Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, M-Niveau

Wellen - Physik

Einleitung

Wellen begegnen Dir überall: beim Klang einer Stimme, bei Wasserbewegungen, beim Licht und bei Erdbeben. In der Physik beschreibt eine Welle die Ausbreitung einer Störung oder Schwingung. Dabei werden Energie und oft auch Information übertragen, aber im Mittel keine Materie über große Strecken transportiert.

Dieser aiMOOC führt Dich von den Grundbegriffen bis zu Interferenz, stehenden Wellen und dem Doppler-Effekt. Die Formeln sind für den Physikunterricht in der Schule ausgewählt.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Wellen beschreiben, wichtige Größen berechnen und typische Wellenphänomene erklären. Du unterscheidest mechanische und elektromagnetische Wellen sowie Longitudinal- und Transversalwellen. Außerdem kannst Du Beobachtungen aus Alltag und Experiment mit passenden Fachbegriffen deuten.

Grundlagen

Was ist eine Welle?

Eine Welle entsteht, wenn eine lokale Störung sich räumlich ausbreitet. Einzelne Teilchen eines Mediums schwingen dabei meist nur um ihre Ruhelage. Ein Korken auf Wasser bewegt sich beispielsweise auf und ab, während die Wellenform über die Oberfläche weiterläuft.

Merksatz: Eine Welle transportiert Energie, aber normalerweise keine Materie dauerhaft mit.

Mechanische und elektromagnetische Wellen

Mechanische Wellen benötigen ein Medium. Dazu gehören Schall, Wellen auf einem Seil und viele Wasserwellen. Ohne Teilchen, die miteinander wechselwirken, können sie sich nicht ausbreiten.

Elektromagnetische Wellen bestehen aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Zu ihnen gehören Licht, Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlung. Sie können sich auch im Vakuum ausbreiten.

Longitudinal- und Transversalwellen

Bei einer Longitudinalwelle schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung. Schall in Luft ist ein wichtiges Beispiel: Verdichtungen und Verdünnungen wandern durch die Luft.

Bei einer Transversalwelle erfolgt die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Das lässt sich an einer gespannten Schnur beobachten. Elektromagnetische Wellen sind ebenfalls transversal.

Wasseroberflächenwellen sind ein Sonderfall: Die Wasserteilchen bewegen sich auf gekrümmten Bahnen. Deshalb sind sie nicht einfach nur reine Transversalwellen.

Kenngrößen einer Welle

Amplitude, Periodendauer, Frequenz und Wellenlänge

Die Amplitude $A$ ist die größte Auslenkung aus der Ruhelage. Eine größere Amplitude bedeutet bei vielen Wellen eine größere übertragene Energie.

Die Periodendauer $T$ gibt an, wie lange eine vollständige Schwingung dauert. Die Frequenz $f$ gibt die Zahl der Schwingungen pro Sekunde an. Es gilt:

$f = \frac{1}{T}$

Die Einheit der Frequenz ist Hertz mit $1 H z = 1 s^{- 1}$ .

Die Wellenlänge $λ$ ist der Abstand zweier benachbarter Punkte mit gleichem Schwingungszustand, zum Beispiel zweier Wellenberge.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit $v$ , Wellenlänge $λ$ und Frequenz $f$ gilt:

$v = λ \cdot f$

Beispiel: Eine Welle hat $λ = 2 m$ und $f = 3 H z$ . Dann ist ihre Geschwindigkeit:

$v = 2 m \cdot 3 s^{- 1} = 6 m / s$

Wechselt eine Welle in ein anderes Medium, kann sich ihre Geschwindigkeit ändern. Die Frequenz bleibt an der Grenze gleich, die Wellenlänge passt sich an.

Harmonische Welle

Eine ideale sinusförmige Welle, die sich in positiver x-Richtung ausbreitet, kann beschrieben werden durch:

$y (x, t) = A \sin (2 π (f t - \frac{x}{λ}) + φ_{0})$

Dabei bezeichnet $φ_{0}$ die Anfangsphase. Für viele Schulaufgaben reichen jedoch die Größen $A$ , $T$ , $f$ , $λ$ und $v$ .

Wellenphänomene

Reflexion

Trifft eine Welle auf eine Grenze, kann sie zurückgeworfen werden. Das nennt man Reflexion. Bei Licht gilt: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.

Bei einer Seilwelle wird ein Puls am festen Ende umgekehrt reflektiert. Am freien Ende erfolgt die Reflexion ohne Umkehrung.

Brechung

Ändert sich beim Übergang in ein anderes Medium die Ausbreitungsgeschwindigkeit, ändert sich meist auch die Richtung der Welle. Dieses Phänomen heißt Brechung. Die Frequenz bleibt dabei konstant, während sich die Wellenlänge verändert.

Huygenssches Prinzip und Beugung

Nach dem huygensschen Prinzip kann jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt neuer Elementarwellen betrachtet werden. Die gemeinsame Einhüllende dieser Elementarwellen bildet die nächste Wellenfront.

An Kanten und Spalten breiten sich Wellen in den geometrischen Schattenraum aus. Das heißt Beugung. Besonders deutlich ist sie, wenn die Größe der Öffnung ungefähr der Wellenlänge entspricht.

Interferenz

Treffen mehrere Wellen zusammen, überlagern sich ihre momentanen Auslenkungen. Dieses Superpositionsprinzip heißt bei Wellen Interferenz.

Bei konstruktiver Interferenz verstärken sich die Wellen. Bei destruktiver Interferenz schwächen sie sich ab oder löschen sich an bestimmten Orten aus. Nach der Überlagerung laufen die Wellen weiter.

Stehende Wellen und Resonanz

Überlagern sich zwei gleichartige Wellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, kann eine Stehende Welle entstehen. Dabei bleiben Knoten mit dauernd kleiner Auslenkung und Bäuche mit großer Auslenkung an festen Orten.

In Saiten, Luftsäulen und anderen schwingungsfähigen Systemen treten nur bestimmte Eigenschwingungen besonders stark auf. Wird ein System mit einer passenden Eigenfrequenz angeregt, entsteht Resonanz.

Doppler-Effekt

Bewegen sich Quelle und Beobachter relativ zueinander, verändert sich die wahrgenommene Frequenz. Nähert sich eine Schallquelle, werden die Wellenfronten vor ihr zusammengedrängt und der Ton erscheint höher. Entfernt sie sich, erscheint der Ton tiefer.

Der Doppler-Effekt wird unter anderem bei Geschwindigkeitsmessungen, in der Medizin und in der Astronomie genutzt.

Beispiele aus Alltag und Technik

Schall: Sprache und Musik breiten sich in Luft als Druckwellen aus.
Licht: Sichtbares Licht ist ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.
Erdbebenwelle: P-Wellen sind überwiegend longitudinal, S-Wellen transversal.
Ultraschall: Medizinische Geräte erzeugen Bilder aus reflektierten Schallwellen.
Funktechnik: Informationen werden mit elektromagnetischen Wellen übertragen.
Musikinstrument: Saiten und Luftsäulen erzeugen stehende Wellen und Resonanzen.

Kleine Experimente

Seilwelle beobachten

Bewege ein Ende eines langen Seils einmal kurz seitlich. Beobachte den laufenden Puls, seine Reflexion und die Bewegung eines markierten Seilpunkts. Der markierte Punkt wandert nicht mit dem Puls bis zum anderen Ende, sondern schwingt nur um seine Lage.

Wellenwanne im Kleinen

Fülle eine flache Schale mit wenig Wasser. Erzeuge mit einem Finger einzelne Kreiswellen und beobachte Reflexionen am Rand. Zwei gleichzeitig erzeugte Kreiswellen zeigen ein Interferenzmuster.

Schall und Resonanz

Blase vorsichtig über verschieden hoch gefüllte Flaschen oder schlage sie sanft an. Vergleiche die Tonhöhen. Arbeite mit geringer Lautstärke und halte Schallquellen nicht direkt ans Ohr.

Zusammenfassung

Eine Welle ist eine sich ausbreitende Störung. Mechanische Wellen brauchen ein Medium, elektromagnetische Wellen nicht. Wichtige Größen sind Amplitude, Periodendauer, Frequenz, Wellenlänge und Geschwindigkeit. Der zentrale Zusammenhang lautet $v = λ f$ . Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, stehende Wellen, Resonanz und Doppler-Effekt erklären viele Beobachtungen aus Natur und Technik.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was wird durch eine Welle im Allgemeinen übertragen? (Energie) (!Materie als dauerhafter Transport) (!Nur Masse) (!Nur elektrische Ladung)

Welche Welle benötigt ein Medium? (Schallwelle in Luft) (!Lichtwelle im Vakuum) (!Radiowelle im Weltraum) (!Röntgenstrahlung im Vakuum)

Wie schwingen Teilchen bei einer Longitudinalwelle? (Parallel zur Ausbreitungsrichtung) (!Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) (!Nur kreisförmig) (!Überhaupt nicht)

Welche Einheit hat die Frequenz? (Hertz) (!Meter) (!Sekunde pro Meter) (!Newton)

Welche Beziehung gilt für die Wellengeschwindigkeit? (v gleich Lambda mal f) (!v gleich Lambda durch f) (!v gleich f durch Lambda) (!v gleich A mal T)

Was bleibt beim Übergang einer Welle in ein anderes Medium gleich? (Die Frequenz) (!Die Geschwindigkeit) (!Die Wellenlänge) (!Die Ausbreitungsrichtung in jedem Fall)

Wann ist Beugung besonders deutlich? (Wenn Öffnung und Wellenlänge ähnlich groß sind) (!Wenn die Öffnung unendlich groß ist) (!Wenn keine Kante vorhanden ist) (!Wenn die Frequenz null ist)

Was geschieht bei konstruktiver Interferenz? (Die Wellen verstärken sich) (!Die Frequenz wird immer null) (!Die Wellen verschwinden dauerhaft) (!Die Ausbreitungsgeschwindigkeit verdoppelt sich)

Wie heißt ein Ort mit dauerhaft kleiner Auslenkung bei einer stehenden Welle? (Knoten) (!Bauch) (!Brennpunkt) (!Pol)

Was beschreibt der Doppler-Effekt? (Eine Frequenzänderung durch Relativbewegung) (!Eine Amplitudenänderung durch Absorption) (!Eine Reflexion am festen Ende) (!Eine Brechung ohne Geschwindigkeitsänderung)

Memory

Amplitude	Größte Auslenkung
Frequenz	Schwingungen pro Sekunde
Wellenlänge	Abstand gleicher Phasenlage
Reflexion	Zurückwerfen an einer Grenze
Beugung	Ausbreitung hinter Kanten
Interferenz	Überlagerung von Wellen
Knoten	Ort kleiner Auslenkung
Resonanz	Starke Schwingung bei passender Anregung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Longitudinalwelle	Schwingung parallel zur Ausbreitung
Transversalwelle	Schwingung senkrecht zur Ausbreitung
Konstruktive Interferenz	Verstärkung bei Überlagerung
Destruktive Interferenz	Abschwächung bei Überlagerung
Stehende Welle	Ortsfeste Knoten und Bäuche

...

Kreuzworträtsel

Amplitude	Wie heißt die größte Auslenkung einer Schwingung?
Wellenlänge	Wie heißt der Abstand zweier Punkte gleicher Phasenlage?
Frequenz	Welche Größe gibt Schwingungen pro Sekunde an?
Interferenz	Wie heißt die Überlagerung mehrerer Wellen?
Reflexion	Wie heißt das Zurückwerfen einer Welle?
Doppler	Welcher Effekt verändert die beobachtete Frequenz bei Relativbewegung?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Wellen im Alltag: Fotografiere oder zeichne drei Beispiele und erkläre jeweils, was sich ausbreitet.
Seilwelle: Erzeuge einen einzelnen Puls auf einem Seil und beschreibe die Bewegung eines markierten Seilpunkts.
Begriffsnetz: Gestalte ein Begriffsnetz mit Amplitude, Frequenz, Periodendauer, Wellenlänge und Geschwindigkeit.
Erklärbild: Zeichne eine Welle und beschrifte Ruhelage, Amplitude, Wellenberg, Wellental und Wellenlänge.

Standard

Wellengeschwindigkeit: Entwickle drei Rechenaufgaben zu $v = λ f$ und löse sie vollständig.
Interferenzexperiment: Erzeuge in einer flachen Wasserschale zwei Kreiswellen und dokumentiere das Muster mit Skizzen.
Schallanalyse: Untersuche mit einer geeigneten App unterschiedliche Töne und vergleiche Frequenz und Amplitude bei sicherer Lautstärke.
Medienvergleich: Vergleiche eine mechanische Welle und eine elektromagnetische Welle in einer übersichtlichen Tabelle.

Schwer

Stehende Welle: Untersuche, wie sich Knoten und Bäuche auf einer Schnur bei veränderter Frequenz verschieben, und formuliere eine Erklärung.
Doppler-Effekt: Plane eine anschauliche Modellvorführung und erläutere, welche Abstände der Wellenfronten sich verändern.
Huygenssches Prinzip: Erstelle eine Bildfolge, die Reflexion, Brechung oder Beugung mit Elementarwellen erklärt.
Physikvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, das ein Wellenphänomen zeigt, fachlich erklärt und eine Kontrollfrage enthält.

Lernkontrolle

Modellkritik: Erkläre, warum die Aussage „Wasser wandert mit der Welle bis ans Ufer“ als allgemeine Beschreibung irreführend ist.
Transfer Schall und Licht: Begründe, warum Schall im Vakuum nicht hörbar ist, Licht sich dort aber ausbreiten kann.
Grenzflächenanalyse: Eine Welle gelangt in ein langsameres Medium. Leite her, wie sich bei gleicher Frequenz ihre Wellenlänge verändert.
Anwendungsproblem: Erkläre mit Interferenz, wie aktive Geräuschunterdrückung prinzipiell störenden Schall abschwächen kann.
Experimentauswertung: In einer stehenden Welle bleiben bestimmte Punkte unbewegt. Deute diese Beobachtung durch Überlagerung zweier laufender Wellen.
Alltagstransfer: Begründe mithilfe von Beugung, warum tiefe Töne Hindernisse oft besser „umrunden“ als sehr hohe Töne.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Begriffe nicht nur nennen, sondern auf Beobachtungen und Rechnungen anwenden kannst.

Fachbegriffe: Welle, Amplitude, Periodendauer, Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit sicher verwenden.
Wellentypen: Mechanische und elektromagnetische sowie longitudinale und transversale Wellen unterscheiden.
Berechnung: Mit $f = 1 / T$ und $v = λ f$ rechnen und Einheiten korrekt angeben.
Wellenphänomene: Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz an Beispielen erklären.
Stehende Wellen: Knoten, Bäuche, Eigenfrequenzen und Resonanz in Zusammenhang bringen.
Transfer: Doppler-Effekt oder eine technische Anwendung fachlich nachvollziehbar erläutern.
Experiment: Beobachtungen dokumentieren, auswerten und Grenzen des verwendeten Modells benennen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Wellen - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.