Allgemeine Welleneigenschaften
Felder, Wellen und Strahlen- Ausbreitung und Ausbreitungsgeschwindigkeit
- Transversal- und Longitudinalwellen
- Erregunszentrum und Quellen
- Wellenfläche und Wellenfront
- Wellennormale und Strahl
- Polarisation
- Reflexion und Brechung
- Stehende Wellen
- Interferenz von Wellen und Beugung
- Streuung
- Absorption
- (Taschenatlas Kapitel 39)
Felder, Wellen und Strahlen
- Energie kann durch Wellen und durch Teilchen übertragen werden.
- Wellen übertragen Energie ohne dabei Materie zu transportieren.
- Teilchen übertragen Energie, in dem sie durch ihre Masse und Ladung mit einem
Medium in Wechselwirkung treten.
- Wir sprechen von
- Strahlen bei Wellen mit sehr kleinen Wellenlängen,
- Röntgenstrahlen
- Lichtstrahlen
- Wellen bei Erscheinungen mit größeren Wellenlängen,
- Feldern bei sehr großen Wellenlängen.
- Elektrische Felder
- Magnetfeld
- Diese sprachliche Unterscheidung ist historisch bedingt und nimmt auf die
Größe des Menschen und seiner Sinnesorgane Bezug.
Ausbreitung und Ausbreitungsgeschwindigkeit
- Eine Welle ist die räumliche Ausbreitung eines Schwingungsvorganges.
- Für harmonische Schwingungsvorgänge wird die Welle durch eine Sinusfunktion
beschrieben.
- In der Gleichung einer Welle tritt die Wellenlänge und die Frequenz auf.
- Wellen breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit aus.
- Elektromagnetische Wellen : Lichtgeschwindigkeit c
- Mechanische Wellen in Medien : Schallgeschwindigkeit v
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist das Produkt von Wellenlänge und Frequenz.
- Alle elektromagnetischen Wellen benötigen keinen materiellen Überträger.
- Alle Formen mechanischer Wellen benötigen materielle Überträger.
Transversal- und Longitudinalwellen
- Wellen werden danach unterschieden, wie die Schwingungsrichtung in Relation
zur Ausbreitungsrichtung verläuft.
| Transversalwellen |
Longitudinalwellen: |
| Schwingung normal zur Ausbreitungsrichtung |
in der Ausbreitungsrichtung |
| Elektromagnetische Wellen |
Schallwellen in Flüssigkeiten und Gasen |
| Schallwellen im Festkörper |
Schallwellen im Festkörper |
| Pulswelle in den Arterien |
Druckwelle im Gefäßinneren |
Erregungszentrum und Quellen
- Eine Welle geht von einem Erregungszentrum aus, das wir als Quelle bezeichnen.
| Quelle |
Beispiel |
|
| punktförmige Quellen |
punktförmige Lichtquelle |
|
| Lineare Quellen |
Spaltlampe |
Violinsaite |
| Flächenhafte Quellen |
Beleuchtungskörper |
Lautsprecher |
| Volumenhafte Quellen |
Plasma |
Orgelpfeife |
- Die Leistung der Quelle bestimmt,
- wie viel Energie pro Zeiteinheit in den Raum abgestrahlt,
- (synonym) in das umgebende Medium abgegeben wird.
Wellenfläche und Wellenfront
- Die Wellenfläche in einer Welle enthält alle Punkte im Raum, die sich
- zu einem bestimmten Zeitpunkt im selben Schwingungszustand befinden.
- Oberflächenwellen in der Grenzschichte zweier Medien
- Wellen in Raum
- Ebene Wellen in isotropen Medien
- Kugelwelle in isotropen Medien
Wellennormale und Strahl
- Die Wellennormale steht normal auf die Wellenfläche.
- Sie gibt die lokale Ausbreitungsrichtung der Welle in dem betrachteten Punkt
an.
- In der Optik und bei ionisierenden Strahlen wird die Wellennormale als Strahl
bezeichnet.
Polarisation
- Transversalwellen können alle möglichen Schwingungsebenen einnehmen.
- Linear polarisierte Wellen schwingen nur in einer Ebene.
- Ein Polarisator erzwingt die Polarisation einer Welle.
- Ein Analysator = zweiter Polarisator ist für den Nachweis der Polarisation
notwendig.
- Biologische Bedeutung
- Nutzung
Analyse optisch aktiver Substanzen in Lösungen mit der Polarimetrie- Analyse
doppelbrechender Kristalle in mikroskopischen Präparaten
- Spannungsoptische Prüfung belasteter Strukturen
Reflexion und Brechung
- Wellen breiten sich in isotropen Medien nach allen Richtungen mit gleicher
Geschwindigkeit aus.
- Die Wellennormale ist eine Gerade, die durch das Erregungszentrum verläuft.
- Licht breitet sich geradlinig aus.
- An der Grenzfläche zweier Medien ändern sich
- die physikalischen Eigenschaften (Aggregatzustand, Dichte,...) und damit
- die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen.
- Es kommt zu einer Aufspaltung und Richtungsänderung der Welle.
- Es treten Reflexion und Brechung auf.
- Reflexion: Ein Teil der Welle läuft in dem Medium zurück.
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel
- Brechung: Ein Teil der Welle dringt in das zweite Medium ein und breitet sich
mit anderer Geschwindigkeit und veränderter Richtung aus.
- Die Brechung ist wellenlängenabhängig (Dispersion des Brechungsindex).
- Es entsteht ein Dispersionsspektrum.
| Brechungsgesetz |
Optik |
Akustik |
| Ausbreitungsgeschwindigkeit |
c1,c2 |
v1,v2 |
| Dichte der Medien |
|
d1,d2 |
| Kenngrößen |
Brechungsindex |
Akustische Impedanz |
|
n = c1/c2 |
d1·v1, d2·v2 |
| Besonderheiten |
Totalreflexion |
Ankopplung |
- Biologische Bedeutung:
Optische Abbildung des Auges und Entwicklung des Gesichtssinnes- Schalleitung
des Ohres und akustische Orientierung im Raume
- Nutzung
Optische Instrumente wie Lichtmikroskope und Endoskope- Akustische Verfahren
wie Auskultation, Perkussion, US-Diagnostik
- Prismenspektralapparate
- Raumakustik
Stehende Wellen
- Wird eine Welle an einem Hindernis so reflektiert, dass sie in der entgegengesetzten
Ausbreitungsgeschwindigkeit zurückläuft, bildet sich ein stehende Welle aus.
- Stehende optische Wellen bilden sich im Resonator eines Lasers aus.
- Stehende mechanische Longitudinalwellen zeigen
- in Bewegungsknoten die größten Druckschwankungen und
- in Bewegungsbäuche die größten Amplitudenwerte.
- Biologische Bedeutung
- In Flüssigkeiten können stehenden Ultraschallwellen so hohe Druckschwankungen
erzeugen, dass die Zellmembranen zerrissen werden.
- Gefährdungspotential: Schädigung von Gewebe bei Ultraschallanwendung
- Nutzung: Homogenisieren von Stoffen, auch von Geweben
Reinigung von Zähnen und mechanischen Objekten
Interferenz von Wellen und Beugung
- Die Überlagerung mehrerer Wellen an einem Ort bezeichnen wir als Interferenz.
- Treffen Wellen auf Hindernisse in der Größenordnung der Wellenlänge, so tritt
Beugung auf.
- Die Beugungserscheinungen am Spalt und am Gitter entstehen durch die Interferenz
der durchtretenden Wellen.
- Die Beugung ist wellenlängenabhängig.
- Es entsteht ein Beugungsspektrum.
- Die Interferenz von Lichtwellen tritt bei
Reflexion des Lichtes an dünnen Schichten,- bei Beugung des Lichtes am Spalt
und am Gitter auf.
- Biologische Bedeutung:
Farben biologischer Objekte (Schmetterlingsflügel),- Farberscheinungen an
dünnen Schichten (Flüssigkeitsoberflächen).
- Nutzung:
Theorie der mikroskopischen Abbildung,
- Phasenkontrastmikroskop, Interferenzmikroskop
- Interferenzfilter in Fluoreszenzmikroskopen und Photometern
- Gitterspektralapparate
Streuung
- Teilchen- oder Wellenstrahlung werden durch kleine Streuzentren diffus in
verschiedene Richtungen gestreut.
- Die Energie der Streuwellen geht der primären Strahlung verloren, so dass
deren Intensität geschwächt wird.
- Die Streuung von Licht ist wellenlängenabhängig.
- Biologische Bedeutung:
Himmelsblau, Abend- und Morgenrot- Haloeffekte in der Atmosphäre (Hof des
Mondes, der Sonne)
- Nutzung:
Absorption
- Die Welle verliert durch Wechselwirkung mit der Materie Energie.
- Die Absorption einer bestimmten Wellenart hängt
- von den Eigenschaften des Mediums und
- von der durchstrahlten Schichtdicke ab.
- Die Absorption einer Welle in einem Medium folgt einem Exponentialgesetz.
- Man charakterisiert die Medien durch Schwächungskoeffizienten für die betreffende
Wellenart und durch ihre Halbwertsschichte.
- Biologische Bedeutung:
Übertragung von Energie durch Wellen auf biologische Objekte- Funktion der
Sinne
- Nutzung
Abschirmung von Wellen und Strahlen- Absorptionsspektralanalyse
- Aufnahme von Energie
Begriffe:
Welle Transversalwelle Longitudinalwelle
Ausbreitungsgeschwindigkeit Wellenzentrum Lichtquelle
Schallquelle Wellenfläche Wellennormale
Frequenz Interferenz
Stehende Wellen Bewegungsknoten Bewegungsbauch
Polarisation Reflexion Brechung
Brechungsindex Akustische Impedanz
Beugung Streuung Absorption
Exponentialgesetz Absorptionskoeffizient Halbwertschicht
Abbildungen Reflexion, Brechung und Absorption von Wellen
1. Reflexion und Brechung einer Welle an 2. Reflexion und Brechung einer Welle an
einer ebenen Grenzfläche zu einem einer ebenen Grenzfläche zu einem
dichteren Medium: dünneren Medium:
3. Totalreflexion
4. Diffuse Reflexion einer Welle an einer rauen Grenzfläche
5. Absorption einer Welle an Schichten eines gleichen Mediums
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werden. Zusammen mit den physikalischen Demonstrationen sind notwendige Lehrbehelfe
für das gruppenorientierte Studium (Collaborative Learning).
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Movie: Wellen 
Formel: Bestimmungsgrößen von Wellen