br />

Edelstahl,<br />

nicht magnetisch<br />

1 Außengewinde,<br />

1 Innengewinde<br />

1 Außengewinde<br />

280 mm x 10 mm Ø<br />

60 g<br />

Aluminium<br />

60 x 20 x 20 mm³<br />

je 64 g<br />

Aluminium, eloxiert<br />

Der Start beginnt jeweils ausgehend vom Anzeigewert.<br />

Nach gestoppter Zeitmessung setzt die Taste<br />

SPLIT/REST die Stoppuhr auf Null zurück.<br />

Normaler Uhrmodus:<br />

Aus dem normalen Uhrmodus erfolgt die Einstellung<br />

auf den Stoppuhrmodus mit der Taste<br />

MODE.<br />

Steckernetzgerät:<br />

Primärseite:<br />

Sek<strong>und</strong>ärseite:<br />

BNC-Kabel<br />

230 V, 50/60 Hz<br />

12 V AC; 750 mA<br />

Zum Anschluss der Verstärkerausgänge an ein<br />

Oszilloskop.<br />

Gliedermaßstab<br />

Kabellänge:<br />

ca. 1 m<br />

Gliedermaßstab aus schlagfestem Kunststoff<br />

zum Messen von Längen bis 1 m.<br />

Kabel BNC/ 4 mm<br />

Zum Anschluss der Verstärkerausgänge an ein<br />

Analogvoltmeter.<br />

Kabellänge:<br />

ca. 1 m<br />

<strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH ▪ Rudorffweg 8 ▪ 21031 Hamburg ▪ Deutschland ▪ www.3bscientific.com<br />

Technische Änderungen vorbehalten, © Copyright 2013 <strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH


Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US01 Resonanzkurve des Ultraschallwandlers<br />

Aufgabe<br />

<br />

<br />

Messung der Ultraschallamplitude an einem festen Punkt der Ultraschallswelle in Abhängigkeit<br />

von der Schwingungsdauer.<br />

Ermittlung der Resonanzkurve des Ultraschallwandlers.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 BNC-Kabel<br />

Auflagemaske US01<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz an Generator G2<br />

anschließen.<br />

5) Mikrofonsonde in ca. 10 cm Abstand vor<br />

den Sender legen <strong>und</strong> an den Eingang von<br />

Verstärkerkanal B an schließen.<br />

6) Ausgang des Verstärkerkanals B mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (Einstellung am Oszilloskop<br />

z.B. 2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC, Trigger<br />

auf den gewählten Kanal stellen).<br />

7) Amplitudensteller des Generators G2 auf<br />

mittlere Amplitude stellen, so dass die Signale<br />

auf jeden Fall einen unverzerrten sinusförmigen<br />

Verlauf aufweisen.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US01<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

10 cm<br />

A<br />

T<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


US01 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

8) Frequenz vom minimal zum maximal möglichen<br />

Wert variieren, die Schwingungsdauer<br />

T <strong>und</strong> die Amplitude A der Ultraschallwelle<br />

bestimmen <strong>und</strong> Werte in die Tabelle<br />

eintragen.<br />

9) Aus den Schwingungsdauern T die Frequenzen<br />

ν der Ultraschallwelle berechnen.<br />

10) Gemessene Amplituden A in Abhängigkeit<br />

von den berechneten Frequenzen ν in einem<br />

Diagramm darstellen.<br />

11) Das Ergebnis erläutern.<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

Tabelle: Amplitude der Ultraschallwelle in Abhängigkeit<br />

von der Schwingungsdauer bzw. der<br />

Frequenz des Ultraschallsenders.<br />

T / 5 µs ν / kHz A / 2 V<br />

5,40 37,0 3,0<br />

5,30 37,7 3,2<br />

5,20 38,5 3,6<br />

5,10 39,2 3,8<br />

5,05 39,6 3,0<br />

5,00 40,0 2,8<br />

4,95 40,4 2,0<br />

4,90 40,8 1,5<br />

4,80 41,7 1,3<br />

A / 2V<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

37 38 39 40 41 42<br />

/ kHz<br />

Diagramm: Amplitude der Ultraschallwelle in<br />

Abhängigkeit von der Frequenz des Ultraschallsenders.<br />

Erklärung des Messergebnisses:<br />

Der im Ultraschallsender eingesetzte<br />

Wandler zeigt Resonanzverhalten. Er<br />

schwingt bei etwa 39 kHz mit der größten<br />

Amplitude.<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US02 Überlagerung von Sinusschwingungen<br />

Aufgabe<br />

Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung an einem beliebigen Punkt der Welle.<br />

Untersuchung der Überlagerung der <strong>Schwingungen</strong> aus zwei getrennten Sendern.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

2 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Absorber<br />

Auflagemaske US02<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Ausgänge der Verstärkerkanäle mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (A mit 1, B mit 2, z.B.<br />

2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC).<br />

4) Auf Kanal 2 triggern, zur Einkopplung des<br />

Generators den Schalter S2 auf stellen<br />

<strong>und</strong> Generatorsignal auf dem Oszilloskopschirm<br />

beobachten.<br />

5) Auflagemaske US02 verwenden.<br />

6) Mikrofonsonde auflegen <strong>und</strong> an den Eingang<br />

von Verstärkerkanal A anschließen.<br />

7) Ersten Ultraschallsender 40 kHz auflegen<br />

<strong>und</strong> an den ersten Ausgang des Generators<br />

G1 anschließen (siehe Abb.1).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US02<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit einem Sender<br />

1


US02 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

8) Mittlere Amplitude einstellen, so dass das<br />

Mikrofonsignal auf jeden Fall einen unverzerrten<br />

Verlauf aufweist.<br />

9) Mikrofonsonde langsam in verschiedene<br />

Richtungen verschieben <strong>und</strong> Mikrofonsignal<br />

auf dem Oszilloskop-Schirm beobachten.<br />

10) Absorber vor den Sender stellen, um die<br />

emittierte Welle zu absorbieren (siehe<br />

Abb. 2).<br />

11) Zweiten Ultraschallsender 40 kHz auflegen,<br />

an den zweiten Ausgang des Generators<br />

G1 anschließen <strong>und</strong> Mikrofonsignal auf<br />

dem Oszilloskop-Schirm.<br />

12) Absorber vor den zweiten Sender stellen<br />

<strong>und</strong> Mikrofonsignal beobachten.<br />

13) Absorber anschließend ganz entfernen <strong>und</strong><br />

Mikrofonsignal beobachten.<br />

14) Beide Sender abwechselnd langsam in<br />

verschiedene Richtungen verschieben <strong>und</strong><br />

Mikrofonsignal beobachten.<br />

15) Die Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

1) Die Mikrofonsonde misst an jedem beliebigen<br />

Punkt der Welle eine sinusförmige<br />

Schwingung des Schalldrucks, die gegenüber<br />

dem Generatorsignal phasenverschoben<br />

ist.<br />

2) Die Phasenverschiebung hängt von der<br />

Position der Mikrofonsonde relativ zum Ultraschallsender<br />

ab.<br />

3) Mit dem Absorber kann man die Ausbreitung<br />

der Ultraschallwelle unterdrücken <strong>und</strong><br />

die Welle des zweiten Generators messen.<br />

4) Die Sinusschwingung in der Welle des ersten<br />

Senders <strong>und</strong> die Sinusschwingung in<br />

der zweiten Welle überlagern sich wieder<br />

zu einer Sinusschwingung.<br />

5) Die Amplitude der überlagerten Schwingung<br />

hängt von den Positionen der Sender<br />

<strong>und</strong> des Mikrofons zueinander ab.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US02<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau mit zwei Sendern<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US03 Analyse von Phasenbeziehungen<br />

Aufgabe<br />

Analyse der Phasenbeziehungen zwischen zwei beliebigen Punkten der Welle mit dem US-Pen.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 US-Pen mit Halter<br />

2 BNC-Kabel<br />

Auflagemaske US03<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Auflagemaske US03 verwenden.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen<br />

(siehe Abb. 1).<br />

5) US-Pen an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

<strong>und</strong> die Mikrofonsonde an Eingang von<br />

Verstärkerkanal B anschließen.<br />

6) US-Pen im Halter so ausrichten, dass die<br />

Spitze auf den Sender weist <strong>und</strong> etwa 1<br />

mm Abstand zur Auflagefläche hat.<br />

7) Mikrofonsonde ebenfalls auf den Sender<br />

ausrichten.<br />

8) Ausgänge der Verstärkerkanäle mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (A mit 1, B mit 2,<br />

2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US03<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Mikrofonsonde<br />

1


US03 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

9) Schalter S2 auf stellen <strong>und</strong> Oszilloskop<br />

auf Kanal 2 triggern.<br />

10) Mittlere Amplitude einstellen, so dass die<br />

Signale auf jeden Fall einen unverzerrten<br />

Verlauf aufweisen.<br />

11) Signal des US-Pens mit dem Signal der<br />

Mikrofonsonde vergleichen.<br />

12) US-Pen verschieben, bis die eingebaute<br />

Leuchtdiode nur noch minimal leuchtet, <strong>und</strong><br />

die beiden Signale auf dem Oszilloskop-<br />

Schirm vergleichen.<br />

13) US-Pen langsam verschieben <strong>und</strong> Leuchtdiode<br />

sowie die beiden Signale auf dem<br />

Oszilloskop beobachten.<br />

14) US-Pen weiter verschieben <strong>und</strong> weitere<br />

Positionen mit minimaler Helligkeit der<br />

Leuchtdiode suchen.<br />

15) Stecker der Mikrofonsonde abziehen <strong>und</strong><br />

zur Einkopplung des Generators den Schalter<br />

S2 auf stellen (siehe Abb. 2).<br />

16) Mit dem US-Pen erneut Positionen mit minimaler<br />

Helligkeit der Leuchtdiode suchen.<br />

17) Die Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

1) Der US-Pen enthält auch eine Mikrofonsonde,<br />

aber zusätzlich noch eine Leuchtdiode.<br />

2) Die Leuchtdiode ist ein Phasenzeiger. Sie<br />

zeigt die Phasendifferenz zwischen den<br />

Signalen in Kanal A <strong>und</strong> Kanal B an.<br />

3) Die Helligkeit der Leuchtdiode ist minimal,<br />

wenn die Phasendifferenz ein Vielfaches<br />

von 360° ist.<br />

4) Mit dem Schalter S2 lässt sich festlegen,<br />

welches Signal in Kanal B eingespeist wird.<br />

Ist der Schalter in Stellung , wird das Signal<br />

des US-Pen mit dem Signal der Mikrofonsonde<br />

verglichen. Ist der Schalter In<br />

Stellung wird das Signal des Generators<br />

G1 eingespeist, das dem Signal des angeschlossenen<br />

Senders entspricht. In diesem<br />

Fall wird das Signal des US-Pen mit dem<br />

Generatorsignal verglichen.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US03<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau ohne Mikrofonsonde<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US04 Aufzeichnung von <strong>Wellen</strong>fronten<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung von <strong>Wellen</strong>fronten als Punkte gleicher Phase.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 US-Pen mit Halter<br />

Auflagemaske US04<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Blatt Papier<br />

1 feiner Bleistift<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Auflagemaske D verwenden.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen.<br />

5) US-Pen an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

anschließen <strong>und</strong> auf der Senderachse in<br />

ca. 5 cm Abstand zum Sender aufstellen.<br />

6) US-Pen im Halter so ausrichten, dass die<br />

Spitze auf den Sender weist <strong>und</strong> etwa 1<br />

mm Abstand zur Auflagefläche hat.<br />

7) Zur Einkopplung des Generators den<br />

Schalter S2 auf stellen.<br />

8) In Richtung der Senderachse ersten Punkt<br />

mit minimaler Helligkeit der Leuchtdiode<br />

suchen <strong>und</strong> mit dem Bleistift markieren.<br />

US04<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


US04 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

9) US-Pen von der Achse weg verschieben,<br />

nächsten Punkt mit minimaler Helligkeit suchen<br />

<strong>und</strong> markieren.<br />

10) Abstand zur Senderachse vergrößern, weitere<br />

Punkte minimaler Helligkeit suchen<br />

<strong>und</strong> markieren.<br />

11) Vom ersten markierten Punkt aus zur anderen<br />

Seite gehen <strong>und</strong> weitere Punkte minimaler<br />

Helligkeit markieren.<br />

12) Vom ersten Punkt aus in Richtung der<br />

Senderachse gehen <strong>und</strong> den nächsten<br />

Punkt minimaler Helligkeit markieren.<br />

13) Auf beiden Seiten der Senderachse weitere<br />

Punkte minimaler Helligkeit markieren.<br />

Beobachtungen<br />

1) Die markierten Punkte liegen auf Kreisbögen.<br />

2) Als Punkte gleicher Phasendifferenz zum<br />

Sender entsprechen sie den <strong>Wellen</strong>fronten<br />

der vom Sender emittierten <strong>Wellen</strong>.<br />

3) Das Zentrum der Kreisbögen liegt in guter<br />

Näherung in der Mitte der Stirnfläche des<br />

Ultraschallsenders.<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US05 Beugung am Doppelspalt<br />

Aufgabe<br />

Messung der Intensitätsminima <strong>und</strong> -maxima bei der Beugung am Doppelspalt.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

2 Seitenteile für Doppelspalt/ Reflektoren<br />

1 Mittelsteg für Doppelspalt<br />

1 Klemmstück für Doppelspalt<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemaske US05<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US05 verwenden.<br />

5) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen.<br />

6) Doppelspalt aufbauen, auf gleiche Spaltbreiten<br />

achten <strong>und</strong> gemäß Auflagemaske<br />

ausrichten.<br />

7) Mikrofonsonde auflegen <strong>und</strong> an Eingang<br />

von Verstärkerkanal A anschließen.<br />

8) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: 10 VAC).<br />

9) Mit Amplitudensteller des Generators G1<br />

eine Amplitude von ca. 5 V einstellen.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US05<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

L = 6 cm<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Beginn des Experiments)<br />

1


US05 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

10) Mikrofonsonde rechts <strong>und</strong> links der Senderachse<br />

parallel zum Doppelspalt verschieben.<br />

11) Intensitätsminima <strong>und</strong> –maxima suchen<br />

<strong>und</strong> die Lage der Maxima auf der Unterlage<br />

markieren.<br />

12) Abstand d der Maxima von der Senderachse<br />

bestimmen <strong>und</strong> die Werte in die Tabelle<br />

eintragen.<br />

13) Größeren Abstand L zum Doppelspalt wählen<br />

<strong>und</strong> Messung wiederholen.<br />

Messung<br />

Tabelle: Lage der Intensitätsmaxima<br />

d: Abstand zur Senderachse, L: Abstand zum<br />

Doppelspalt<br />

L = 60 mm<br />

d / mm<br />

L = 80 mm<br />

d / mm<br />

0 0<br />

22 29<br />

52 70<br />

-22 -30<br />

-55 -68<br />

Beobachtungen:<br />

1) Auf der Senderachse, also hinter dem mittleren<br />

Steg des Doppelspaltes, ist die Intensität<br />

maximal.<br />

2) Weitere Intensitätsmaxima liegen symmetrisch<br />

rechts <strong>und</strong> links der Senderachse.<br />

3) Die Abstände der Maxima zur Senderachse<br />

sind vom Abstand zum Doppelspalt abhängig.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US05<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

d<br />

L = 6 cm<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau (Durchführung des Experiments)<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US06 Transmission <strong>und</strong> Reflexion<br />

Aufgabe<br />

Messung der Intensität bei Transmission durch verschiedene Objekte.<br />

Messung der Intensität bei Reflexion an verschiedenen Objekten.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 Seitenteil für Doppelspalt/ Reflektor<br />

1 Strahlteiler<br />

1 Klemmstück für Strahlteiler<br />

1 Ultraschallabsorber<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemasken US06a <strong>und</strong> US06b<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US06a verwenden, Ultraschallsender<br />

40 kHz auflegen <strong>und</strong> an Ausgang<br />

des Generators G1 anschließen.<br />

5) Zur Messung der Intensität die Mikrofonsonde<br />

auflegen <strong>und</strong> an Eingang von Verstärkerkanal<br />

A anschließen.<br />

6) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: z.B. 3 VAC).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US06a<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Transmission)<br />

1


US06 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

7) Amplitudensteller des Generators G1 auf<br />

mittlere Amplitude stellen, so dass das Multimeter<br />

eine Spannung von 2,5 V anzeigt.<br />

8) Ultraschallabsorber unmittelbar vor der<br />

Mikrofonsonde aufbauen <strong>und</strong> Amplitude erneut<br />

messen.<br />

9) Messung mit dem Reflektor sowie dem<br />

Strahlteiler wiederholen.<br />

10) Ergebnisse in die Tabelle eintragen (Spalte<br />

Transmission).<br />

11) Auflagemaske US06b verwenden <strong>und</strong> Mikrofonsonde<br />

<strong>und</strong> Sender entsprechend<br />

ausrichten.<br />

12) Objekte in 5 cm Abstand aufstellen <strong>und</strong><br />

Amplituden erneut messen.<br />

13) Ergebnisse in die Tabelle eintragen (Spalte<br />

Reflexion).<br />

Messung<br />

Tabelle:<br />

Objekt<br />

Transmission<br />

A / V<br />

Reflexion<br />

A / V<br />

ohne 2,5 0,3<br />

Ultraschallabsorber<br />

0,3 0,3<br />

Reflektor 0,3 1,0<br />

Strahlteiler 0,7 0,8<br />

Beobachtungen<br />

1) In Reflexion erfasst die Mikrofonsonde<br />

auch ohne reflektierendes Objekt Intensität<br />

mit einer Amplitude von 0,3 V. Dieser Nulleffekt<br />

wird auch bei Transmission sowie<br />

Reflexion am Absorber registriert.<br />

2) Durch den Reflektor dringt keine Intensität,<br />

ein erheblicher Teil wird hier aber reflektiert.<br />

Er kann als Spiegel genutzt werden.<br />

3) Der Strahlteiler lässt Intensität durch <strong>und</strong><br />

reflektiert Intensität.<br />

US06b<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Reflexion)<br />

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Ultraschallwellen<br />

Lehrerblatt<br />

US07 Sphärischer Hohlspiegel <strong>und</strong> Fresnel’sche Zonenplatte<br />

Aufgabe<br />

Nachweis der Fokussierung mit einem Hohlspiegel.<br />

Nachweis der Fokussierung mit einer Fresnel’schen Zonenplatte.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 Fresnel’sche Zonenplatte<br />

1 Hohlspiegel<br />

1 Ultraschallaborber<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemasken US07a <strong>und</strong> US07b<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US07a verwenden (siehe<br />

Abb. 1).<br />

5) Hohlspiegel <strong>und</strong> Ultraschallabsorber aufstellen.<br />

6) Ultraschallsender 40 kHz an Ausgang des<br />

Generators G1 anschließen, an Position 1<br />

(α = 45°) auflegen <strong>und</strong> auf das Zentrum des<br />

Hohlspiegels ausrichten.<br />

Hinweis: Die Krümmungsradien des Hohlspiegels<br />

<strong>und</strong> des in der Auflagemaske US07a eingezeichneten<br />

Kreisbogens um das Zentrum des<br />

Hohlspiegels stimmen überein (R = 200 mm).<br />

US07a<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

2<br />

1<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Hohlspiegel<br />

1


US07 Lehrerblatt Ultraschallwellen<br />

7) Zur Messung der Intensität die Mikrofonsonde<br />

an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

anschließen.<br />

8) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: z.B. 10 VAC).<br />

9) Mikrofonsonde auf Zentrum des Hohlspiegel<br />

ausrichten <strong>und</strong> Amplitudensteller des<br />

Generators G1 auf mittlere Amplitude stellen,<br />

so dass das Multimeter eine Spannung<br />

von 5 V anzeigt.<br />

10) Mikrofonsonde verschieben, dabei immer<br />

auf das Zentrum des Hohlspiegels ausrichten<br />

<strong>und</strong> Maximum der reflektierten Intensität<br />

suchen.<br />

11) Ultraschallsender an Position 2 (α = 22,5°)<br />

auflegen <strong>und</strong> auf das Zentrum des Hohlspiegels<br />

ausrichten.<br />

12) Mikrofonsonde verschieben, dabei immer<br />

auf das Zentrum des Hohlspiegels ausrichten<br />

<strong>und</strong> Maximum der reflektierten Intensität<br />

suchen.<br />

13) Beobachtungen erläutern.<br />

14) Auflagemaske US07b verwenden <strong>und</strong><br />

Fresnel’sche Zonenplatte aufstellen.<br />

15) Ultraschall-Sender in ca. 30 cm Entfernung<br />

auf die Symmetrieachse legen <strong>und</strong> auf die<br />

Fresnel’sche Zonenplatte ausrichten.<br />

16) Mikrofonsonde auf der anderen Seite auflegen<br />

<strong>und</strong> das Maximum der Intensität suchen.<br />

17) Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

1) Das divergent aus dem Ultraschallsender<br />

austretende Bündel wird bei der Reflexion<br />

am Hohlspiegel in einem Punkt abgebildet.<br />

Der Bildpunkt liegt auf dem eingezeichneten<br />

Kreisbogen um das Zentrum des Hohlspiegels.<br />

Also entspricht die Bildweite dem<br />

Krümmungsradius des Kreisbogens. Die<br />

Gegenstandsweite, der Abstand des Ultraschallsenders<br />

zum Zentrum des Hohlspiegels,<br />

hat den gleichen Wert.<br />

2) Die Fresnel’sche Zonenplatte bildet das<br />

Bündel des Ultraschallsenders in einem<br />

Punkt ab. Bei Einstrahlung parallel zur<br />

Symmetrieachse liegt der Punkt auf der<br />

Symmetrieachse.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

US<br />

07b<br />

30 cm<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Fresnel’scher Zonenplatte<br />

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US01


US02


US03


US04


US05<br />

L = 6 cm


US06a


US06b


US07a


US07b


Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Lehrerblatt<br />

MEC01 Bestimmung von Federkonstanten<br />

Aufgabe<br />

Statische Bestimmung von Federkonstanten.<br />

Dynamische Bestimmung von Federkonstanten.<br />

Geräte<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Schraubenfeder I<br />

1 Schraubenfeder II<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

1 Gliedermaßstab<br />

1 Stoppuhr<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> beide<br />

Schraubenfedern an Querstange hängen.<br />

2) Zwei Massestücke entnehmen.<br />

3) Drei Glieder des Maßstabes ausklappen<br />

<strong>und</strong> Gliedermaßstab auf Box für Massestücke<br />

stellen.<br />

4) Höhe der Querstange so ausrichten, dass<br />

die Unterkante der Schraubenfeder I mit<br />

dem Nullpunkt der Skala übereinstimmt.<br />

5) Zwei Massestück einhängen, Auslenkung s<br />

messen <strong>und</strong> in Tabelle 1 notieren.<br />

0<br />

0<br />

0<br />

s<br />

0:0000<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


MEC01 Lehrerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

6) Anschließend das System aus der Ruhelage<br />

auslenken, mit der Stoppuhr die Zeit für<br />

50 <strong>Schwingungen</strong> messen <strong>und</strong> in Tabelle 2<br />

notieren.<br />

7) Messungen für Schraubenfeder II wiederholen.<br />

8) In beiden Tabellen die Federkonstanten k<br />

berechnen.<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

Tabelle 1: Statische Methode<br />

F m<br />

g<br />

k <br />

s s<br />

k: Federkonstante,<br />

m: angehängte Masse, g: Fallbeschleunigung,<br />

F: Gewichtskraft, s: Auslenkung der Feder<br />

Feder m / g F / N s / cm k / N/m<br />

I 100 0,98 12,3 8,0<br />

II 100 0,98 20,7 4,7<br />

Tabelle 2: Dynamische Methode<br />

2 2<br />

m0 2 m0<br />

4π 50<br />

k m ω<br />

m <br />

2<br />

3 3 50 T<br />

k: Federkonstante,<br />

m: angehängte Masse,<br />

m 0 : Masse der Schraubenfeder,<br />

ω: Winkelbeschleunigung,<br />

T: Schwingungsdauer<br />

Feder m / g m 0 / g 50T / s k / N/m<br />

I 100 3 35,8 7,8<br />

II 100 15 49,4 4,2<br />

<br />

<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Lehrerblatt<br />

MEC02 <strong>Schwingungen</strong> zweier „gleicher“ Schraubenfedern<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung der <strong>Schwingungen</strong> zweier „gleicher“ Schraubenfedern.<br />

Feinabgleich der beiden Systeme auf gleiche Schwingungsdauer.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

2 Dynamische Kraftsensoren<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Kabel BNC/ 4 mm<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

2 Schraubenfedern I<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

1 Analogmultimeter (z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> beide<br />

dynamischen Kraftsensoren an der<br />

Querstange befestigen.<br />

3) Dynamische Kraftsensoren an Eingänge A<br />

<strong>und</strong> B des Betriebsgerätes MEC anschließen.<br />

4) Ausgänge A <strong>und</strong> B mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop z.B.<br />

200 mV/DIV, 400 ms/DIV, DC).<br />

5) Zwei schwingungsfähige Systeme aus einer<br />

Schraubenfeder <strong>und</strong> je vier Massestücken<br />

anhängen.<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


MEC02 Lehrerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

6) Beide Systeme gleichzeitig nach unten<br />

auslenken <strong>und</strong> loslassen.<br />

7) <strong>Schwingungen</strong> mit bloßem Auge <strong>und</strong> mit<br />

dem Oszilloskop verfolgen.<br />

8) Durch Anhängen von Büroklammern das<br />

schnellere der beiden Systeme auf das<br />

langsamere abgleichen.<br />

9) Multimeter an Ausgang Δφ AB anschließen<br />

<strong>und</strong> Messbereich 10 V DC (Nullpunkt Mitte)<br />

wählen.<br />

Hinweis: U = -8 V entspricht Δφ AB = 0°, U = 8 V<br />

entspricht Δφ AB = 180°<br />

Beobachtungen<br />

1) Wenn die Schwingungsdauern der beiden<br />

Pendel nicht genau übereinstimmen, ändert<br />

sich die Phasendifferenz im Laufe der Zeit.<br />

2) Bei gleicher Schwingungsdauer werden am<br />

Ausgang Δφ AB konstant -8 V ausgegeben,<br />

wenn die beiden Pendel gleichphasig (Δφ AB<br />

= 0°) schwingen.<br />

3) Bei gegenphasiger Schwingung (Δφ AB =<br />

180°) werden +8 V ausgegeben.<br />

10) Erneut die Schwingungssysteme gleichzeitig<br />

nach unten auslenken <strong>und</strong> loslassen.<br />

11) Die Auslenkungen mit dem Oszilloskop <strong>und</strong><br />

die Phasendifferenz mit dem Multimeter<br />

verfolgen.<br />

12) Alternativ den Ausgang Δφ AB an einen Kanal<br />

des Oszilloskops anschließen <strong>und</strong> größere<br />

Zeitbasis „Time/DIV“ wählen.<br />

13) Ggf. durch Anhängen oder Entfernen von<br />

Büroklammern die Schwingungssysteme<br />

noch genauer auf gleiche Schwingungsdauer<br />

abstimmen, so dass die Phasendifferenz<br />

konstant bleibt.<br />

14) Ein Schwingungssystem nach unten, das<br />

andere nach oben auslenken <strong>und</strong> beide<br />

gleichzeitig loslassen.<br />

15) Die Auslenkungen mit dem Oszilloskop <strong>und</strong><br />

die Phasendifferenz mit dem Multimeter<br />

verfolgen.<br />

16) Beobachtungen erläutern.<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Lehrerblatt<br />

MEC03 Fadenpendel<br />

Aufgabe<br />

<br />

Bestimmung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels.<br />

Geräte<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Hanfbindfaden<br />

1 Fadenöse<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

1 Gliedermaßstab<br />

1 Stoppuhr<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen.<br />

2) 1 m Hanfbindfaden abschneiden <strong>und</strong> ein<br />

Ende an der Querstange festknoten.<br />

3) Faden durch Fadenöse führen <strong>und</strong> zweites<br />

Ende festknoten.<br />

4) Ein Massestück in die Schlaufe einhängen.<br />

5) Durch Verschieben der Fadenöse eine<br />

Pendellänge von ca. 70 cm einstellen.<br />

6) Fadenpendel auslenken <strong>und</strong> Dauer von 50<br />

<strong>Schwingungen</strong> mit der Stoppuhr messen.<br />

7) Gemessene T m Schwingungsdauer mit der<br />

Theorie vergleichen.<br />

s = 70 cm<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

L<br />

Tr<br />

2π ,<br />

g<br />

T r : berechnete Schwingungsdauer,<br />

L: Pendellänge, g: Fallbeschleunigung<br />

L / m T / s 20T / s T / s<br />

0,7 1,68 33,8 1,69<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

0:0000<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Lehrerblatt<br />

MEC04 Gedämpfte Federschwingungen<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung von Auslenkung <strong>und</strong> Geschwindigkeit eines Federpendels.<br />

Aufzeichnung gedämpfter <strong>Schwingungen</strong>.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Dynamischer Kraftsensor<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Schraubenfeder I<br />

1 Stabmagnet<br />

1 Magnethaken<br />

1 Induktionsspule<br />

1 Dämpfungsring<br />

1 Box für Massestücke<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> dynamischen<br />

Kraftsensor an Querstange befestigen.<br />

2) Kraftsensor an Eingang A des Betriebsgerätes<br />

MEC anschließen.<br />

3) Induktionsspule an Eingang C des Betriebsgerätes<br />

MEC anschließen <strong>und</strong> auf<br />

Box für Massestücke stellen.<br />

4) Schraubenfeder an Kraftsensor einhängen<br />

<strong>und</strong> Magnet mit Magnethaken anhängen.<br />

5) Anordnung so ausrichten, dass der Magnet<br />

zur Hälfte in die Wicklungen der Induktionsspule<br />

eintaucht.<br />

6) Ausgänge A <strong>und</strong> C mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop z.B.<br />

200 mV/DIV an A <strong>und</strong> 5 V/DIV an C, DC).<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (ohne Dämpfungsring)<br />

1


MEC04 Lehrerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

7) Schraubenfeder nach unten auslenken <strong>und</strong><br />

Schwingung mit bloßem Auge <strong>und</strong> mit dem<br />

Oszilloskop verfolgen.<br />

8) Beobachtungen erläutern.<br />

9) Dämpfungsring über das obere Ende der<br />

Induktionsspule schieben <strong>und</strong> Experiment<br />

wiederholen.<br />

10) Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

1) Der angehängte Magnet dient im Experiment<br />

als Masse des schwingungsfähigen<br />

Systems, dessen <strong>Schwingungen</strong> mit dem<br />

dynamischen Kraftsensor gemessen werden.<br />

2) Während der Schwingung ändert sich die<br />

Eintauchtiefe des Magneten in die Wicklungen<br />

der Induktionsspule. Dadurch wird in<br />

der Spule eine zur Geschwindigkeit des<br />

Magneten proportionale Spannung erzeugt.<br />

3) Schwingt der Magnet zusätzlich durch den<br />

Dämpfungsring, so wird im Dämpfungsring<br />

ein Strom erzeugt, der eine bremsende<br />

Kraft auf die Bewegung des Magneten hervorruft.<br />

Diese Kraft dämpft die <strong>Schwingungen</strong><br />

des Systems.<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau mit Dämpfungsring<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Lehrerblatt<br />

MEC05 Stehende Seilwellen<br />

Aufgabe<br />

Anregung sehender Seilwellen au einem Gummiseil.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Exzentermotor<br />

1 Dynamischer Kraftsensor<br />

1 BNC-Kabel<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

1 Doppelmuffe<br />

1 Satz Massestücke 50 g<br />

1 Gummiseil<br />

1 Gliedermaßstab<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Exzentermotor an Ausgang M des Betriebsgerätes<br />

anschließen <strong>und</strong> Frequenzsteller<br />

auf Linksanschlag drehen.<br />

3) Stativ gemäß Abbildung aufbauen.<br />

4) Auf der linken Seite unten den Exzentermotor<br />

montieren <strong>und</strong> oben die Querstange zur<br />

Umlenkung des Gummiseils anordnen.<br />

5) Zur weiteren Umlenkung auf der rechten<br />

Seite in halber Höhe den Kraftsensor befestigen<br />

<strong>und</strong> den Magnethaken auf der<br />

Gr<strong>und</strong>platte vor der linken Stativstange anordnen.<br />

6) Gummiseil an der linken Stativstange fest<br />

knüpfen, über den Magnethaken <strong>und</strong> den<br />

Kraftsensor zur Querstange führen <strong>und</strong> von<br />

dort herunter hängenlassen.<br />

7) In eine Schlaufe am freien Ende vier Massestücke<br />

einhängen.<br />

8) Magnethaken auf der Gr<strong>und</strong>platte so verschieben,<br />

dass das Gummiseil den Exzenter<br />

gerade streift.<br />

9) Mit dem Frequenzsteller die Motordrehzahl<br />

so wählen, dass sich eine stehende Seilwelle<br />

zwischen Exzenter <strong>und</strong> Kraftsensor<br />

bildet.<br />

10) Zahl der Knoten der stehenden Seilwelle<br />

bestimmen.<br />

11) Motordrehzahl variieren, um stehende<br />

Seilwelle mit anderer Knotenzahl zu erzeugen.<br />

12) Ggf. zur Frequenzmessung den Kraftsensor<br />

an Eingang A des Betriebsgerätes MEC<br />

anschließen <strong>und</strong> Ausgang A mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop<br />

z.B. 10 mV/DIV, 10 ms/DIV, AC).<br />

Beobachtungen<br />

1) Der sich drehende Exzenter erregt transversale<br />

<strong>Wellen</strong> auf dem Gummiseil.<br />

2) Je nach Motordrehzahl bilden sich stehende<br />

Seilwellen mit unterschiedlicher Zahl an<br />

Schwingungsknoten.<br />

3) Der Haken des dynamischen Kraftmessers<br />

definiert das feste hintere Ende der stehenden<br />

Seilwelle. Dort bildet sich ein Schwingungsknoten<br />

aus.<br />

4) Der Exzenter wirkt als festes vorderes Ende<br />

der stehenden Seilwelle.<br />

1


MEC05 Lehrerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

AB<br />

C<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US01 Resonanzkurve des Ultraschallwandlers<br />

Aufgabe<br />

<br />

<br />

Messung der Ultraschallamplitude an einem festen Punkt der Ultraschallswelle in Abhängigkeit<br />

von der Schwingungsdauer.<br />

Ermittlung der Resonanzkurve des Ultraschallwandlers.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 BNC-Kabel<br />

Auflagemaske US01<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz an Generator G2<br />

anschließen.<br />

5) Mikrofonsonde in ca. 10 cm Abstand vor<br />

den Sender legen <strong>und</strong> an den Eingang von<br />

Verstärkerkanal B an schließen.<br />

6) Ausgang des Verstärkerkanals B mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (Einstellung am Oszilloskop<br />

z.B. 2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC, Trigger<br />

auf den gewählten Kanal stellen).<br />

7) Amplitudensteller des Generators G2 auf<br />

mittlere Amplitude stellen, so dass die Signale<br />

auf jeden Fall einen unverzerrten sinusförmigen<br />

Verlauf aufweisen.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US01<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

10 cm<br />

A<br />

T<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


US01 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

8) Frequenz vom minimal zum maximal möglichen<br />

Wert variieren, die Schwingungsdauer<br />

T <strong>und</strong> die Amplitude A der Ultraschallwelle<br />

bestimmen <strong>und</strong> Werte in die Tabelle<br />

eintragen.<br />

9) Aus den Schwingungsdauern T die Frequenzen<br />

ν der Ultraschallwelle berechnen.<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

Tabelle: Amplitude der Ultraschallwelle in Abhängigkeit<br />

von der Schwingungsdauer bzw. der<br />

Frequenz des Ultraschallsenders.<br />

T / 5 µs ν / kHz A / 2 V<br />

10) Gemessene Amplituden A in Abhängigkeit<br />

von den berechneten Frequenzen ν in einem<br />

Diagramm darstellen.<br />

11) Das Ergebnis erläutern.<br />

A / 2V<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

37 38 39 40 41 42<br />

/ kHz<br />

Diagramm: Amplitude der Ultraschallwelle in<br />

Abhängigkeit von der Frequenz des Ultraschallsenders.<br />

Erklärung des Messergebnisses:<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US02 Überlagerung von Sinusschwingungen<br />

Aufgabe<br />

Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung an einem beliebigen Punkt der Welle.<br />

Untersuchung der Überlagerung der <strong>Schwingungen</strong> aus zwei getrennten Sendern.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

2 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Absorber<br />

Auflagemaske US02<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Ausgänge der Verstärkerkanäle mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (A mit 1, B mit 2, z.B.<br />

2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC).<br />

4) Auf Kanal 2 triggern, zur Einkopplung des<br />

Generators den Schalter S2 auf stellen<br />

<strong>und</strong> Generatorsignal auf dem Oszilloskopschirm<br />

beobachten.<br />

5) Auflagemaske US02 verwenden.<br />

6) Mikrofonsonde auflegen <strong>und</strong> an den Eingang<br />

von Verstärkerkanal A anschließen.<br />

7) Ersten Ultraschallsender 40 kHz auflegen<br />

<strong>und</strong> an den ersten Ausgang des Generators<br />

G1 anschließen (siehe Abb.1).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US02<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit einem Sender<br />

1


US02 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

8) Mittlere Amplitude einstellen, so dass das<br />

Mikrofonsignal auf jeden Fall einen unverzerrten<br />

Verlauf aufweist.<br />

9) Mikrofonsonde langsam in verschiedene<br />

Richtungen verschieben <strong>und</strong> Mikrofonsignal<br />

auf dem Oszilloskop-Schirm beobachten.<br />

Beobachtungen<br />

10) Absorber vor den Sender stellen, um die<br />

emittierte Welle zu absorbieren (siehe<br />

Abb. 2).<br />

11) Zweiten Ultraschallsender 40 kHz auflegen,<br />

an den zweiten Ausgang des Generators<br />

G1 anschließen <strong>und</strong> Mikrofonsignal auf<br />

dem Oszilloskop-Schirm.<br />

12) Absorber vor den zweiten Sender stellen<br />

<strong>und</strong> Mikrofonsignal beobachten.<br />

13) Absorber anschließend ganz entfernen <strong>und</strong><br />

Mikrofonsignal beobachten.<br />

14) Beide Sender abwechselnd langsam in<br />

verschiedene Richtungen verschieben <strong>und</strong><br />

Mikrofonsignal beobachten.<br />

15) Die Beobachtungen erläutern.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US02<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau mit zwei Sendern<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US03 Analyse von Phasenbeziehungen<br />

Aufgabe<br />

Analyse der Phasenbeziehungen zwischen zwei beliebigen Punkten der Welle mit dem US-Pen.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 US-Pen mit Halter<br />

2 BNC-Kabel<br />

Auflagemaske US03<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Auflagemaske US03 verwenden.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen<br />

(siehe Abb. 1).<br />

5) US-Pen an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

<strong>und</strong> die Mikrofonsonde an Eingang von<br />

Verstärkerkanal B anschließen.<br />

6) US-Pen im Halter so ausrichten, dass die<br />

Spitze auf den Sender weist <strong>und</strong> etwa 1<br />

mm Abstand zur Auflagefläche hat.<br />

7) Mikrofonsonde ebenfalls auf den Sender<br />

ausrichten.<br />

8) Ausgänge der Verstärkerkanäle mit dem<br />

Oszilloskop verbinden (A mit 1, B mit 2,<br />

2 V/DIV, 5 µs/DIV, DC).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US03<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Mikrofonsonde<br />

1


US03 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

9) Schalter S2 auf stellen <strong>und</strong> Oszilloskop<br />

auf Kanal 2 triggern.<br />

10) Mittlere Amplitude einstellen, so dass die<br />

Signale auf jeden Fall einen unverzerrten<br />

Verlauf aufweisen.<br />

11) Signal des US-Pens mit dem Signal der<br />

Mikrofonsonde vergleichen.<br />

12) US-Pen verschieben, bis die eingebaute<br />

Leuchtdiode nur noch minimal leuchtet, <strong>und</strong><br />

die beiden Signale auf dem Oszilloskop-<br />

Schirm vergleichen.<br />

13) US-Pen langsam verschieben <strong>und</strong> Leuchtdiode<br />

sowie die beiden Signale auf dem<br />

Oszilloskop beobachten.<br />

14) US-Pen weiter verschieben <strong>und</strong> weitere<br />

Positionen mit minimaler Helligkeit der<br />

Leuchtdiode suchen.<br />

Beobachtungen<br />

15) Stecker der Mikrofonsonde abziehen <strong>und</strong><br />

zur Einkopplung des Generators den Schalter<br />

S2 auf stellen (siehe Abb. 2).<br />

16) Mit dem US-Pen erneut Positionen mit minimaler<br />

Helligkeit der Leuchtdiode suchen.<br />

17) Die Beobachtungen erläutern.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US03<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

OSCILLOSCOPE<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau ohne Mikrofonsonde<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US04 Aufzeichnung von <strong>Wellen</strong>fronten<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung von <strong>Wellen</strong>fronten als Punkte gleicher Phase.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 US-Pen mit Halter<br />

Auflagemaske US04<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Blatt Papier<br />

1 feiner Bleistift<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Auflagemaske D verwenden.<br />

4) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen.<br />

5) US-Pen an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

anschließen <strong>und</strong> auf der Senderachse in<br />

ca. 5 cm Abstand zum Sender aufstellen.<br />

6) US-Pen im Halter so ausrichten, dass die<br />

Spitze auf den Sender weist <strong>und</strong> etwa 1<br />

mm Abstand zur Auflagefläche hat.<br />

7) Zur Einkopplung des Generators den<br />

Schalter S2 auf stellen.<br />

8) In Richtung der Senderachse ersten Punkt<br />

mit minimaler Helligkeit der Leuchtdiode<br />

suchen <strong>und</strong> mit dem Bleistift markieren.<br />

US04<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


US04 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

9) US-Pen von der Achse weg verschieben,<br />

nächsten Punkt mit minimaler Helligkeit suchen<br />

<strong>und</strong> markieren.<br />

10) Abstand zur Senderachse vergrößern, weitere<br />

Punkte minimaler Helligkeit suchen<br />

<strong>und</strong> markieren.<br />

11) Vom ersten markierten Punkt aus zur anderen<br />

Seite gehen <strong>und</strong> weitere Punkte minimaler<br />

Helligkeit markieren.<br />

12) Vom ersten Punkt aus in Richtung der<br />

Senderachse gehen <strong>und</strong> den nächsten<br />

Punkt minimaler Helligkeit markieren.<br />

13) Auf beiden Seiten der Senderachse weitere<br />

Punkte minimaler Helligkeit markieren.<br />

Beobachtungen<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US05 Beugung am Doppelspalt<br />

Aufgabe<br />

Messung der Intensitätsminima <strong>und</strong> -maxima bei der Beugung am Doppelspalt.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

2 Seitenteile für Doppelspalt/ Reflektoren<br />

1 Mittelsteg für Doppelspalt<br />

1 Klemmstück für Doppelspalt<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemaske US05<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US05 verwenden.<br />

5) Ultraschallsender 40 kHz auflegen <strong>und</strong> an<br />

Ausgang des Generators G1 anschließen.<br />

6) Doppelspalt aufbauen, auf gleiche Spaltbreiten<br />

achten <strong>und</strong> gemäß Auflagemaske<br />

ausrichten.<br />

7) Mikrofonsonde auflegen <strong>und</strong> an Eingang<br />

von Verstärkerkanal A anschließen.<br />

8) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: 10 VAC).<br />

9) Mit Amplitudensteller des Generators G1<br />

eine Amplitude von ca. 5 V einstellen.<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US05<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

L = 6 cm<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Beginn des Experiments)<br />

1


US05 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

10) Mikrofonsonde rechts <strong>und</strong> links der Senderachse<br />

parallel zum Doppelspalt verschieben.<br />

11) Intensitätsminima <strong>und</strong> –maxima suchen<br />

<strong>und</strong> die Lage der Maxima auf der Unterlage<br />

markieren.<br />

12) Abstand d der Maxima von der Senderachse<br />

bestimmen <strong>und</strong> die Werte in die Tabelle<br />

eintragen.<br />

13) Größeren Abstand L zum Doppelspalt wählen<br />

<strong>und</strong> Messung wiederholen.<br />

Messung<br />

Tabelle: Lage der Intensitätsmaxima<br />

d: Abstand zur Senderachse, L: Abstand zum<br />

Doppelspalt<br />

L = mm<br />

d / mm<br />

L = mm<br />

d / mm<br />

Beobachtungen:<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US05<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

d<br />

L = 6 cm<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau (Durchführung des Experiments)<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US06 Transmission <strong>und</strong> Reflexion<br />

Aufgabe<br />

Messung der Intensität bei Transmission durch verschiedene Objekte.<br />

Messung der Intensität bei Reflexion an verschiedenen Objekten.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 Seitenteil für Doppelspalt/ Reflektor<br />

1 Strahlteiler<br />

1 Klemmstück für Strahlteiler<br />

1 Ultraschallabsorber<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemasken US06a <strong>und</strong> US06b<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US06a verwenden, Ultraschallsender<br />

40 kHz auflegen <strong>und</strong> an Ausgang<br />

des Generators G1 anschließen.<br />

5) Zur Messung der Intensität die Mikrofonsonde<br />

auflegen <strong>und</strong> an Eingang von Verstärkerkanal<br />

A anschließen.<br />

6) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: z.B. 3 VAC).<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

US06a<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Transmission)<br />

1


US06 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

7) Amplitudensteller des Generators G1 auf<br />

mittlere Amplitude stellen, so dass das Multimeter<br />

eine Spannung von 2,5 V anzeigt.<br />

8) Ultraschallabsorber unmittelbar vor der<br />

Mikrofonsonde aufbauen <strong>und</strong> Amplitude erneut<br />

messen.<br />

9) Messung mit dem Reflektor sowie dem<br />

Strahlteiler wiederholen.<br />

10) Ergebnisse in die Tabelle eintragen (Spalte<br />

Transmission).<br />

11) Auflagemaske US06b verwenden <strong>und</strong> Mikrofonsonde<br />

<strong>und</strong> Sender entsprechend<br />

ausrichten.<br />

12) Objekte in 5 cm Abstand aufstellen <strong>und</strong><br />

Amplituden erneut messen.<br />

13) Ergebnisse in die Tabelle eintragen (Spalte<br />

Reflexion).<br />

Messung<br />

Tabelle:<br />

Objekt<br />

ohne<br />

Ultraschallabsorber<br />

Reflektor<br />

Strahlteiler<br />

Beobachtungen<br />

Transmission<br />

A / V<br />

Reflexion<br />

A / V<br />

US06b<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (Reflexion)<br />

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Ultraschallwellen<br />

Schülerblatt<br />

US07 Sphärischer Hohlspiegel <strong>und</strong> Fresnel’sche Zonenplatte<br />

Aufgabe<br />

Nachweis der Fokussierung mit einem Hohlspiegel.<br />

Nachweis der Fokussierung mit einer Fresnel’schen Zonenplatte.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät US<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Ultraschallsender 40 kHz<br />

