Big Bang Physik 6, Schulbuch

Wellengrundlagen 2  20  RG 6.1, G 6.2 Wellen  59 Was ist, wenn ein Wellenstrahl nicht senkrecht, sondern schräg gegen eine Wand prallt? Dann gilt das Reflexions­ gesetz: Einfallender und reflektierter Stahl haben zum Lot denselben Winkel (siehe Abb. 20.11). Aber warum ist das so? Am übersichtlichsten lässt sich das mit dem Fermat-Prinzip erklären. Erinnere dich: Ein Wellenstrahl nimmt immer den schnellsten Weg. Wenn sich das Medium nicht ändert, dann ist der schnellste Weg auch der kürzeste ( F9 )! Sieh dir Abb. 20.11 an. Die Strahlen der Lichtquelle gelangen auf dem schnellsten – also kürzesten – Weg in dein Auge, und das ist immer der, bei dem α und β gleich groß sind (siehe auch Abb. 20.5, S. 57). Das kannst du mit einem Lineal ganz einfach nachprüfen. Noch logischer erscheint die Erklärung, wenn du das Spiegelbild betrachtest. Auch der Weg vom Spiegelbild in dein Auge ist immer der schnellste, also gerade! Aus geometrischen Gründen muss somit α ’ so groß sein wie β . Ein Spiegelbild befindet sich scheinbar im- mer so weit hinter dem Spiegel wie das Objekt vor dem Spiegel (siehe auch Abb. 20.10). Und deshalb muss α ’ gleich α sein. Daher gilt: α ’ = α = β . Voilà! Zusammenfassung An einer Grenzfläche werden bis zu 100% der Energie einer Welle reflektiert. Einfallender und reflektierter Strahl haben zum Lot immer denselben Winkel. Das gilt für alle Wellen. 20.2.2 Wellen schlagen an den Strand Brechung Abb. 20.11:  α und β sind gleich groß, weil das der kürzeste Weg zum Auge ist. Über A und B sind die Wege länger. Das gilt auch für die scheinbaren Lichtstrahlen vom Spiegelbild. Z Wie stark der Knick ist und in welche Richtung er erfolgt, hängt ausschließlich von den Geschwindigkeiten in den beiden Medien ab. Trifft ein Strahl auf ein Medium, in dem er sich langsamer bewegt, dann wird er zum Lot gebrochen (Abb. 20.14, S. 60). Damit meint man, dass nach der Brechung der Winkel zum Lot kleiner ist. Trifft ein Strahl auf ein Medium, in dem er sich schneller bewegt, dann wird er vom Lot gebrochen . Damit meint man, dass nach der Brechung der Winkel zum Lot größer ist. Einer der ersten, der das Brechungsgesetz formuliert hat, war der Niederländer WILLEBRORD SNELL VAN ROJEN (kurz SNELLIUS) um etwa 1620. Es gilt für alle Wellen und gibt einen Zusammenhang zwischen den Winkeln und den Geschwindigkeiten an. Am einfachsten kann man das Brechungsgesetz mit dem Huygens-Prinzip ableiten.  Info: Brechungsmathematik Ein Mensch und ein Pinguin sind Rettungsschwimmer. Welchen Weg müssen sie nehmen, damit sie so schnell wie möglich bei der Schwimmerin in Seenot sind und warum? Du gehst eingehakt in einer Gruppe. In welche Richtung wird diese im Fall a und b schwenken, wenn sich der Boden ändert? Versuche zu begründen! Du weißt, dass man weißes Licht mit einem Prisma in seine Spektralfarben zerlegen kann. Hast du eine Idee, warum das so ist? Die Wellenberge, die an den Strand rollen, verlaufen immer parallel zur Küstenlinie. Aber woher wissen die Wellen, welche Richtung die Küste hat? Unsichtbar sein, das wär’ sehr fein! Die Sache hat aber einen großen Haken! Welchen? F10 E1  Abb. 20.12:  Welche sind die jeweils schnellsten Wege? F11 E1 Abb. 20.13 F12 W1 F13 S2 F14 S2  ?: Fragebox Brechung bedeutet, dass eine Wellenfront beim Eintritt in ein anderes Medium die Richtung ändert. Der Grund dafür ist immer ein Geschwindigkeitsunterschied in den beiden Medien. Beginnen wir die Erklärung mit dem Fermat-Prinzip und somit mit den Rettungsschwimmern ( F10 ). Der Mensch ist am Sand schneller als im Wasser. Deshalb ist der schnellste Weg über C. Beim Pinguin ist es umgekehrt, und sein schnellster Weg führt über A. B wäre für beide zwar kürzer, aber langsamer. Genauso ist es bei einer Welle. Diese nimmt immer den schnellsten Weg und muss daher die Richtung ändern, wenn sich ihre Geschwindigkeit ändert. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv