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Interferenz

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Physik

Es ist ein windiger Novembertag 1940 im US-Staat Washington. Du befindest Dich an einem Ufer und blickst auf die Tacoma-Narrows-Brücke, die zum damaligen Zeitpunkt eine der größten Brücken weltweit war. Plötzlich bemerkst Du, dass die Brücke zunächst langsam, dann immer heftiger zu schwingen beginnt. Die Brücke schaukelt sich in wellenartigen Bewegungen immer weiter auf, bis sie schließlich einstürzt.

Hintergrund für dieses Ereignis, welches tatsächlich am 7. 11. 1940 stattgefunden hat, ist das Phänomen der konstruktiven Interferenz.

Interferenz – Definition

Das Phänomen der Interferenz begegnet uns häufig unbewusst im Alltag. Immer dann, wenn wir mit Wellen verschiedener Art in Kontakt kommen. Vielleicht nutzt Du zum Lernen sogenannte "Noise-Cancelling"- Kopfhörer oder hast schon mal beobachtet, wie sich kreisförmige Wellen in einem See ausbreiten, wenn Regentropfen die Wasseroberfläche durchbrechen?

Als Interferenz wird das Phänomen bezeichnet, dass sich zwei oder mehrere Wellen nach dem sogenannten Superpositionsprinzip überlagern. Das bedeutet, dass sich ihre Amplituden addieren, wodurch sich die Wellen in bestimmten Bereichen verstärken oder abschwächen.

Interferenz begegnet Dir bei allen Arten von Wellen, zum Beispiel Wasserwellen, Lichtwellen, Schallwellen und sogar Gravitationswellen.

Es gibt verschiedene Arten der Interferenz: konstruktive Interferenz und destruktive Interferenz. Doch bevor wir uns diesen Arten der Interferenz widmen, schauen wir uns die grundlegenden Voraussetzungen für die Entstehung von Interferenz, sowie ein paar Grundbegriffe der Wellenlehre an.

Das Superpositionsprinzip bedeutet in der klassischen Mechanik, dass die Wirkung von zwei Größen gleicher Art die Summe ihrer Einzelwirkungen ist. Dieses Prinzip spielt eine wichtige Rolle in der Physik und Mathematik und tritt bei Wellen, Bewegungen und Kräften auf.

Stell Dir dazu eine Kiste vor, die Du mithilfe eines Seils nach links ziehst.

Nimmt nun ein Klassenkamerad eine weitere Schnur und zieht ebenfalls an der Kiste, dann addieren sich die beiden Kräfte, die Ihr auf die Kiste ausübt. Zieht Ihr beide gleich stark in entgegengesetzte Richtungen, bewegt sich die Kiste nicht mehr. Zieht ihr dagegen in die gleiche Richtung, wird die Kiste insgesamt stärker in die Zugrichtung gezogen.

Wellenlehre – Grundlagenwissen Interferenz

Eine Welle ist eine physikalische Zustandsänderung. Du kannst Dir das wie eine Störung des Normalzustands vorstellen. Wenn Du an einem windstillen Tag die Oberfläche eines Sees betrachtest, ist diese spiegelglatt. Nun wirfst Du einen Stein in den See. Sobald dieser die Oberfläche durchbricht, stört er den Zustand der glatten Oberfläche. Dadurch breiten sich kreisförmig Wellen aus.

Wellen transportieren Energie. Manche davon benötigen ein Medium. So können sich Schallwellen zum Beispiel nur in der Luft ausbreiten – deshalb ist es im Weltall absolut still.

Wenn Du Dir Science-Fiction-Filme wie Star Wars anschaust, wirst Du merken, dass Filmproduzent*innen keine Physiker*innen sind. Statt den lauten Explosionen würde man im Weltall nämlich absolut nichts hören.

Lichtwellen auf der anderen Seite benötigen kein Medium und können sich deshalb auch im Vakuum des Weltalls ausbreiten.

Du kannst Wellen durch bestimmte Eigenschaften wie Amplitude, Wellenlänge, Phasenverschiebung und Frequenz beschreiben. Die folgende Tabelle gibt Dir zu diesen Begriffen einen kurzen Überblick:

NameSymbol/Abkürzung
Beschreibung
MaximumMax.Höchste Auslenkung einer Welle
MinimumMin.Kleinste Auslenkung einer Welle
AmplitudeaHalbe Entfernung zwischen Maxima und Minima einer Welle
Wellenlänge Abstand zwischen zwei Maxima einer Welle
FrequenzfAnzahl der Schwingungen per Zeiteinheit
PhasenverschiebungVerschiebung des Startpunktes einer oder mehrerer Wellen
AusbreitungsgeschwindigkeitcGeschwindigkeit, mit der sich die Welle ausbreitet
Gangunterschied
Wegdifferenz zwischen gleichen Punkten auf zwei unterschiedlichen Wellen

Das Ganze zeigt Dir auch die folgende Abbildung, auf der zwei Sinuswellen dargestellt sind und die entsprechenden Begriffe durch ihre Abkürzungen visualisiert sind:

Mit diesen Grundbegriffen ausgestattet, können wir uns nun wieder der Interferenz zuwenden.

Falls Dich das Thema weiter interessiert, haben wir zu einigen der Begriffen detailliertere Erklärungen für dich erstellt. Klicke hierzu einfach auf die Verlinkungen!

Voraussetzungen für Interferenz

Interferenz findet nicht jedes Mal statt, wenn sich zwei Wellen treffen. Tatsächlich findet meistens keine oder nur teilweise eine Interferenz statt. Dies liegt daran, dass zwei Wellen bestimmte Voraussetzungen erfüllen müssen, um zu interferieren.

1. Polarisation

Meistens werden Wellen als sich abwechselnde Berge (Maxima) und Täler (Minima) dargestellt. Aber Wellen können auch in andere Richtungen schwingen, zum Beispiel in die horizontale. Je nachdem spricht man von einer unterschiedlichen Polarisation der Welle.

Als Polarisation wird die räumliche Ausrichtung einer Welle bezeichnet. Theoretisch kann eine Welle in jede Richtung des dreidimensionalen Raums schwingen, zum Beispiel in die vertikale (Abbildung 2, rote Welle) oder in die horizontale (Abbildung 2, blaue Welle).

Jedoch können nicht alle Wellen polarisiert werden. Nur Transversalwellen lassen sich polarisieren, deshalb können zum Beispiel Wasserwellen und Schallwellen nicht polarisiert werden. Mehr zu den verschiedenen Wellentypen erfährst Du im Artikel zu den grundlegenden Eigenschaften von Wellen.

Damit Interferenz zustande kommen kann, müssen die Wellen dieselbe Polarisation besitzen. Ein monochromatischer Laser erzeugt zum Beispiel Lichtwellen mit derselben Polarisation. Als monochromatisches Licht wird Licht einer bestimmten Farbe mit derselben Wellenlänge und Frequenz bezeichnet. Sonnenlicht ist zum Beispiel nicht monochromatisch, da das weiße Licht aus einer Überlagerung aller Farben des Lichts zustande kommt.

2. Kohärenz

Ein wichtiges Interferenz-Kriterium ist die Kohärenz von Wellen. Kohärente Wellen besitzen eine bestimmte Phasenverschiebung zueinander. Das bedeutet, dass ihre Startpunkte auf bestimmte Weise verschoben sein müssen. Man spricht von einer festen Phasenbeziehung.

Zwei Wellen, die in einer festen Phasenbeziehung zueinanderstehen, sind kohärent. Das bedeutet, dass sich in zeitlich festen Abschnitten immer dieselben Punkte der Wellen überlappen und der Gangunterschied konstant bleibt:

Du siehst auf der links Seite, dass der Gangunterschied der beiden Wellen immer gleich groß ist und anhand der gestrichelten Linien erkennst Du, dass immer dieselben Punkte gleichzeitig auftreten. Rechts, bei den inkohärenten Wellen, ist dies nicht der Fall.

Damit Interferenz kohärenter Wellen zustande kommt, muss der Gangunterschied zwischen den beiden Wellen ganz bestimmte Werte annehmen. Abhängig von diesem Gangunterschied kann sich nun zwischen kohärenten Wellen konstruktive oder destruktive Interferenz bilden.

