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 />
<strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH ▪ Rudorffweg 8 ▪ 21031 Hamburg ▪ Deutschland ▪ www.3bscientific.com<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 />
<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
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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Technische Änderungen vorbehalten, © Copyright 2013 <strong>3B</strong> <strong>Scientific</strong> GmbH
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