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1 Demonstrationsexperimente - Optik - Wellenwanne Mit Hilfe einer on Sat Aug 02, 2014 9:28 am

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Kurzbeschreibung:
Mit Hilfe einer Wellenwanne kann die Ausbreitung von Wasserwellen einfach beobachtet werden. Durch Projektion der Wasseroberfläche auf einen Schirm werden die einzelnen Wellen sichtbar. Mit dieser Versuchsanordnung kann die Reflexion, die Brechung, die Beugung und Streuung, sowie die Überlagerung von ebenen Wellen gezeigt werden.


Material:

  • Netzgerät (12V, DC)
  • Wellenwanne mit Stroboskop und Vibrator
  • Wellenerzeuger für parallele Wellenzüge
  • Punktförmiger Wellenerzeuger
  • Erzeuger von zwei Kugelwellen
  • konkaver und konvexer Reflexionskörper
  • Reflexionskörper mit 45° Winkel
  • 2 Spaltkörper
  • Kegel
  • Maßband

Will man diesen Versuch mit einem Overheadprojektor aufbauen, so muss die Leistung der Lampe verstellbar sein, damit die Wellen noch sichtbar abgebildet werden können.


Aufbau:
Der Vibrator wird so aufgestellt, dass der Wellenerzeuger die Wasseroberfläche in der Wellenwanne berührt. Das Stroboskop wird in einem Abstand  von 45 cm zur Wellenwanne auf ein Stativ montiert. Die Wellenwanne muss mindestens 5 mm hoch mit destilliertem Wasser gefüllt sein. 
Den Vibrator verbindet man mit dem Stroboskop, das Stroboskop wird mit einer Gleichspannung von 12 Volt versorgt.
An den Vibrator wird für die erste Versuchsdurchführung der Wellenerzeuger für parallele Wellenzüge montiert. Danach benötigt man den punktförmigen Wellenerzeuger und zuletzt den zwei-punktförmigen Wellenerzeuger. 
 


Durchführung:
Die Frequenz des Stroboskops und somit des Vibrators wird bei allen Versuchsdurchführungen auf 3 Hz gestellt. Außerdem wird auf "slow motion" geschaltet, so dass laufende Wellen sichtbar sind. Wird "synchron" eingestellt, so sieht man die Wellen stehend.


Um eine Kugelwelle zu zeigen, nimmt man den punktförmigen Wellenerzeuger.
Eine Überlagerung von ebenen Wellen erhält man mit Hilfe des Erregers von zwei Kugelwellen.




Für folgende Versuche verwendet man den Wellenerzeuger für prallele Wellenzüge:
Die Reflexion von Wasserwellen wird mit Hilfe von konkaven und konvexen Reflexionskörpern sowie mit einen Reflexionskörper mit einem  45° Winkel gezeigt. Diese legt man in einem Abstand von ca. 12 cm zum Wellenerzeuger für parallele Wellenzüge in die Wellenwanne. Die Brennweiten des konkaven und kovexen Reflexionskörper sind mit dem Lineal abzumessen.
Um die Beugung von Wasserwellen an einem Spalt zu zeigen, legt man die beiden Spaltkörper zuerst in einem Abstand von 3 cm, dann 5 mm in die Wellenwanne. Dieser Spalt sollte 4 cm vom Wellenerzeuger für parallele Wellenzüge entfernt sein.
Eine Streuung von Wasserwellen erhält man, wenn der Kegel in einem Abstand von 5 cm vom Wellenerzeuger für parallele Wellenzüge in die Wellenwanne gelegt wird.


Auswertung:
Durch den punktförmigen Wellenerzeuger werden konzentrische Kugelwellen erregt. Sie gehen alle von einem Punkt aus und werden deshalb Elementarwellen genannt. Je höher die Wellenfrequenz ist, desto enger liegen die Wellenberge und -täler beieinander.
Duch Überlagerung  zweier Kreiswellen wird ein Muster von Linien mit Auslöschung und Verstärkung sichtbar - das sog. Interferenzmuster.



Trifft eine Welle auf einen konkaven bzw. konvexen Reflexionskörper, so wird die Welle reflektiert. Durch Überlagerung der einfallenden, parallelen Wellen mit den reflektierten Wellen ist der Wellenverlauf und somit der Brennpunkt der Reflexionskörper gut sichtbar. Die Brennweiten betragen in dieser Versuchsanordnung jeweils 9 cm.
Tritt eine Welle auf ein ebenes Hindernis, so wird es im gleichen Winkel wie der Einfallswinkel reflektiert. Die reflektierten Wellen überlagern sich mit den einfallenden, parallelen Wellen. Ein Interferenzmuster ist sichtbar.
Ist die Spaltbreite viel größer als die Wellenlänge, so breitet sich die Welle nach dem Durchgang durch den Spalt geradlinig aus. Erst wenn die Spaltbreite in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge liegt, breiten sich die Wasserwelle deutlich in den geometrischen Schattenraum aus - die Wellen werden gebeugt. 
Erreichen die Wasserwellen den Kegel, so gehen vom Hindernis selbst Elementarwellen aus, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Dies wird als Streuuung bezeichnet. 


Physikalischer Background:
Huygenssches Prinzip:
Jeder Punkt, der von einer Welle "getroffen" wird, ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle, die sich nach allen Richtungen (kreisförmig bzw. kugelförmig) ausbreitet. Alle Elementarwellen überlagern sich zur beobachteten Welle.
Duch Überlagerung von Wellen wird ein Muster von Linien mit Auslöschung und Verstärkung gebildet. Auslöschung tritt ein, wenn ein Wellenberg der einen Kreiswelle auf ein Wellental der anderen Kreiswelle trifft. Analog tritt Verstärkung bei der Überlagerung eines Wellenberges mit einem anderen Wellenberg bzw. bei der Überlagerung eines Wellentales mit einem anderen Wellental ein. Das von den verschiedenen Interferenzmaxima und -minima gebildete Muster wird Interferenzmuster genannt. 
Treffen Wellen unter dem Einallswinkel a auf eine ebene Fläche, so werden sie so reflektiert, dass der Reflexionswinkel gleich groß wie der Einfallswinkel ist.
Das Übergreifen einer Welle in den geometrischen Schattenraum heißt Beugung. Deutliche Beugungserscheinungen treten dann auf, wenn die Breite der Öffnung die gleiche Größenordnung wie die Wellenlänge hat.
Erreicht eine Wellenfront ein Hindernis, so gehen vom Hindernis selbst Elementarwellen aus, die sich in alle Richungen ausbreiten. Dieser Effekt wird als Streuung bezeichnet.]

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