1 Mikrofonsonde<br />

1 Fresnel’sche Zonenplatte<br />

1 Hohlspiegel<br />

1 Ultraschallaborber<br />

1 Kabel BNC/4 mm<br />

Auflagemasken US07a <strong>und</strong> US07b<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Analogmultimeter (bis 40 kHz, z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Mit Schalter S1 den Hochpassfilter einschalten<br />

( ) <strong>und</strong> Schalter S3 auf 40 kHz<br />

stellen.<br />

3) Schalter S2 auf stellen.<br />

4) Auflagemaske US07a verwenden (siehe<br />

Abb. 1).<br />

5) Hohlspiegel <strong>und</strong> Ultraschallabsorber aufstellen.<br />

6) Ultraschallsender 40 kHz an Ausgang des<br />

Generators G1 anschließen, an Position 1<br />

(α = 45°) auflegen <strong>und</strong> auf das Zentrum des<br />

Hohlspiegels ausrichten.<br />

Hinweis: Die Krümmungsradien des Hohlspiegels<br />

<strong>und</strong> des in der Auflagemaske US07a eingezeichneten<br />

Kreisbogens um das Zentrum des<br />

Hohlspiegels stimmen überein (R = 200 mm).<br />

US07a<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

B<br />

f<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

2<br />

1<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Hohlspiegel<br />

1


US07 Schülerblatt Ultraschallwellen<br />

7) Zur Messung der Intensität die Mikrofonsonde<br />

an Eingang von Verstärkerkanal A<br />

anschließen.<br />

8) Analogmultimeter mittels Kabel BNC/4mm<br />

an Ausgang des Verstärkerkanals A anschließen<br />

(Messbereich: z.B. 10 VAC).<br />

9) Mikrofonsonde auf Zentrum des Hohlspiegel<br />

ausrichten <strong>und</strong> Amplitudensteller des<br />

Generators G1 auf mittlere Amplitude stellen,<br />

so dass das Multimeter eine Spannung<br />

von 5 V anzeigt.<br />

10) Mikrofonsonde verschieben, dabei immer<br />

auf das Zentrum des Hohlspiegels ausrichten<br />

<strong>und</strong> Maximum der reflektierten Intensität<br />

suchen.<br />

11) Ultraschallsender an Position 2 (α = 22,5°)<br />

auflegen <strong>und</strong> auf das Zentrum des Hohlspiegels<br />

ausrichten.<br />

12) Mikrofonsonde verschieben, dabei immer<br />

auf das Zentrum des Hohlspiegels ausrichten<br />

<strong>und</strong> Maximum der reflektierten Intensität<br />

suchen.<br />

13) Beobachtungen erläutern.<br />

14) Auflagemaske US07b verwenden <strong>und</strong><br />

Fresnel’sche Zonenplatte aufstellen.<br />

15) Ultraschall-Sender in ca. 30 cm Entfernung<br />

auf die Symmetrieachse legen <strong>und</strong> auf die<br />

Fresnel’sche Zonenplatte ausrichten.<br />

16) Mikrofonsonde auf der anderen Seite auflegen<br />

<strong>und</strong> das Maximum der Intensität suchen.<br />

17) Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

12V AC<br />

AB<br />

G 2<br />

A<br />

f<br />

B<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

25 kHz<br />

40 kHz<br />

US<br />

07b<br />

30 cm<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau mit Fresnel’scher Zonenplatte<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Schülerblatt<br />

MEC01 Bestimmung von Federkonstanten<br />

Aufgabe<br />

Statische Bestimmung von Federkonstanten.<br />

Dynamische Bestimmung von Federkonstanten.<br />

Geräte<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Schraubenfeder I<br />

1 Schraubenfeder II<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

1 Gliedermaßstab<br />

1 Stoppuhr<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> beide<br />

Schraubenfedern an Querstange hängen.<br />

2) Zwei Massestücke entnehmen.<br />

3) Drei Glieder des Maßstabes ausklappen<br />

<strong>und</strong> Gliedermaßstab auf Box für Massestücke<br />

stellen.<br />

4) Höhe der Querstange so ausrichten, dass<br />

die Unterkante der Schraubenfeder I mit<br />

dem Nullpunkt der Skala übereinstimmt.<br />

5) Zwei Massestück einhängen, Auslenkung s<br />

messen <strong>und</strong> in Tabelle 1 notieren.<br />

0<br />

0<br />

0<br />

s<br />

0:0000<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


MEC01 Schülerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

6) Anschließend das System aus der Ruhelage<br />

auslenken, mit der Stoppuhr die Zeit für<br />

50 <strong>Schwingungen</strong> messen <strong>und</strong> in Tabelle 2<br />

notieren.<br />

7) Messungen für Schraubenfeder II wiederholen.<br />

8) In beiden Tabellen die Federkonstanten k<br />

berechnen.<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

Tabelle 1: Statische Methode<br />

F m<br />

g<br />

k <br />

s s<br />

k: Federkonstante,<br />

m: angehängte Masse, g: Fallbeschleunigung,<br />

F: Gewichtskraft, s: Auslenkung der Feder<br />

Feder m / g F / N s / cm k / N/m<br />

I 100<br />

II 100<br />

Tabelle 2: Dynamische Methode<br />

2 2<br />

m0 2 m0<br />

4π 50<br />

k m ω<br />

m <br />

2<br />

3 3 50 T<br />

k: Federkonstante,<br />

m: angehängte Masse,<br />

m 0 : Masse der Schraubenfeder,<br />

ω: Winkelbeschleunigung,<br />

T: Schwingungsdauer<br />

Feder m / g m 0 / g 50T / s k / N/m<br />

I 100 3<br />

II 100 15<br />

<br />

<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Schülerblatt<br />

MEC02 <strong>Schwingungen</strong> zweier „gleicher“ Schraubenfedern<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung der <strong>Schwingungen</strong> zweier „gleicher“ Schraubenfedern.<br />

Feinabgleich der beiden Systeme auf gleiche Schwingungsdauer.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

2 Dynamische Kraftsensoren<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Kabel BNC/ 4 mm<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

2 Schraubenfedern I<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

1 Analogmultimeter (z.B. Escola 2)<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> beide<br />

dynamischen Kraftsensoren an der<br />

Querstange befestigen.<br />

3) Dynamische Kraftsensoren an Eingänge A<br />

<strong>und</strong> B des Betriebsgerätes MEC anschließen.<br />

4) Ausgänge A <strong>und</strong> B mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop z.B.<br />

200 mV/DIV, 400 ms/DIV, DC).<br />

5) Zwei schwingungsfähige Systeme aus einer<br />

Schraubenfeder <strong>und</strong> je vier Massestücken<br />

anhängen.<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

1


MEC02 Schülerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

6) Beide Systeme gleichzeitig nach unten<br />

auslenken <strong>und</strong> loslassen.<br />

7) <strong>Schwingungen</strong> mit bloßem Auge <strong>und</strong> mit<br />

dem Oszilloskop verfolgen.<br />

8) Durch Anhängen von Büroklammern das<br />

schnellere der beiden Systeme auf das<br />

langsamere abgleichen.<br />

Beobachtungen<br />

9) Multimeter an Ausgang Δφ AB anschließen<br />

<strong>und</strong> Messbereich 10 V DC (Nullpunkt Mitte)<br />

wählen.<br />

Hinweis: U = -8 V entspricht Δφ AB = 0°, U = 8 V<br />

entspricht Δφ AB = 180°<br />

10) Erneut die Schwingungssysteme gleichzeitig<br />

nach unten auslenken <strong>und</strong> loslassen.<br />

11) Die Auslenkungen mit dem Oszilloskop <strong>und</strong><br />

die Phasendifferenz mit dem Multimeter<br />

verfolgen.<br />

12) Alternativ den Ausgang Δφ AB an einen Kanal<br />

des Oszilloskops anschließen <strong>und</strong> größere<br />

Zeitbasis „Time/DIV“ wählen.<br />

13) Ggf. durch Anhängen oder Entfernen von<br />

Büroklammern die Schwingungssysteme<br />

noch genauer auf gleiche Schwingungsdauer<br />

abstimmen, so dass die Phasendifferenz<br />

konstant bleibt.<br />

14) Ein Schwingungssystem nach unten, das<br />

andere nach oben auslenken <strong>und</strong> beide<br />

gleichzeitig loslassen.<br />

15) Die Auslenkungen mit dem Oszilloskop <strong>und</strong><br />

die Phasendifferenz mit dem Multimeter<br />

verfolgen.<br />

16) Beobachtungen erläutern.<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Schülerblatt<br />

MEC03 Fadenpendel<br />

Aufgabe<br />

<br />

Bestimmung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels.<br />

Geräte<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Hanfbindfaden<br />

1 Fadenöse<br />

1 Satz 10 Massestücke 50 g<br />

1 Gliedermaßstab<br />

1 Stoppuhr<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen.<br />

2) 1 m Hanfbindfaden abschneiden <strong>und</strong> ein<br />

Ende an der Querstange festknoten.<br />

3) Faden durch Fadenöse führen <strong>und</strong> zweites<br />

Ende festknoten.<br />

4) Ein Massestück in die Schlaufe einhängen.<br />

5) Durch Verschieben der Fadenöse eine<br />

Pendellänge von ca. 70 cm einstellen.<br />

6) Fadenpendel auslenken <strong>und</strong> Dauer von 50<br />

<strong>Schwingungen</strong> mit der Stoppuhr messen.<br />

7) Gemessene T m Schwingungsdauer mit der<br />

Theorie vergleichen.<br />

s = 70 cm<br />

Messung <strong>und</strong> Auswertung<br />

L<br />

Tr<br />

2π ,<br />

g<br />

T r : berechnete Schwingungsdauer,<br />

L: Pendellänge, g: Fallbeschleunigung<br />

L / m T / s 20T / s T / s<br />

0:0000<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

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Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Schülerblatt<br />

MEC04 Gedämpfte Federschwingungen<br />

Aufgabe<br />

Aufzeichnung von Auslenkung <strong>und</strong> Geschwindigkeit eines Federpendels.<br />

Aufzeichnung gedämpfter <strong>Schwingungen</strong>.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Dynamischer Kraftsensor<br />

2 BNC-Kabel<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

2 Doppelmuffen<br />

1 Schraubenfeder I<br />

1 Stabmagnet<br />

1 Magnethaken<br />

1 Induktionsspule<br />

1 Dämpfungsring<br />

1 Box für Massestücke<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Stativ gemäß Abbildung aufbauen <strong>und</strong> dynamischen<br />

Kraftsensor an Querstange befestigen.<br />

2) Kraftsensor an Eingang A des Betriebsgerätes<br />

MEC anschließen.<br />

3) Induktionsspule an Eingang C des Betriebsgerätes<br />

MEC anschließen <strong>und</strong> auf<br />

Box für Massestücke stellen.<br />

4) Schraubenfeder an Kraftsensor einhängen<br />

<strong>und</strong> Magnet mit Magnethaken anhängen.<br />

5) Anordnung so ausrichten, dass der Magnet<br />

zur Hälfte in die Wicklungen der Induktionsspule<br />

eintaucht.<br />

6) Ausgänge A <strong>und</strong> C mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop z.B.<br />

200 mV/DIV an A <strong>und</strong> 5 V/DIV an C, DC).<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau (ohne Dämpfungsring)<br />

1


MEC04 Schülerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> <strong>und</strong> <strong>Wellen</strong><br />

7) Schraubenfeder nach unten auslenken <strong>und</strong><br />

Schwingung mit bloßem Auge <strong>und</strong> mit dem<br />

Oszilloskop verfolgen.<br />

8) Beobachtungen erläutern.<br />

Beobachtungen<br />

9) Dämpfungsring über das obere Ende der<br />

Induktionsspule schieben <strong>und</strong> Experiment<br />

wiederholen.<br />

10) Beobachtungen erläutern.<br />

OSCILLOSCOPE<br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

C<br />

AB<br />

CH1<br />

(X)<br />

CH2<br />

(Y)<br />

EXT<br />

Abb. 2 Experimenteller Aufbau mit Dämpfungsring<br />

<strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH ▪ Rudorffweg 8 ▪ 21031 Hamburg ▪ Deutschland ▪ www.3bscientific.com<br />

Technische Änderungen vorbehalten, © Copyright 2013 <strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH


Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

Schülerblatt<br />

MEC05 Stehende Seilwellen<br />

Aufgabe<br />

Anregung sehender Seilwellen au einem Gummiseil.<br />

Geräte<br />

1 Betriebsgerät MEC<br />

1 Steckernetzgerät<br />

1 Exzentermotor<br />

1 Dynamischer Kraftsensor<br />

1 BNC-Kabel<br />

1 Gr<strong>und</strong>platte<br />

2 Stativstangen mit Außen- <strong>und</strong> Innengewinde<br />

2 Stativstangen mit Außengewinde<br />

1 Querstange<br />

1 Doppelmuffe<br />

1 Satz Massestücke 50 g<br />

1 Gummiseil<br />

1 Gliedermaßstab<br />

Zusätzlich erforderlich:<br />

1 Zweikanal-Oszilloskop<br />

Aufbau <strong>und</strong> Durchführung<br />

1) Zur Stromversorgung des Betriebsgerätes<br />

das mitgelieferte Steckernetzgerät anschließen.<br />

2) Exzentermotor an Ausgang M des Betriebsgerätes<br />

anschließen <strong>und</strong> Frequenzsteller<br />

auf Linksanschlag drehen.<br />

3) Stativ gemäß Abbildung aufbauen.<br />

4) Auf der linken Seite unten den Exzentermotor<br />

montieren <strong>und</strong> oben die Querstange zur<br />

Umlenkung des Gummiseils anordnen.<br />

5) Zur weiteren Umlenkung auf der rechten<br />

Seite in halber Höhe den Kraftsensor befestigen<br />

<strong>und</strong> den Magnethaken auf der<br />

Gr<strong>und</strong>platte vor der linken Stativstange anordnen.<br />

6) Gummiseil an der linken Stativstange fest<br />

knüpfen, über den Magnethaken <strong>und</strong> den<br />

Kraftsensor zur Querstange führen <strong>und</strong> von<br />

dort herunter hängenlassen.<br />

7) In eine Schlaufe am freien Ende vier Massestücke<br />

einhängen.<br />

8) Magnethaken auf der Gr<strong>und</strong>platte so verschieben,<br />

dass das Gummiseil den Exzenter<br />

gerade streift.<br />

9) Mit dem Frequenzsteller die Motordrehzahl<br />

so wählen, dass sich eine stehende Seilwelle<br />

zwischen Exzenter <strong>und</strong> Kraftsensor<br />

bildet.<br />

10) Zahl der Knoten der stehenden Seilwelle<br />

bestimmen.<br />

11) Motordrehzahl variieren, um stehende<br />

Seilwelle mit anderer Knotenzahl zu erzeugen.<br />

12) Ggf. zur Frequenzmessung den Kraftsensor<br />

an Eingang A des Betriebsgerätes MEC<br />

anschließen <strong>und</strong> Ausgang A mit dem Oszilloskop<br />

verbinden (Einstellung am Oszilloskop<br />

z.B. 10 mV/DIV, 10 ms/DIV, AC).<br />

Beobachtungen<br />

1


MEC05 Schülerblatt Mech. <strong>Schwingungen</strong> u. <strong>Wellen</strong><br />

12V AC<br />

f<br />

Motor<br />

A<br />

B<br />

AB<br />

C<br />

Abb. 1 Experimenteller Aufbau<br />

<strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH ▪ Rudorffweg 8 ▪ 21031 Hamburg ▪ Deutschland ▪ www.3bscientific.com<br />

Technische Änderungen vorbehalten, © Copyright 2013 <strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH

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