Arten der Interferenz: konstruktiv und destruktiv

Für Interferenz müssen sich also zwei oder mehr kohärente Wellen derselben Polarisation nach dem Superpositionsprinzip überlagern. Sind alle Voraussetzungen gegeben, kommt es – je nach Gangunterschied – zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz.

Schau Dir dazu folgendes Bild zweier Wasserwellen an:

Interferenz Wasserwellen Beispiel StudySmarterAbbildung 4: Interferenz von WasserwellenQuelle: pixabay.com

An manchen Stellen verstärken sich die Wasserwellen; das wird als konstruktive Interferenz bezeichnet. An anderen lösen sie sich durch destruktive Interferenz auf. Doch wie kommt das zustande?

Konstruktive Interferenz

Den Begriff "konstruktiv" kennst Du vielleicht aus dem Alltag. Er bedeutet so viel wie "aufbauend". Ist etwa ein Gespräch positiv für alle Beteiligten und führt zu einer guten Lösung, bezeichnen wir es als konstruktiv.

In der Physik der Wellenlehre folgt konstruktive Interferenz einem ähnlichen Schema. Dabei addieren sich die Amplituden der beiden Wellen zu einer größeren Amplitude. Damit dies möglich ist, muss der Gangunterschied zwischen den Wellen so groß sein, dass jeweils genau ihre Berge und Täler aufeinandertreffen. Erst dann tritt konstruktive Interferenz auf. Dabei treffen jeweils die Maxima und Minima der Wellen aufeinander. Die maximale Verstärkung wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

Ist der Gangunterschied zwischen zwei Wellen ein ganzzahliges Vielfaches k der Wellenlänge , tritt konstruktive Interferenz auf. Dabei treffen jeweils die Maxima und Minima der Wellen aufeinander. Die maximale Verstärkung wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

Das Prinzip der konstruktiven Interferenz zeigt auch die folgende Abbildung. Es treffen immer die Maxima der ersten Welle auf die Maxima der zweiten Welle:

Dabei addieren sich ihre Amplituden. Dasselbe Prinzip liegt der konstruktiven Interferenz bei den oben betrachteten Wasserwellen zugrunde. Sind die beiden Wellen phasenversetzt, wie Du es auf der rechten Seite der Abbildung siehst, ist die Verstärkung geringer und es kommt nicht zur vollständigen (maximalen) Verstärkung der Wellen. Das Gegenteil von konstruktiver Interferenz ist destruktive Interferenz.

Destruktive Interferenz

Etwas, das destruktiv ist, besitzt zerstörerische oder auslöschende Eigenschaften. Bei destruktiver Interferenz addieren sich, genau wie bei der konstruktiven Interferenz, die Amplituden der beiden Wellen. Allerdings ist hierbei der Gangunterschied so groß, dass immer genau ein Wellenberg auf ein Wellental trifft.

Destruktive Interferenz bezeichnet die Abschwächung oder Auslöschung zweier Wellen durch Überlagerung ihrer Maxima mit ihren Minima. Dabei beträgt der Gangunterschied bei der maximalen Auslöschung ein ganzzahliges Vielfaches k der halben Wellenlänge :

Ist dabei die Amplitude der beiden Wellen gleich groß, kommt es zur vollständigen (maximalen) Auslöschung. Dies zeigt auch die folgende Abbildung. Die maximale Auslöschung siehst Du auf der linken Seite:

Sind die beiden Wellen phasenversetzt, wie Du es auf der rechten Seite der Abbildung siehst, ist die Abschwächung geringer und es kommt nicht zur vollständigen Auslösung der Wellen.

Konstruktive und destruktive Interferenz: stehende Wellen

Bisher sind wir davon ausgegangen, dass sich die beiden Wellen in dieselbe Richtung bewegen. Was passiert allerdings, wenn Du zwei Wellen mit derselben Frequenz und Amplitude gegenläufig ausrichtest? Das Resultat wird als stehende Welle bezeichnet und entsteht zum Beispiel, wenn eine Welle an einem Medium reflektiert wird.

Stehende Wellen entstehen durch die Überlagerung zweier Wellen mit gleicher Amplitude a und Frequenz f, jedoch gegenläufiger Phasenverschiebung . Dabei entstehen sogenannte Wellenknoten und Wellenbäuche.

Die Wellenbäuche entstehen an den Überlagerungen Maxima und Minima der beiden Wellen. Die Knoten (n) sind stationäre Bereiche, an denen die Amplitude a der Welle zu jedem Zeitpunkt null ist. Das Prinzip einer stehenden Welle zeigt die folgende Abbildung:

Du siehst also, dass bei stehenden Wellen konstruktive und destruktive Interferenz auftreten können. Während sich die Knoten nicht bewegen, schwingt der Wellenabschnitt dazwischen auf und ab. Das kannst Du Dir ein wenig wie beim Seilspringen vorstellen. Deine Hände mit den Griffen sind in dieser Metapher die Knoten und das Seil stellt die stehende Welle dar. (Allerdings schwingt die Welle auf und ab und nicht kreisförmig wie beim Seilspringen.)

Wenn Dich das Thema näher interessiert, kannst Du in unserem Artikel zur stehenden Welle mehr lesen.

Interferenzmuster durch Beugung: Doppelspalt und Gitter

Die einfachste und häufigste Form der Interferenz entsteht, wenn eine Welle mit sich selbst interferiert. Denn eine Welle ist automatisch zu sich selbst kohärent und besitzt außerdem zu sich selbst die gleiche Amplitude, Frequenz und Polarisation. Zur Selbstinterferenz kommt es zum Beispiel durch Beugung.

Als Beugung bezeichnest Du die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis, wodurch eine Neuausrichtung der Welle entsteht.

Das Phänomen der Beugung lässt sich bei Wasserwellen beobachten, wenn diese sich hinter einem dünnen Spalt kreisförmig ausbreiten. So ähnlich wie es auf der folgenden Abbildung schematisch dargestellt ist:

Wie Du siehst, wird die Welle am Spalt gebeugt, kann sich aber durch diesen Spalt hinter dem Hindernis (der Wand) kreisförmig ausbreiten. Diese neue Welle bezeichnet man als Elementarwelle. Hinter dem Hindernis kann es zur Überlagerung der Welle mit sich selbst kommen und somit zur Interferenz. Ein bekanntes Beispiel ist die Interferenz am Doppelspalt.

Das Doppelspaltexperiment

Das Doppelspaltexperiment gehört wohl zu den berühmtesten Experimenten der Physik und verrät fundamentale Eigenschaften unserer Welt. Besonders bekannt ist es im Zusammenhang mit der Doppelnatur des Lichts.

Hier wollen wir uns nur auf die Interferenzerscheinung am Doppelspalt fokussieren, die Interpretation und Konsequenzen dieses Experiments erfährst Du in unserem Artikel zum Doppelspaltexperiment.

Versuchsaufbau & Beobachtung

Alles, was Du für das Doppelspaltexperiment benötigst, ist eine monochromatische Lichtquelle (etwa einen Laser), eine Trennwand mit zwei Spalten und einen Schirm. Diese positionierst Du wie in der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Normalerweise würden wir erwarten, dass sich nun auf der hinteren Wand zwei Streifen bilden. Genau dort, wo das Licht die Spalte passiert. Doch sobald Du den Laser einschaltest, kannst Du auf der hinteren Wand folgendes Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen beobachten.

Dieses Streifenmuster entsteht durch das Phänomen der konstruktiven und destruktiven Interferenz.

Erklärung

Genau wie die Wasserwellen werden die Lichtstrahlen am Hindernis gebeugt und breiten sich anschließend in kreisförmigen Elementarwellen hinter dem Spalt aus.

Bei einem Doppelspalt entstehen zwei solcher Elementarwellen nebeneinander. Diese besitzen dieselbe Wellenlänge, Frequenz und Amplitude, da sie beide aus derselben monochromatischen Lichtquelle stammen. Bei ihrer kreisförmigen Ausbreitung überlagern sich nun die beiden Wellen, wie Du es auf der folgenden Abbildung siehst:

Dadurch bilden sich Orte destruktiver und konstruktiver Interferenz, je nachdem, mit welcher Phasenverschiebung sich die Elementarwellen überlagern. Diese kannst Du dann auf dem Schirm sehen. Die hellen Streifen sind die Orte konstruktiver, die dunklen destruktiver Interferenz.

