Big Bang Physik 6, Schulbuch

5888ad 56  RG 6.1, G 6.2 Wellen Wellengrundlagen 2 20  Wenn sich eine Welle in einem gleichförmigen Medium ohne Hindernisse ausbreitet, dann tut sie das geradlinig. Das ist langweilig! Spannend wird es, wenn sich das Medium in irgendeiner Weise ändert , weil dann die Welle ihre Richtung ändert. Um solche Richtungsänderungen geht es in diesem Kapitel. Vorher ist aber noch von zwei wichtigen Prinzipien die Rede, mit deren Hilfe man diese Richtungsänderungen einfach erklären kann. Wenn man mehrere Darstellungsmöglichkeiten kennt, dann versteht man eine Sache nicht nur tiefer, sondern kann sich auch die beste für die jeweilige Situation heraussuchen. 20.1 Wieso die Welle den Weg weiß Die Prinzipien von Huygens und Fermat und die Interferenz In diesem Abschnitt ist von zwei wichtigen Prinzipien die Rede, mit deren Hilfe wir die Richtungsänderungen von Wellen einfach erklären können. Wenn ein Tropfen ins Wasser fällt, dann entstehen rund um die Einschlagstelle konzentrische Kreise ( F1 , Abb. 19.1, S. 45). Eine solche Welle nennt man Kreiswelle . Wenn ein Knallkörper in der Luft explodiert, dann breitet sich der Schall kugelförmig aus. Das nennt man eine Kugelwelle . Beide sind so genannte Elementarwellen . Wie breitet sich eine 2-dimensionale Welle aus, die an einem Punkt ausgelöst wird – etwa eine Wasserwelle? Wie breitet sich eine 3-dimensionale Welle aus – etwa der Luftschall? Was versteht man in Physik und Chemie unter einem Element? Was passiert eigentlich, wenn sich zwei Wellen überlagern – zum Beispiel zwei Wasserwellen? Eine ungestörte Welle breitet sich geradlinig aus. Woher weiß aber die Welle, in welche Richtung das ist? Drei Lichtstrahlen gehen gleichzeitig von der Flamme aus (Abb. 20.1). Welcher kommt zuerst am Schirm an? Und woher wissen die Wellen, welchen Weg sie nehmen müssen? F1 W2 F2 W1 F3 W1 F4 E1 F5 E2 Abb. 20.1:  Welcher ist der schnellste Weg? Elementar bedeutet grundlegend. Ein Element ist zum Bei- spiel ein mit chemischen Methoden nicht mehr zerlegbarer Stoff ( F2 ). Ein Element ist also ein grundlegender Stoff. Eine Elementarwelle ist eine Welle, die nicht mehr weiter zerlegt werden kann. Sie ist eine grundlegende Welle. Genau genommen kommen solche Wellen im Alltag nicht vor, denn sie werden durch eine punktförmige Störung ver- ursacht, und weder der Tropfen noch der Knallkörper sind wirklich punktförmig. Aber es geht hier ums Prinzip! Der niederländische Physiker CHRISTIAN HUYGENS (1629– 1695) formulierte um 1680 ein nach ihm benanntes Prinzip, das für alle Arten von Wellen gilt. Das Huygens-Prinzip lautet: Jeder Punkt, der gerade von einer Welle erfasst wird, sendet eine neue Elementarwelle aus. Die Überlagerung all dieser Wellen ergibt die sichtbare Welle. Welche Belege gibt es für seine Behauptung? Wenn etwa eine Wasserwelle durch ein Loch geht, dann entsteht dahinter eine Kreiswelle, also eine Elementarwelle. Dabei ist es völlig egal, wie die ursprüngliche Welle aussieht (Abb. 20.2). So kann man eine neu entstandene Elementar- welle isolieren. Das ist ein Beleg für den ersten Teil des Prinzips. Nun entstehen also zu jeder Zeit an jedem Punkt der Wellenfront neue Elementarwellen. Ein Tohuwabohu von unendlich vielen Wellen! Und jetzt kommt die Interferenz ins Spiel (S. 40). Alle diese Wellen überlagern sich und ver- stärken einander oder löschen einander aus. Und dadurch entsteht genau die „simple“ Welle, die du dann siehst. Jede beliebige Welle lässt sich also aus unendlich vielen Elemen- tarwellen zusammensetzen. Beispiele dafür kannst du in Abb. 20.3 und 20.4 sehen. Das ist der Beleg für den zweiten Teil des Prinzips. Abb. 20.2:  Simulation der Entstehung einer Elementarwelle an einem Loch: Es spielt dabei keine Rolle, ob die ursprüngliche Welle eine Kreiswelle (links) oder eine ebene Welle ist (rechts). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv