In dieser Erklärung kannst Du über die Beugung von Wellen lernen. Die Beugung von Wellen findet täglich, überall um Dich herum statt, auch wenn Du es vielleicht nicht direkt bemerkst.
Sie ist aber der Grund, weshalb mechanische Wellen wie Schallwellen sich um die Hausecke bewegen können oder Wellen im Wasser sich vom Meer aus in den ummauerten Hafen komplett ausbreiten. Auch elektromagnetische Wellen, also Lichtwellen, können gebeugt werden, denn deshalb haben Schatten weiche Kanten.
Bei der Beugung von Wellen interessiert sich der Physiker jedoch am meisten über die Beugung am Spalt und die Beugung am Gitter, denn dabei treten besondere Phänomene auf wie Interferenz von Wellen. In dieser Erklärung wird Dir nun zuerst näher gebracht, was über Beugung von Wellen heißt.
Definition Beugung von Wellen
Die Beugung einer Welle bezeichnet die Ablenkung der Welle an einem Hindernis oder bei Passage durch Spalten.
Das Wort Beugung deutet bereits darauf hin, dass die Ausbreitungsrichtung der Wellen durch irgendwas verändert wird. Das irgendwas lässt sich dabei auch leicht beantworten. Schau Dir zu Beginn dieser Erklärung erst mal dieses Experiment an, das Du sehr leicht zu Hause durchführen kannst.
Alles, was Du brauchst, ist ein großes, flaches Gefäß, einen kleinen, wasserfesten Gegenstand und Wasser. Das große Gefäß kann ein Backblech oder eine große Auflaufform sein, in welche Du etwas Wasser füllst, sodass der Boden komplett bedeckt ist.
Jetzt stellst Du den kleinen Gegenstand – zum Beispiel ein kleines Trinkglas – in die Mitte des Gefäßes und tippst daneben wiederholt auf die Wasseroberfläche. Beobachte dabei, wie sich die von Dir verursachten Wellen ausbreiten und insbesondere wie sie sich verhalten, wenn sie an dem Gegenstand in der Mitte vorbeifließen.
Abb. 1 - Aufbau und Durchführung des Experiments zur Beugung von Wellen
Durch das kleine Experiment von eben kannst Du die Ablenkung schnell erkennen. Wenn alles richtig geklappt hat, wirst Du erkannt haben, dass das Wasser nicht einfach nur von dem Gegenstand in der Mitte gestoppt wird, stattdessen breiten sich die Wellen auch direkt hinter dem Gegenstand aus. Die Wellen wurden demnach an den Rändern des Gegenstandes abgelenkt beziehungsweise gebeugt.
Abb. 2 - Schematische Darstellung von Beugung mechanischer Wellen
Das Phänomen der Beugung tritt übrigens nicht nur bei Wasser auf. Tatsächlich passiert das bei jeder Art von Welle – ein paar Beispiele werden später aufgeführt.
Es wird bei Wellen grundsätzlich zwischen mechanischen und elektromagnetischen Wellen unterschieden, in den grundlegenden Eigenschaften von Wellen hast Du diese Unterschiede bereits gelernt, daher nur eine kurze Wiederholung dazu.
Beugung von mechanischen Wellen einfach erklärt
Der Begriff der mechanischen Wellen umfasst den Großteil der Wellen, die Du kennst. Darunter zählen zum Beispiel Wellen im Wasser, aber auch Schallwellen sind mechanischen Wellen. Die Gemeinsamkeit zwischen Wasserwellen und Schallwellen und auch allen anderen mechanischen Wellen ist, dass sie sich durch die Moleküle ihrer Umgebung ausbreitet.
Eine mechanische Welle ist eine Welle, die sich durch die Atome eines Mediums ausbreitet.
An einer Wasserwelle ist dies am einfachsten zu erkennen, denn die Wassermoleküle werden in so eine Schwingung gebracht, dass sie eine Welle bilden. Genau dies passiert auch bei Schallwellen, denn diese sind auch nur in Schwingung gebracht Moleküle in der Luft. Bei der Beugung von mechanischen Wellen wird also die Ausbreitungsrichtung innerhalb des Mediums verändert.
Abb. 3 - Beugung von Wasserwellen an Steinen
Das Medium selbst verändert sich dabei nicht und muss sich selbst auch nicht unbedingt bewegen, da sich die Wellen als Auf- und Abbewegung der miteinander gebundenen Moleküle ausbreiten. Nach der Beugung behält die Welle auch ihre Amplitude sowie ihre Wellenlänge in jede gebeugte Ausbreitungsrichtung unverändert bei.
Dass die Amplitude unverändert bleibt, ist natürlich nur in der Theorie so. In der Praxis sorgen einige Effekte so wie Reibung dafür, dass die Amplitude mit der Zeit abnimmt. Um dafür ein besseres Verständnis zu bekommen, kannst Du Dir die Erklärung über die Gedämpfte Schwingung anschauen.
Worin unterscheiden sich nun also die Beugung einer mechanischen Welle zu der einer elektromagnetischen Welle?
Beugung von Licht einfach erklärt
Als elektromagnetische Welle brauchen Lichtwellen anders als die mechanischen Wellen kein Medium, um sich auszubreiten. Durch den Wellencharakter vom Licht werden die einzelnen Strahlen bei der Beugung abgelenkt, dabei ist die Verteilung der Intensität nach der Beugung abhängig vom Beugungswinkel, anders als bei der mechanischen Welle.
Diese Erklärung befasst sich mit der Beugung mechanischer Wellen. Um mehr über die Beugung von Licht zu erfahren, schaue in die Erklärung Beugung am Einzelspalt rein.
Die Beobachtung von Phänomenen bei der Beugung werden beschrieben von dem nach Christiaan Huygens begründeten Prinzip.
Huygenssches Prinzip Beugung
Ist Dir bei der Durchführung des Experiments zu Beginn dieser Erklärung aufgefallen, dass an den Rändern des Gegenstandes, wo das Wasser gebeugt wird, scheinbar neue Wellen entstehen? Dann hast Du gerade die Auswirkung des Huygens'schen Prinzip gesehen.
Das Huygens'sche Prinzip sagt aus, dass jeder Punkt, an dem eine Welle gebeugt wird, Ausgangspunkt einer neuen Welle ist. Diese wird Elementarwelle oder auch Sekundärwelle genannt.
Trifft eine Welle also auf ein Hindernis und wird an dessen Rand gebeugt, so entstehen an den Rändern die neuen Elementarwellen, die sich hinter dem Hindernis weiter ausbreiten.
Der Niederländer Christiaan Huygens (1629 - 1695) veröffentlichte sein nach ihm benanntes Prinzip 1690 in seinem Werk Traité de la Lumière. Später wurde das Prinzip von dem Franzosen Augustin Fresnel (1788 - 1827) weiter elaboriert, weshalb Du das Prinzip auch unter dem Namen Huygens-Fresnel Prinzip finden kannst. 2
Das Huygens'sche Prinzip hast Du bereits im Experiment in der Einleitung beobachten können und ist daher die Grundlage für alle Experimente zur Beugung. Es lässt sich weiterhin auch auf die Brechung und Reflexion von Wellen äquivalent übertragen.
Entstehen mehrere Elementarwellen, so bildet sich an den Punkten, an denen sie überlagern, eine Wellenfront, die der Ausbreitungsrichtung der Elementarwellen folgt.
Abb. 4 - Wellenfront mehrerer Elementarwellen nach dem Huygens'schen Prinzip
Das Huygens'sche Prinzip ist damit die Grundlage für viele Versuche zur Beugung von Wellen. Mit dieser Grundlage können nun genauere und in der Physik wichtige Beugungsexperimente betrachtet werden.
Beugung am Spalt
Ein sehr gängiger Versuch ist es, die Beugung einer Welle an einem Einfachspalt zu untersuchen. Trifft unsere Welle nun auf einen Spalt, so entsteht dort nach dem Huygens'schen Prinzip eine Elementarwelle.
Ein Einfachspalt ist eine schmale Lücke in einem sonst undurchlässigen Hindernis.
Da es sich dabei um einen Spalt in einer sonst undurchlässigen Barriere handelt, breitet sich die Elementarwelle isoliert von sonstigen Wellen aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit, Intensität und Wellenlänge der Welle verändern sich nach der Beugung nicht.
Abb. 5 - Beugung von Wellen am Einzelspalt
Interessanter wird es jedoch, die Beugung nicht nur einem an Einfachspalt anzuschauen, sondern an einem Gitter.
Beugung am Gitter
Besondere Beobachtungen treten auf, wenn die Welle eine Beugung an einem Gitter auslöst.
Als Gitter wird eine Reihe an nebeneinander gelegenen Spalten bezeichnet.
An jedem dieser Spalte entsteht nach dem Huygens'schen Prinzip eine Elementarwelle, welche bei Überlagerung eine Wellenfront bilden. Die Richtung der neuen Wellenfront bleibt dabei unverändert.