Wenn Dich interessiert, wie du die Orte der Interferenzstreifen berechnen kannst, schau Dir den Artikel zum Doppelspaltexperiment an.

Interferenz am Gitter

Dasselbe Phänomen tritt am optischen Gitter auf. Ein solches Gitter besteht aus sehr vielen parallelen Spalten. An jedem einzelnen Spalt wird das ankommende Licht gebeugt und es entsteht eine Elementarwelle. Genau wie am Doppelspalt interferieren diese Elementarwellen miteinander und es bildet sich ein entsprechendes Muster.

Optische Gitter begegnen Dir übrigens auch im Alltag. Wenn Du eine CD ins Licht hältst und aus verschiedenen Winkeln betrachtest, schillert sie in unterschiedlichen Farben.

Das liegt daran, dass die CD als optisches Reflexionsgitter wirkt. Die feinen Spuren auf der Rückseite einer CD beugen das eintreffende weiße Licht und zerlegen es in seine Farbbestandteile (ähnlich wie bei einem Prisma). Die Vertiefungen wirken dabei wie die Spalte bei einem Gitter.

Je nachdem, in welchem Winkel Du die CD hältst, überlagern sich die Wellenlängen mit Licht gleicher Farbe und es kommt zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz. Deshalb siehst Du je nach Ausrichtung unterschiedliche Farben.

Interferenz an dünnen Schichten

Ähnlich schillernd wie die Rückseite einer CD, sind die bunten Farben an der dünnen Schicht von Seifenblasen im Sonnenlicht. In den letzten beiden Fällen kommt es zum Phänomen der Interferenz an dünnen Schichten.

Stellen wir uns Licht für den Moment als eine Art Strahl vor, wie Du ihn in Abbildung 13 sehen kannst. Trifft dieser nun auf die äußere Schicht der Seifenblase, wird er gebrochen, da es sich um ein optisch dichteres Medium als Luft handelt.

Wie genau das funktioniert und wie Du den Brechungswinkel berechnen kannst, behandelt der Artikel zum Brechungsgesetz.

Wie Du auf der obigen Abbildung siehst, kannst Du Dir die Seifenblasenhülle als sehr dünne Schicht mit Außen- und Innenseite vorstellen. Die Brechung findet an der äußeren Schicht statt (Punkt a). Dabei wird ein Teil des Lichts sofort reflektiert (Strahl 1). Der andere Teil (Strahl 2) dringt in die dünne Schicht ein und wird von der Innenseite reflektiert (Punkt b).

Sobald der Strahl die äußere Schicht an Punkt c verlässt, wird er erneut gebrochen. Durch die unterschiedlich langen Wege und die Brechung, die die verschiedenen Strahlen unterlaufen, entsteht ein Gangunterschied. Je nach dessen Größe, interferieren die verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterschiedlich miteinander: entweder konstruktiv oder destruktiv.

Unter Interferenz an dünnen Schichten versteht man das Phänomen, dass Licht an der Innen- und Außenseite des Mediums gebrochen und reflektiert wird.

Die Strahlen legen unterschiedlich große Wege zurück, sodass sich ein Gangunterschied ergibt. Anschließend interferieren die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts miteinander, wobei sich einige Wellenlängen des Lichts auslöschen und andere verstärken.

Dieses Phänomen kannst Du übrigens nicht nur bei Seifenblasen beobachten, sondern auch bei vielen anderen dünnen Schichten: zum Beispiel bei Edelsteinen wie Bismut oder Edelopal, genauso wie bei Ölflecken und bei Libellenflügeln.

Charakteristisch ist in allen Fällen eine dünne Außenschicht, die bunt schillernde Muster erzeugt.

Interferenz Bedeutung und Anwendung

Doch das Phänomen der Interferenz ist nicht nur schön anzusehen, sondern hat auch eine große Bedeutung für die Wissenschaft und praktische Anwendungen in unserem Alltag.

Das Michelson-Interferometer

Ein bekanntes Beispiel für die Nutzung der Interferenz ist das sogenannte Interferometer, welches zur Messung verschiedener Größen verwendet werden kann. Es gibt viele verschiedene Modelle, unter anderem das Mach-Zehner-Interferometer.

Mehr zum Mach-Zehner-Interferometer findest Du im entsprechenden Artikel auf StudySmarter!

Hier kannst Du das grundlegende Prinzip anhand des sogenannten Michelson-Interferometers ansehen:

Das Michelson-Interferometer besteht im Prinzip aus einem Laser, zwei Spiegeln (S1 & S2), sowie einem Detektor, die wie auf der Abbildung in rechteckiger Form um einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel (H) angeordnet sind.

Trifft das Licht des Lasers auf den halbdurchlässigen Spiegel (S1 & S2), wird es in zwei Strahlen aufgeteilt (Abbildung, Strahl II & III), die nun auf die Spiegel zulaufen und dort reflektiert werden.

Nach der Reflexion laufen die beiden Strahlen wieder auf H zu. Aufgrund der unterschiedlichen Entfernung und Reflexionswinkel unterscheidet sich nun ihr jeweiliger Gangunterschied. Deshalb interferieren sie an H miteinander und das Interferenzmuster wird von dem Detektor aufgefangen. Verschiebst Du die Spiegel, kommen unterschiedliche Interferenzmuster zustande.

Antischall Kopfhörer

Eine praktische Anwendung des Prinzips der destruktiven Interferenz sind Antischall-Kopfhörer, die Umgebungslärm ausblenden. Das ist ziemlich praktisch, wenn man beispielsweise lernen möchte und der Nachbar spontan beschließt, seine Wohnung umzubauen. Doch wie funktionieren diese Kopfhörer eigentlich?

Vielleicht kennst Du Antischall Kopfhörer unter ihrem englischen Namen "Noise Cancelling Headphones“. Tatsächlich gibt es so etwas wie "Antischall" gar nicht.

Das Prinzip ist relativ simpel. Die Kopfhörer besitzen ein Mikrofon, das den äußeren Lärm aufnimmt.

Dieser wird dann vermessen und ein kleines Stück Technik berechnet dessen Wellenlänge und Frequenz. Daraufhin erzeugt es gegenläufigen Schall derselben Wellenlänge, der phasenversetz ist. Im Idealfall kommt es wie auf Abbildung 14 zu destruktiver Interferenz durch Überlagerung der gegenläufigen Wellen.

Resonanzkatastrophe

Interessanterweise kann konstruktive Interferenz überraschend destruktiv sein, wie das Beispiel der Tacoma-Narrows-Brücke aus der Einleitung zeigt. Ein schwingungsfähiger Körper besitzt eine gewisse Eigenfrequenz . Wenn Du nun von außen eine Erregerfrequenz zuführst, die annähernd der Eigenfrequenz entspricht, kommt es zur Resonanz.

Die Eigenfrequenz und die Erregerfrequenz überlagern sich und ihre Amplituden addieren sich durch konstruktive Interferenz. Der Körper beginnt, stärker zu schwingen. Hält die Erregerfrequenz an, kann sich die Schwingung so sehr verstärken, dass der Körper die Energie der Schwingung nicht mehr tragen kann und einstürzt.

Interferenz Resonanzkatastrophe StudySmarterAbbildung 16: Tocama-Narrows-Brücke beim EinsturzQuelle: hdnux.com

Der Sturm an diesem Tag in Washington traf zufällig in etwa die Eigenfrequenz der Brücke, wodurch sich diese durch konstruktive Interferenz immer weiter aufschaukelte, bis sie schließlich einstürzte. Das wird auch als Resonanzkatastrophe bezeichnet.

Das ist der Grund, warum in Deutschland per Gesetz Soldaten nicht im Gleichtakt über eine Brücke marschieren dürfen. 1831 marschierten in England 74 Soldaten über die Broughton Suspension Bridge, die daraufhin einstürzte. Auch wenn es nicht abschließend geklärt ist, könnte der Takt der Schritte die Eigenfrequenz der Brücke getroffen haben, sodass diese einstürzte.

Du brauchst Dir allerdings keine Sorgen zu machen, dass jede Brücke bei einem Sturm sofort einstürzen würde. Zum einen muss zufällig die Erregerfrequenz des Sturms der Eigenfrequenz der Brücke entsprechen, zum anderen wird das Phänomen der Resonanzkatastrophe beim Bau inzwischen berücksichtigt und entsprechende Verstärkungsmaßnahmen getroffen.

Kennst du die Dame des Gryffindor Turms aus Harry Potter? Im dritten Teil versucht sie, ein Glas durch ihre Stimme zerspringen zu lassen. Im Prinzip versucht sie dabei, gezielt eine Resonanzkatastrophe herbeizuführen. Der Versuch scheitert allerdings, da die menschliche Stimme keine Schallwellenfrequenz erzeugen kann, die der Eigenfrequenz eines Glases entspricht.

Für die Dame hilft nur der klassische Weg: das Glas gegen die Wand schlagen. Theoretisch wäre es aber möglich, eine solche Frequenz technisch herzustellen.

Interferenz - Das Wichtigste

  • Als Interferenz bezeichnest man das Phänomen, dass sich zwei oder mehrere Wellen nach dem sogenannten Superpositionsprinzip überlagern, wobei sich ihre Amplituden addieren.
  • Interferenz kann bei allen Arten von Wellen auftreten, unter anderem Schallwellen, Lichtwellen oder Wasserwellen. Du unterscheidest konstruktive und destruktive Interferenz.
  • Konstruktive Interferenz tritt auf, wenn sich die Maxima zweier Wellen überlagern, wodurch sich ihre Amplituden verstärken. Sie kommt zustande, wenn der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches k der Wellenlänge ist:

  • Destruktive Interferenz entsteht durch die Überlagerung der Maxima mit den Minima der beiden Wellen, wodurch ihre Amplitude abgeschwächt oder sogar vollständig ausgelöscht wird. Zur vollständigen Auslöschung kommt es, wenn der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches k der halben Wellenläng ist:

  • Zwei Wellen, die in einer festen Phasenbeziehung zueinanderstehen und dieselbe Wellenlänge oder Frequenz besitzen, bezeichnet man als kohärent. Als Polarisation bezeichnet man die räumliche Ausrichtung einer Welle. Interferenz tritt nur bei kohärenten Wellen derselben Polarisation auf.
  • Stehende Wellen entstehen durch die Überlagerung zweier Wellen mit gleicher Amplitude und Frequenz, jedoch gegenläufiger Phasenverschiebung.
  • Als Beugung wird die Ablenkung einer Welle an einem Hindernis bezeichnet. Dadurch kann eine Neuausrichtung der Welle entstehen.
  • Interferenz tritt unter anderem am Doppelspalt und an Gittern auf. Dabei wird Licht an den Spalten gebeugt, wodurch sich Elementarwellen bilden, die miteinander interferieren können.
  • Interferenz an dünnen Schichten tritt auf, wenn das Licht am Medium unterschiedlich gebrochen und reflektiert wird, sodass ein Gangunterschied entsteht. Beispiele sind Seifenblasen, Ölflecken oder Edelsteine.
  • Am Interferometer wird ein Lichtstrahl geteilt und so reflektiert, dass die Strahlen miteinander interferieren. Durch das Interferenzmuster lassen sich verschiedene Messungen auswerten.
  • Als Resonanzkatastrophe bezeichnet man das Phänomen, dass Körper durch eine Erregerfrequenz, die ihrer Eigenfrequenz entspricht, in Schwingung versetzt werden und einstürzen.

Interferenz

Interferenz tritt auf, wenn sich zwei kohärente Wellen überlagern, sodass sich ihre Amplituden addieren.

Du unterscheidest konstruktive und destruktive Interferenz. Konstruktive Interferenz entsteht, wenn sich die Maxima zweier Wellen überlagern und gegenseitig verstärken. Destruktive Interferenz entsteht, wenn sich Maximum und Minimum der Wellen gegenseitig auslöschen.

Bei Interferenz überlagern sich kohärente Wellen, sodass sich ihre Amplituden addieren. Dabei kann es zur Verstärkung (konstruktive Interferenz) oder zur Abschwächung (destruktive Interferenz) kommen.

Wellen überlagern sich nach dem Superpositionsprinzip. Das bedeutet, dass sich ihre Amplituden addieren. Sind die Wellen kohärent, kommt es dabei zur Interferenz.

Finales Interferenz Quiz

Frage

Was beschreibt die Interferenz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Interferenz beschreibt die Änderung der Amplitude bei der Überlagerung von zwei oder mehreren Wellen. Dies geschieht nach dem Superpositionsprinzip.

Frage anzeigen

Frage

Bei welchen Arten von Wellen können Interferenzerscheinungen auftreten? 

Antwort anzeigen

Antwort

Interferenz tritt bei allen Arten von Wellen auf, also zum Beispiel bei Schallwellen, Materiewellen, Lichtwellen und so weiter. 

Frage anzeigen

Frage

Es wird eine Strahlung untersucht, bei der Interferenz auftritt. Auf welche Eigenschaft der Strahlung kann aufgrund des Auftretens von Interferenz geschlossen werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die untersuchte Strahlung ist wellenartig. Das Auftreten von Interferenz gilt in der Physik als Nachweis für die Wellennatur der jeweiligen untersuchten Strahlung. Interferenz ist also eine wellentypische Erscheinung.

Frage anzeigen

Frage

Wofür kann die Interferenz genutzt werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Genutzt werden kann die Interferenz zur Bestimmung der Lichtwellenlänge. Interferenz wird auch bei Interferometern angewendet, die beispielsweise zu genauen Längenmessungen eingesetzt werden können.


Frage anzeigen

Frage

Was wird in der Physik unter dem Superpositionsprinzip verstanden?

Antwort anzeigen

Antwort

Unter dem Superpositionsprinzip wird in der Physik eine Überlagerung gleicher physikalischer Größen, die sich dabei nicht gegenseitig behindern, verstanden. 

Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt das Superpositionsprinzip speziell in der Wellenlehre? 

Antwort anzeigen

Antwort

Speziell in der Wellenlehre beschreibt das Superpositionsprinzip die ungestörte Überlagerung, auch Interferenz genannt, mehrerer Wellen des gleichen Typs.

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Fälle gibt es innerhalb der Interferenz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Man unterscheidet innerhalb der Interferenz zwei Sonderfälle – Die destruktive Interferenz und die konstruktive Interferenz.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die destruktive Interferenz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellentäler der anderen Welle treffen. Es entsteht dadurch eine Welle mit kleinerer Amplitude. Haben die beiden Wellen die gleiche Amplitude löschen sie sich gegenseitig aus. 

Frage anzeigen

Frage

Um welchen Faktor müssen interferierende Wellen verschoben sein, damit es zu einer destruktiven Interferenz kommt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Zur destruktiven Interferenz kommt es immer dann, wenn die beiden Wellen um λ/2 gegeneinander verschoben sind.

Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Formel lässt sich der Gangunterschied in Abhängigkeit der Wellenlänge bei der destruktiven Interferenz bestimmen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Gangunterschied und die Wellenlänge hängen bei der destruktiven Interferenz wie folgt zusammen: Δs=(n−1/2)⋅λ         

Frage anzeigen

Frage

Was ist die konstruktive Interferenz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die konstruktive Interferenz tritt auf, wenn die Wellenberge der einen Welle genau auf die Wellenberge der anderen Welle treffen. Dabei verstärken sich die beiden Wellen und es entsteht eine Welle mit einer größeren Amplitude. An Orten, wo dies der Fall ist, herrscht also eine konstruktive Interferenz. 

Frage anzeigen

Frage

Wann kommt es immer zur konstruktiven Interferenz? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es kommt immer dann zur konstruktiven Interferenz, wenn der Gangunterschied ein Vielfaches der Wellenlänge ist.

Frage anzeigen

Frage

Wie hängt der Gangunterschied mit der Wellenlänge bei der konstruktiven Interferenz zusammen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Für den Gangunterschied gilt in Abhängigkeit der Wellenlänge: Δs=n⋅λ 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Folge der konstruktiven und destruktiven Interferenz und wie nennt man diese?

Antwort anzeigen

Antwort

Abwechselnde Maxima und Minima der Intensität, dort wo jedes Wellenfeld für sich eine gleichmäßige Intensität hatte, sind ein Zeichen für das Auftreten von Interferenz zweier Wellenfelder. Dies ist eine Folge der konstruktiven und destruktiven Interferenz, die auch als Interferenzmuster bezeichnet wird.

Frage anzeigen
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