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Physik-LK · Skript PL1 · Schwingungen

Federpendel und Schwingkreis im Vergleich

Ein Wagen an einer Feder und ein Schwingkreis gehorchen derselben Gleichung: m · x = −D · x und L · Q = −1C · Q. Deshalb lässt sich jede Größe des einen einer Größe des anderen zuordnen.

So gehst du vor

  1. 1Beobachte beide Schwinger nebeneinander. Blau sind x und Q mit Spannenergie und elektrischer Energie, rot v und I mit kinetischer und magnetischer Energie.
  2. 2Tippe in der Tabelle eine Zeile an: Die zugehörigen Teile leuchten in beiden Zeichnungen orange auf.
  3. 3Tippe auf die Zeitpunkte und vergleiche die Standbilder. Mit „Weiterlaufen“ geht es weiter.
  4. 4Ändere m und D. Schalte dann „Gleich schnell“ aus und stelle L und C so ein, dass beide wieder im Takt schwingen.
  5. 5Schalte die Dämpfung zu.
Zeitpunkt:

Zuordnung der Größen

Federpendel
Schwingkreis
T = 2π · √(mD) = 0,993 s
T = 2π · √(L · C) = 0,993 s

Verlauf über der Zeit

Alle Kurven sind auf den Höchstwert der ungedämpften Schwingung bezogen, deshalb reicht die Skala von −1 bis 1. Die Kurven v und I sind gegen x und Q um eine Viertelperiode verschoben.

Federpendel

Masse m

0,50 kg

Federhärte D

20 Nm

Amplitude x

8 cm

Schwingkreis

L ist proportional zu m, 1C proportional zu D, mit demselben Faktor. Dann stimmen die Periodendauern überein.

Aufträge

  1. Halte bei T4 an. Beschreibe für beide Schwinger, wo die Energie steckt und was die Bewegung bzw. den Strom weiterlaufen lässt.
  2. Warum ist die Masse die passende Entsprechung zur Induktivität, obwohl eine Spule gar nichts wiegt? Formuliere den Satz „Die Masse widersetzt sich …, die Induktivität widersetzt sich …“.
  3. Verdopple D. Was muss sich beim Schwingkreis ändern, damit er mitzieht? Prüfe mit T = 2π · √(L · C).
  4. Schalte „Gleich schnell“ aus und stelle für m = 0,50 kg und D = 20 Nm mit C = 20 µF die Induktivität so ein, dass beide im Takt sind. Rechne erst, stelle dann ein.
  5. Schalte die Dämpfung zu. Wie groß sind b und R bei δ = 0,20 s−1? Wo bleibt in beiden Fällen die Energie?
  6. Nenne Unterschiede, die die Zuordnung nicht zeigt: Was sieht man beim Pendel, was nicht beim Schwingkreis? Welche Frequenzen erreicht man jeweils? Welcher der beiden strahlt Energie ab?

Theorie: Skript 3, Abschnitt „Vergleich mit dem Federpendel“, und Schwingungs-Skript, Abschnitt „Dieselbe Gleichung im Stromkreis“.

Einordnen in minærva tela

Worauf das aufbaut und wohin es führt: