Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

2.3 Beugung, Reflexion und Brechung von Wellen Was geschieht, wenn eine Welle in ihrer Ausbreitung behindert wird? Wir wissen, dass z. B. Lichtwellen von Spiegeln reflektiert und an Wasseroberflächen gebrochen werden. Können Wellen „ums Eck“ gehen? Was geschieht, wenn eine Welle durch eine schmale Öffnung hindurchtritt? Wir wollen das Verhalten von Wellen am Bei- spiel der Wasserwelle untersuchen. a Das Huygens’sche Prinzip C HRISTIAN H UYGENS (1629–1695) entwickelte ein bis heute gültiges Modell über die Ausbreitung von Wellen. Nach Huygens bilden die Punkte, die von einer Welle zur gleichen Zeit erreicht werden, eine Wellenfront . Alle Punkte einer Wellenfront schwingen in gleicher Weise und sind wieder Ausgangspunkte neuer Wellen. Huy- gens bezeichnete diese als Elementarwellen . Die Elementarwellen breiten sich an der Wasseroberfläche kreisförmig aus und überlagern sich mit den benachbarten Elementarwellen. Die Überlagerung aller von einer Wellenfront ausgehenden Ele- mentarwellen ergibt die neue Wellenfront. Diese Auffassung vom Ausbreitungs- vorgang einer Welle wird Huygens’sches Prinzip genannt. Es ist auf alle Wellen anwendbar und lautet: Huygens’sches Prinzip Punkte, die von einer Welle zum gleichen Zeitpunkt erreicht werden, bilden eine Wellenfront. Jeder Punkt der Wellenfront ist Ausgangspunkt einer kreisförmigen Elementarwelle. Die Überlagerung der Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront. b Die Beugung Experiment: Stehende Welle am Gummiband 47.1 E 1 Du brauchst: eine Wellenwanne, Hindernisse mit einer / zwei / mehreren Öff- nungen. Beobachte, was geschieht, wenn eine ebene Wasserwelle gegen eine Wand mit einer Öffnung läuft. Dokumentiere deine Beobachtungen. a) Die Öffnung soll zunächst breit sein, dann allmählich immer enger werden (Ein- fachspalt). b) Die Wand hat zwei kleine Öffnungen (Doppelspalt). c) Die Wand hat mehrere kleine Öffnungen. d) Anstelle der Wand gibt es ein kleines Hindernis. Man könnte erwarten, dass Wellenfronten durch die Öffnung geradlinig hindurch- gehen. Doch bei genügend kleiner Öffnung ist dies nicht der Fall. Das Experiment ( 47.3 ) zeigt, dass die Welle nach dem Durchgang durch sehr kleine Öffnungen „abgelenkt“ wird. Dieses Übergreifen der Welle in den geometrischen Schatten- raum wird als Beugung bezeichnet. Die Beobachtungen in unseren Experimenten lassen sich unter Verwendung dieses Begriffs zusammenfassen: Deutliche Beugungserscheinungen treten dann auf, wenn eine Welle durch eine Öffnung tritt, deren Breite die gleiche Größenordnung wie die Wellenlänge hat. Am Doppelspalt bilden sich zwei Elementarwellen aus. Die beiden Wellen überla- gern sich. Genauso wie beim Experiment „Überlagerung zweier Kreiswellen“ ( 45.3 ) kommt es je nach Gangunterschied in bestimmten Bereichen zu einer ge- genseitigen Verstärkung (konstruktive Interferenz) oder Auslöschung (destruktive Interferenz). Interferenzen beobachtet man auch beim Durchgang einer Welle durch mehrere kleine Öffnungen. 47.1 Bei Gibraltar entstehen durch Gezeiten- wirkung langwellige Beugungsmuster am „Spalt“ zwischen Atlantik und Mittelmeer. 47.2 Huygens’sches Prinzip (Originalzeich- nung). Jeder Punkt einer Wellenfläche ist Ausgangspunkt einer kreisförmigen Elementarwelle. Die Überlagerung aller Elementarwellen ergibt die neue Wellenfläche. d < λ Elementarwelle d= λ Interferenz am Einfachspalt d > λ 47.3 Eine ebene Welle tritt durch eine Öffnung. 47 | WELLEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv