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Die Wellenwanne als Analogie der Wellenoptik

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Die Wellenwanne als Analogie der Wellenoptik
Aufbau der Wellenwanne.jpg

Abbildung: Aufbau der Wellenwanne

Kurzbeschreibung
Mit der Wellenwanne können Phänomene der Wellenoptik anschaulich dargestellt werden
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. II
Basiskonzept: Wechselwirkung (Wellenoptik)
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment/ Schülerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus einfach
Informationen
Name: Laura Rueß
Kontakt: laura.ruess@rub.de
Uni: Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in: Dr. Rainer Wackermann
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Mit diesem Versuchsaufbau soll das Thema der Wellenoptik anschaulich dargestellt werden. Dazu können über eine Analogiebildung die Phänomene der Beugung und Interferenz mittels Wasserwellen vermittelt werden. Dies wird in diesem Fall rein qualitativ behandelt, eine quantitative Auswertung ist jedoch durch die gute Beobachtbarkeit möglich.

Didaktischer Teil

Das Thema Wellenoptik lässt sich im Kernlehrplan der Sekundarstufe II verorten. Es findet sich sowohl für den GK als auch für den LK wieder. Dabei werden die Phänomene des Huygens´schen Prinzips, Kreiswellen, Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz angesprochen. Man kann Bezüge zu den Basiskonzepten Wechselwirkung und Energie herstellen. Da die Phänomene durch die Wellenwanne direkt beobachtbar und somit anschaulich sind, macht die Analogiebildung mit der Wellenwanne viel Sinn. Analogien werden in der Physikdidaktik verwendet, um den Zugang zu neuem Wissen zu erleichtern. Insgesamt sollte dabei jedoch darauf geachtet werden, dass den Schülerinnen und Schülern (SuS) die Grenzen und Übertragbarkeiten zu jedem Zeitpunkt bewusst sind. Zudem ist es nötig, dass den SuS der Wellencharakter von Licht zuvor bekannt ist, da die Analogiebildung von Wasserwellen zu Lichtwellen sonst Probleme bereiten kann. Das Thema der Wellenoptik hat einen großen Alltagsbezug, wenn dieser den SuS möglicherweise auch nicht sofort bekannt ist. Wir sind im Alltag oft von Interferenzerscheinungen umgeben, sei es bei der Interferenz an Seifenblasen, dünnen Ölschichten, welche bunt schimmern oder auch zum Teil an den Flügeln von Schmetterlingen. Da sich Wellen in den verschiedenen Bereichen der Physik gleich verhalten, können die mechanischen Wasserwellen gut zur Erklärung des Verhaltens von Lichtwellen genutzt werden. An der Wellenwanne können alle Wellenphänomene exemplarisch dargestellt werden. Dabei lässt sich zunächst eine qualitative Auswertung der Phänomene vornehmen. Zudem können theoretisch gewonnene Erkenntnisse durch die gute Beobachtbarkeit experimentell bestätigt werden. Dazu kann aus den Gesetzen der geometrischen Optik der Abbildungsmaßstab berechnet und dieser zur weiteren Berechnung genutzt werden. Die Wellenwanne eignet sich sowohl als Demonstrationsexperiment, sowie als Schülerexperiment. Bei letzterem ist meist nur schwierig, dass in den meisten Sammlungen lediglich eine Wellenwanne vorhanden ist und somit nicht mehrere Gruppen gleichzeitig arbeiten können.

Versuchsanleitung

Aufbau

Der in Abbildung 1 dargestellte Versuchsaufbau besteht aus einer Wellenwanne, einer stroboskopischen Beleuchtung, einem Betriebsgerät sowie einem Verbindungsschlauch, Wellenerregern und einem Ablaufschlauch. Diese Materialien müssen zunächst wie folgt montiert werden. Als erstes muss die Wellenwanne aufgestellt und waagerecht ausgerichtet werden. Dazu kann die Höhe der Dreh Füße verändert werden. Anschließend wird die stroboskopische Beleuchtung an dem Aufbau befestigt und der Wellenerreger in die dafür vorgesehene Halterung gebracht. An diesen wird der Verbindungsschlauch zu dem Betriebsgerät gesteckt. Das Betriebsgerät kann nun an den Stromkreis angeschlossen werden. Vor der Befüllung mit Wasser sollte kontrolliert werden, ob der Ablaufschlauch mit den Klemmen gut verschlossen ist. Ist dies der Fall, kann Wasser mit etwas Spülmittel zur Verringerung der Oberflächenspannung in die Wanne gefüllt werden. Die Wassertiefe ist je nach Versuchsteil anzupassen. Die Wanne sollte für alle gut sichtbar aufgestellt werden, wobei die erzeugten Wellenbilder von allen Seiten auf die Mattscheibe gut sichtbar sind. Für die verschiedenen Versuchsteile müssen die Wellenerreger und verschiedene Blenden in den Aufbau gebraucht werden.

Material

  • Wellenwanne
  • Stroboskopische Beleuchtung
  • Mattscheibe als Schirm
  • Umlenkspiegel
  • Betriebsgerät
  • Erreger und Blenden/ Hindernisse für die Versuche
  • Wasser mit Spülmitte


Durchführung

Für alle Versuche ist zu erwähnen, dass einige Einstellungen zunächst über Variation einzustellen sind, bis ein optimales Bild entsteht. Anschließend sollte die Erregerfrequenz und die Amplitude am Betriebsgerät so eingestellt werden, dass ein scharfes Bild hinter den Hindernissen entsteht. Diese Einstellungen müssen über Variation eingestellt werden. Auch die Wassertiefe sollte über Ausprobieren so verändert werden, dass ein optimales Bild entsteht. Es empfiehlt sich meist eine Wassertiefe, dass die Blenden ungefähr zur Hälfte im Wasser stehen. Die Eintauchtiefe des Wellenerregers kann mittels der dafür vorgesehenen Schraube variiert werden, bis ein gut erkennbares Wellenbild entsteht. Dazu ist es sinnvoll, den Erreger zunächst bis auf den Boden eintauchen zu lassen und anschließend weiter hoch zu schrauben. Nach Beendigung der Versuche sollte zunächst der Wellenerreger aus dem Wasser genommen werden, bevor das Betriebsgerät ausgeschaltet wird, da das Wasser sonst durch den Schlauch in das Gerät laufen kann. Anschließend müssen alle mit Wasser in Kontakt gekommenen Teile gut getrocknet werden. Um das Wasser abzulassen ist es sinnvoll einen Becher zur Hilfe zu nehmen, um das Wasser zunächst dort hinein laufen zu lassen. Das Becken muss dazu zum Schluss leicht gekippt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Spiegel nicht aus seiner Halterung rutscht.

a) Huygens’sches Prinzip

Für diesen Versuchsteil wird zunächst der Wellenerreger für ebene Wellenfronten eingespannt. Anschließend wird die Höhe des Erregers sowie Amplitude und Frequenz so eingestellt, dass auf der Mattscheibe ein klares Bild entsteht. Dazu ist die stroboskopische Beleuchtung einzuschalten. Um nun das Huygens’sche Prinzip zu verdeutlichen werden zwei Blenden in das Becken gestellt. Diese sollten ca. 5 cm vom Wellenerreger parallel zur Wellenfront stehen. Der Spalt zwischen den Blenden ist so zu variieren, dass ein gut sichtbares Bild hinter den Hindernissen entsteht. Die Größenordnung des Spaltes liegt um 0,5 cm. Anschließend kann der Spaltabstand vergrößert und verkleinert werden, um zu beobachten, was in diesen Fällen passiert.

b) Interferenz

Um das Phänomen der Interferenz darzustellen, kann man zwei Methoden wählen:

1. Zunächst die Interferenz nach einem Doppelspalt. Hierfür wird wie bei Versuchsteil a) vorgegangen. Lediglich der Spalt wird durch einen Doppelspalt ersetzt. Dazu sollte wieder ein Abstand von ca. 5 cm vom Erreger zum Doppelspalt gewählt werden. Die Spaltbreite beträgt ca. 5 mm und der Spaltmittenabstand ungefähr 5,5 cm. Es ist darauf zu achten, die abgeflachten Seiten der Blenden dem Erreger zuzuwenden. Nun kann auf der Mattscheibe beobachtet werden, wie sich die Wellen hinter den Hindernissen verhalten.

2. Die zweite Möglichkeit ist die Interferenz für ebene Wellen gegen den doppelten Kreiswellenerreger ersetzen. Hierzu wird kein Hindernis benötigt. Es wird lediglich beobachtet, wie sich die Wellen der beiden Erreger verhalten. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Frequenz zu variieren, um eine bessere Beobachtung zu ermöglichen. Die Erzeugung eines Standbildes über die Synchronisation des Stroboskops mit der Erregerfrequenz kann hilfreich sein.

Ergebnisse

Die durchgeführten Versuche liefern folgende Bilder auf der Mattscheibe:


Auswertung

Es wird sich hier lediglich auf eine qualitative Auswertung der Versuche beschränkt. Für eine quantitative Auswertung benötigt man die Wellenlänge der Wellen. Diese kann über die Abbildungsgesetzt der geometrischen Optik berechnet werden. Generell macht es Sinn auf die Mattscheibe eine Folie zu kleben. Auf dieser können die Wellenverläufe mit einem Folienstift festgehalten werden und im weiteren Unterrichtsverlauf genutzt werden. Dazu ist die Einstellung des Standbildes hilfreich.

Hygens’sches Prinzip

Trifft die ebene Wellenfront auf die Kanten eines Hindernisses (Spalt) bildet sich ein Beugungsmuster hinter dem Spalt, wenn die Breite des Spaltes in der Größenordnung der Wellenlänge der Wellen liegt. Die Wellen treten in den Schattenraum ein, wobei die eben Wellenfront zu einer Kreiswellenfront wird. Die Kanten des Spaltes wirken als Erregerzentrum der neuen Wellen. Dies bestätigt auch das Huygens’sche Prinzip, welches besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Kreiswelle (Elementarwelle) gesehen werden kann. Ist die Spaltbreite hingegen deutlich größer als die Wellenlänger, so laufen die Wellen fast ungehindert hindurch. Lediglich in Schattenraum hinter den Kanten bilden sich schwache kreisförmige Wellen aus. Insgesamt kann eine Wellenfront als Ausgangspunkt von Elementarwellen gesehen werden. Zudem werden Wellen an den Kanten von Hindernissen gebeugt. Sie können somit in den geometrischen Schattenraum eindringen. Wie stark eine ebene Wellenfront gebeugt wird, hängt vom Verhältnis der Wellenlänge und Spaltbreite ab.

Interferenz

1. nach Doppelspalt Auch in diesem Versuch sieht man deutlich, dass die ebene Wellenfront an den Kanten des Doppelspaltes gebeugt werden und als Kreiswellen in den geometrischen Schattenraum eindringen. Die beiden von dem Doppelspalt ausgehenden Kreiswellen überlagern sich hinter dem Doppelspalt ungehindert. Dabei kann man Stellen mit maximalen Amplituden (hellen Stellen) und Stellen mit minimalen Amplituden (dunkle Stellen) beobachten. Diese liegen auf Hyperbeln. Die hellen und dunklen Stellen kommen zustande, da die Wellenberge wie Sammellinsen und die Wellentäter wie Zerstreuungslinsen wirken.

2. Durch doppelten Kreiswellenerreger Bei diesem Versuchsteil kann man ebenso wie im Teil zuvor beobachten, dass sich die beiden Kreiswellen ungestört durchdringen. Es entstehen Orte maximaler Verstärkung (helle Streifen) und Orte minimaler Verstärkung (dunkle Stellen). Schön ist es zu sehen, dass die Wellen sich von Teil 1 und 2 gleich verhalten, obwohl sie verschiedene Erreger haben.

Hinweise

Allgemeine Hinweise

  • Es ist sinnvoll den Raum abzudunkeln
  • Die Mattscheibe ist von allen Seiten sichtbar, deswegen ist die Wellenwanne als Demonstrationsexperiment gut geeignet
  • Auch als Schülerexperiment nutzbar, jedoch ist oft nur eine Wanne vorhanden
  • Die Oberflächenspannung des Wassers sollte mittels Spülmittel reduziert werden
  • Die Eintauchtiefe und die Wasserhöhe muss an die Versuche individuell angepasst werden
  • Frequenzen und Amplituden können variiert werden um die Abhängigkeiten zu erkennen
  • Zum Teil eignet sich ein Standbild, um eine bessere Beobachtung zu ermöglichen
  • Für quantitative Auswertungen empfiehlt es sich eine OHP-Folie auf die Mattscheibe zu kleben. So können Wellenbilder mit Folienstiften festgehalten werden.

Sicherheitshinweise

  • Stroboskop, Hinweis für SuS mit Epilepsie und Migräne geben, da ein Anfall ausgelöst werden kann
  • Vorsicht bei der Bedienung: Wasser vs. elektrisches Gerät
  • Beim Transport auf den Spiegel achten, dass er nicht aus der Halterung rutscht
  • Wellenerzeuger nicht im ausgeschalteten Zustand im Wasser lassen (Wasser kann zurück laufen)

Literatur