Abb. 6 - Wellenfront nach Beugung am Gitter
Obwohl die neue Wellenfront der alten gleicht, ist allerdings die Form der Wellen jedoch eine andere, da es sich bei der Ursprungswelle um lineare Wellenfronten handelt, die Elementarwellen jedoch kreisförmige Wellen sind, die sich überlagern. Die durch die Überlagerungen entstehenden Muster werden auch Interferenzmuster genannt.
Interferenz von Wellen
Eine der grundlegenden Eigenschaften von Wellen ist die Periodizität ihrer Amplitude. Genauer, innerhalb einer Wellenlänge hat die Amplitude einmal ihr Maximum und einmal ihr Minimum erreicht. Bei Überlagerung von zwei oder mehreren Wellen, können sie sich so überlagern, dass die beiden Maxima beziehungsweise Minima übereinander liegen oder ein Maximum auf einem Minimum.
Die Interferenz von zwei oder mehreren Wellen ist die Überlagerung ihrer Wellenamplituden.
Liegen zwei Maxima oder zwei Minima aufeinander, so verstärken diese sich und die Amplitude der überlagerten Welle verdoppelt sich an dieser Stelle. Dies ist dann die konstruktive Interferenz. Überlagert sich jedoch ein Maximum mit einem Minimum, so löscht sich die Welle an dieser Stelle aus. Dies ist dann eine destruktive Interferenz.
Abb. 7 - Interferenzmuster bei überlagerten Wellen im Wasser
Anhand dieser Erklärung hast Du nun gesehen, wie sich Wellen verhalten, wenn sie an einem Hindernis, an einem Spalt oder an einem Gitter gebeugt werden. Besonders anhand von Wasser wurden Dir diese Effekte erklärt, doch es gibt im Alltag deutlich mehr Wellen, die ständig in Deiner Umgebung gebeugt werden.
Beugung von Wellen Beispiel
Schallwellen, die an den Rändern von Hauswänden oder Türbögen gebeugt werden, sorgen dafür, dass Du "um die Ecke" hören kannst.
Die Beugung von Schallwellen ist ebenfalls nützlich, um die Wirkungsbereiche von Lärmschutzwänden an Autobahnen zu ermitteln.
In der Geothermie wird mit dem Verfahren der Refraktionsseismik durch Beugung seismischer Wellen an Geodoten die Geschwindigkeit dieser untersucht.
Beugung von Wellen – Das Wichtigste
- Bei Wellen wird unterschieden zwischen mechanischen Wellen und elektromagnetischen Wellen bzw. Lichtwellen
- Mechanische Wellen breiten sich durch ein Medium aus
- Beispiele für mechanische Wellen sind Wasserwellen und Schallwellen
- Beugung ist, wenn Wellen an Hindernissen und Spalten abgelenkt werden
- Das Huygens'sche Prinzip sagt aus, dass an Beugungspunkten neue Wellen entstehen, genannt Sekundärwellen oder Elementarwellen
- Nach dem Huygens'schen Prinzip bilden mehrere Elementarwellen eine Wellenfront an ihren Überlagerungspunkten
- Trifft eine Welle auf einen Spalt, der etwa so breit ist wie die Wellenlänge, bildet sich in dem Spalt eine Welle, die sich hinter dem Spalt weiter ausbreitet
- Bei Beugung an einer Reihe mehrerer Spalten, genannt Gitter, entsteht durch die Überlagerung der Elementarwellen eine Wellenfront
- Durch die Überlagerungen der Elementarwellen kommt es zur Interferenz
- Überlagern sich zwei Maxima oder zwei Minima, so verstärken sie sich, genannt konstruktive Interferenz
- Bei Überlagerung eines Maximums mit einem Minimum löschen diese sich gegenseitig aus, dies ist dann eine destruktive Interferenz
Nachweise
- Demtröder, Wolfgang (2021). Experimentalphysik 1 : Mechanik und Wärme. Springer Berlin.
- www.mathpages.com: Huygens' Principle (11.10.2022)
- www.akustikforschung.de: Lärmschutzwand – Schallschirm (13.10.2022)
- www.terrana-geophysik.de: Methode - Refraktionsseismik (Refraktionstomographie) (14.10.2022)
- www.physikunterricht-online.de: Phänomene von Wellen (19.10.2022)
- Fischer, Thomas (2018). Experimentalphysik. Mechanik. De Gruyter.
- www.lernhelfer.de: Eigenschaften mechanischer Wellen im Überblick (19.10.2022)
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