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Doppler-Effekt – eine bewegte Schallquelle

PhysikSchwingungen und WellenAlter 16–17

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Eine Schallquelle (ein Fahrzeug mit Sirene) fährt mit konstanter Geschwindigkeit an einem Hörer vorbei, der im Abstand d von der Straße steht; die Wellenfronten sind Kreise, die von früheren Positionen der Quelle ausgesandt wurden, daher drängen sie sich vor der Quelle zusammen und liegen hinter ihr weiter auseinander. Die vom Hörer empfangene Frequenz f' wird aus den Geschwindigkeitskomponenten entlang des Schallwegs berechnet und als Zahl, als f'(t)-Diagramm und als Ton ausgegeben: hoch, solange sich die Quelle nähert, immer tiefer, wenn sie sich entfernt. Der Hörer kann sich auch entgegen der Quelle oder in gleicher Richtung bewegen.

Lektion: Schallwellen: der Doppler-Effekt bei bewegter Quelle oder bewegtem Beobachter

Was sie zeigt

Der Doppler-Effekt ist die Änderung der gehörten Frequenz, wenn sich eine Schallquelle und ein Hörer relativ zueinander bewegen. Eine bewegte Quelle sendet jeden Wellenberg von einer neuen Position aus, daher drängen sich die Wellenberge vor ihr zusammen und liegen hinter ihr weiter auseinander. Nähern sich beide, treffen die Wellenberge häufiger ein und man hört eine höhere Frequenz; entfernen sie sich, eine tiefere. In ruhender Luft gilt f' = f·(v + vo')/(v − vs'), wobei vs' und vo' die Geschwindigkeitskomponenten auf der Verbindungslinie sind. Beim Vorbeifahren ändern sich diese Komponenten stetig, und der Ton gleitet nach unten wie ein vorbeifahrendes Martinshorn.

So funktioniert es

Klicken Sie auf das Lautsprechersymbol, um den Ton zu hören, und verfolgen Sie eine Vorbeifahrt: f' beginnt hoch, gleitet über die Frequenz der Quelle hinweg nach unten und endet tief. Vergleichen Sie die Abstände der Kreise vor und hinter der Quelle. Ändern Sie Quellgeschwindigkeit und Frequenz der Quelle, ziehen Sie den Hörer, um Abstand zur Straße zu ändern, oder stellen Sie Hörer auf Entgegen der Quelle. Mit Pause, Start und Zurücksetzen wiederholen Sie eine Vorbeifahrt.

Einstellbare Parameter

  • Geschwindigkeit der Quelle 0–170 m/s
  • Frequenz der Quelle 200–1000 Hz
  • Hörer In Ruhe, Entgegen der Quelle, Mit der Quelle
  • Geschwindigkeit des Hörers 0–100 m/s
  • Abstand des Hörers zur Straße 10–60 m

Fragen zum Erkunden

  1. Warum sinkt f' allmählich, statt von hoch auf tief zu springen, wenn die Quelle am Hörer vorbeifährt?
  2. Warum ist f' erst kurz nach dem Moment gleich f, in dem die Quelle auf Höhe des Hörers ist?
  3. Wie verhalten sich bei 170 m/s die Wellenlängen vor und hinter der Quelle zur Wellenlänge bei ruhender Quelle?

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