Wellenphänomene: Huygens, Reflexion, Brechung und Beugung

Huygens'sches Prinzip der Wellenausbreitung

Das Huygens'sche Prinzip ist ein Modell, das hilft, Wellenphänomene zu erklären. Es besagt, dass sich eine Welle als eine Wellenfront oder Oberfläche ausbreitet, die eine Verbindung aller Punkte darstellt, die durch die Wellenbewegung im selben Augenblick erreicht werden. Jeder Punkt eines isotropen Mediums, der eine Störung erreicht hat, verhält sich wie ein Emitter von Sekundärwellen, die sich in Richtung der Störung ausbreiten. Die Oberfläche, die tangential zu allen diesen Wellen in einem gegebenen Augenblick ist, stellt die nächste Wellenfront dar. Der Radius der Wellen in jedem Augenblick ist vt.

Wellenphänomene an Grenzflächen

Reflexion von Wellen

Wenn eine Welle von einem Medium die Grenze zu einem anderen Medium erreicht, wird ein Teil der Welle reflektiert und breitet sich weiterhin im selben Medium aus. Der andere Teil geht in das andere Medium über, wo er sich mit einer anderen Geschwindigkeit und somit einer anderen Wellenlänge (v = λf) ausbreitet, da die Frequenz konstant bleibt. Dies führt auch zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung.

Nehmen wir an, eine einfallende Welle breitet sich in Form von Wellenfronten aus. Wenn die Kontaktfläche die beiden Medien trennt, wird der Kontaktpunkt zum Schwerpunkt eines Kugelwellen-Emitters. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Medium v ist, wird die von Punkt A emittierte Sekundärwelle nach einer Sekunde einen Radius von v haben. Die einfallende Wellenfront wird sich jedoch nach A' verschoben haben, was die neue Ausrichtung der Emitter darstellt. In der nächsten Sekunde wird die Sekundärwelle von A' einen Radius von v haben, während die von A freigesetzte Welle einen Radius von 2v emittiert hat. Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.

Brechung von Wellen

Die gleichen Punkte, die im Konzept der Reflexion angesprochen wurden, können als Quellen für gebrochene Wellenemissionen dienen, die sich in einem anderen Medium ausbreiten. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Medium v' ist, wird die von A emittierte Sekundärwelle nach zwei Sekunden einen Radius von 2v' haben, während die von A' in diesem Augenblick emittierte Welle einen Radius von v' hat.

• Wenn v größer als v' ist, breitet sich die Richtung der gebrochenen Wellenfronten von der Normalen zur Grenzfläche weg aus. Der Brechungswinkel ist dann größer als der Einfallswinkel.
• Wenn v' größer als v ist, ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel.

Beugung von Wellen

Beugung ist das Phänomen, bei dem eine Welle ihre Ausbreitungsrichtung ändert, wenn sie auf Öffnungen oder Hindernisse trifft. Die Punkte des Teils der Wellenfront, der durch die Öffnung gelangt, werden zu Quellen für Sekundärwellen.

Abhängig von der Größe der Öffnung im Verhältnis zur einfallenden Wellenlänge verhalten sich die gebeugten Wellenfronten auf die eine oder andere Weise:

• Wenn die Öffnung groß ist im Vergleich zur Wellenlänge, ist die Beugung kaum relevant.
• Wenn die Öffnung jedoch vergleichbar mit der Wellenlänge ist, wird die Beugung wichtig.