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 Beispiel der Wasserwelle untersuchen. Huygens’sches Prinzip cHrisTiaan HuyGens (1629–1695) entwickelte ein bis heute gültiges Modell der 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. Huygens bezeichnete diese als Elementarwellen. Die Elementarwellen breiten sich kreisförmig aus und überlagern sich mit den benachbarten Elementarwellen. Die Überlagerung aller von einer Wellenfront ausgehenden Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront. Diese Auffassung vom Ausbreitungsvorgang 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. Huygens gelang es, mit Hilfe dieses Prinzips das Verhalten von Wellen zu erklären. Was passiert, wenn Wellen auf ein Hindernis treffen oder durch eine schmale Öffnung durchtreten? Bei Wasserwellen können wir das Verhalten beobachten, bei Licht- oder Schallwellen ist dies schwieriger. Aber auch hier gelten dieselben Gesetzmäßigkeiten. Wir konzentrieren uns im Folgenden auf Wasserwellen und beschreiben deren Verhalten. Beugung Experiment: Beugung einer Wasserwelle 50.1 E3 Du brauchst: eine Wellenwanne, Hindernisse mit einer/zwei/mehreren Öffnungen. 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 (Einfachspalt) b) Die Wand hat zwei kleine Öffnungen (Doppelspalt) c) Anstelle der Wand gibt es ein kleines Hindernis Man könnte erwarten, dass Wellenfronten durch die Öffnung geradlinig hindurchgehen. Doch bei genügend kleiner Öffnung ist dies nicht der Fall. Das Experiment (50.3) zeigt, dass die Welle nach dem Durchgang durch sehr kleine Öffnungen „abgelenkt“ wird. Dieses Übergreifen der Welle in den geometrischen Schattenraum 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. 50.1 Bei Gibraltar entstehen durch Gezeitenwirkung langwellige Beugungsmuster am „Spalt“ zwischen Atlantik und Mittelmeer. 50.2 Huygens’sches Prinzip. Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer kreisförmigen Elementarwelle. Die Überlagerung aller Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront. 50.3 Eine ebene Welle bewegt sich durch eine a) kleine Öffnung und b) große Öffnung. An der kleinen Öffnung bildet sich eine Elementarwelle. a) b) 50.4 Beugungsmuster bei einem Spalt zwischen zwei Holzstäben im Wasser. 50 Wellen 2 Mechanische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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