Physik · Klasse 12–13 · aktualisiert
Longitudinal- und Transversalwellen unterscheiden
Erkenne Wellentypen an Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung, auch bei Schall, Licht und Wasser.
0 von 12 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Bei einer Transversalwelle schwingt die betrachtete Größe senkrecht zur Ausbreitung. Bei einer Longitudinalwelle schwingt sie parallel dazu. Luftschall ist longitudinal; eine quer angeregte Federwelle ist im einfachen Modell transversal.
Bei einer Transversalwelle steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bei einer Longitudinalwelle sind beide Richtungen parallel. Entscheidend ist also nicht das Aussehen der Welle, sondern die Bewegung der schwingenden Teilchen oder Felder.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Frage zuerst: In welche Richtung läuft die Störung? In welche Richtung schwingen Teilchen oder Felder? Eine Form mit Wellenbergen allein verrät den Typ nicht.
Eine waagerechte Schraubenfeder zeigt beide Fälle. Bewegst du ihr Ende auf und ab, läuft die Störung längs der Feder, während die Windungen quer dazu schwingen. Drückst du das Ende längs der Feder zusammen, laufen Verdichtungen und Verdünnungen längs der Feder. Die Windungen schwingen dann vor und zurück.
Definition
Transversalwelle
Bei einer Transversalwelle, auch Querwelle genannt, steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Kurz: Schwingung \perp Ausbreitung.
Definition
Longitudinalwelle
Bei einer Longitudinalwelle, auch Längswelle genannt, verläuft die Schwingungsrichtung parallel zur Ausbreitungsrichtung. Kurz: Schwingung \parallel Ausbreitung.
Merke: Vergleiche die beiden Richtungen: senkrecht bedeutet transversal, parallel longitudinal.
Teste dich
Eine mechanische Welle überträgt eine Störung samt Energie oder Information. Die Teilchen des Mediums schwingen um ihre Gleichgewichtslage; das Medium wandert nicht als Ganzes vom Ausgangspunkt zum Ziel.
Die Teilchengeschwindigkeit beschreibt, wie schnell und in welche Richtung sich ein einzelnes Teilchen gerade bewegt. Sie ändert sich während der Schwingung. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibt dagegen die Bewegung eines Wellenzustands, etwa einer Verdichtung. Beide Größen beschreiben verschiedene Bewegungen; sie dürfen nicht gleichgesetzt werden.
Definition
Ausbreitungsgeschwindigkeit
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich ein bestimmter Zustand der Welle, etwa ein Wellenberg oder eine Verdichtung, durch den Raum bewegt.
Beispiel: Markierte Windung einer Feder
- 1Eine Verdichtung läuft auf einer waagerechten Schraubenfeder nach links. Eine markierte Windung bewegt sich dabei kurz nach links und dann wieder nach rechts.
- 2Die Verdichtung läuft längs der Feder; die Windung bleibt in ihrem Ortsbereich.
- 3Windungsbewegung und Ausbreitung liegen auf derselben Achse. Deshalb ist die Welle longitudinal.
- 4Die Windung legt nicht den gesamten Weg der Verdichtung zurück.
Teste dich
Schall in Luft: Luftteilchen schwingen längs der Ausbreitung. In einer Verdichtung liegen sie dichter beieinander und der Druck ist höher; in einer Verdünnung liegen sie weiter auseinander und der Druck ist niedriger. Luftschall ist eine mechanische Longitudinalwelle.
Licht: Elektrische und magnetische Felder schwingen senkrecht zur Ausbreitung. Als elektromagnetische Transversalwelle braucht Licht kein materielles Medium und kann sich im Vakuum ausbreiten.
Erdbeben: P-Wellen sind longitudinal, S-Wellen transversal. Scherwellen können Flüssigkeiten im Inneren nicht durchlaufen. Deshalb ist „Erdbebenwellen sind transversal“ zu pauschal.
Wasseroberfläche: Bei kleinen Wellen in tiefem Wasser bewegen sich oberflächennahe Teilchen im einfachen linearen Modell näherungsweise auf Kreisbahnen. Ihre Bewegung hat quer und längs zur Ausbreitung gerichtete Anteile. In flachem Wasser werden die Bahnen eher elliptisch. Bei realen Wellen kann zusätzlich eine langsame Drift auftreten. Eine sichtbare Wellenform allein beweist keinen reinen Transversaltyp.
Merke: Ein Wellenberg zeigt die Form der Störung. Für den Wellentyp zählt die Bewegung der Teilchen oder Felder relativ zur Ausbreitung.
Teste dich
Die Richtungen allein legen keine allgemeine Reihenfolge der Wellengeschwindigkeiten fest: Das Medium und seine Eigenschaften entscheiden mit. In einem einfachen elastischen Festkörper desselben Materials laufen Longitudinalwellen schneller als Transversalwellen. Für Wellen in verschiedenen Medien folgt daraus kein allgemeiner Vergleich.
Mechanische Transversalwellen im Inneren eines Mediums brauchen eine Rückstellwirkung gegen seitliche Verschiebung. Wasseroberflächenwellen sind gemischte Oberflächenbewegungen; elektromagnetische Transversalwellen brauchen kein materielles Medium.
Bei Transversalwellen kann eine bestimmte Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitung ausgewählt werden: Das ist Polarisation. Bei einer Longitudinalwelle ist die Schwingungsrichtung schon längs der Ausbreitung festgelegt.
Beispiel: Polarisation und Wellentyp
- 1Eine Querwelle läuft entlang einer gespannten Feder. Die Hand kann quer dazu nach oben oder seitlich schwingen.
- 2Wählt man eine dieser Querrichtungen aus, ist die Welle polarisiert.
- 3Bei einer Längswelle entlang der Feder gibt es diese Wahl zwischen Querrichtungen nicht.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Longitudinal- und Transversalwelle
Richtungsprüfung
Schwingung und Ausbreitung vergleichen
Transversal
Schwingung senkrecht zur Ausbreitung
Longitudinal
Schwingung parallel zur Ausbreitung
Beispiele
Feder quer oder längs, Luftschall längs, Licht quer
Sonderfälle
Wasseroberfläche gemischt; P- und S-Wellen verschieden
Polarisation
Auswahl einer Querrichtung bei Transversalwellen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Bewegung bei einer ebenen Wasserwelle
- 1Auf tiefem Wasser läuft eine kleine ebene Oberflächenwelle nach rechts. Ein gedachter oberflächennaher Wasserpunkt bewegt sich im einfachen linearen Modell dabei örtlich auf und ab sowie vor und zurück.
- 2Die Störung breitet sich nach rechts aus. Der gedachte Wasserpunkt zeigt die Bewegung des Wassers nahe der Oberfläche.
- 3Es gibt Bewegungsanteile quer und längs zur Ausbreitung. Die Welle ist daher im einfachen Tiefwassermodell eine Mischform.
- 4Die sichtbaren Wellenberge allein reichen für die Einordnung nicht.
Fehler finden
Bewegung an einer Wasseroberfläche prüfen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile schließt aus der sichtbaren Oberflächenform auf den Typ. Im einfachen Tiefwassermodell hat die Welle transversale und longitudinale Bewegungsanteile.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Schall in Luft ist . Die Teilchen schwingen zur Ausbreitung. Bei Licht schwingen quer zur Ausbreitung.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback