Ausbreitung von Kreiswelle und ebener Welle

Kurzbeschreibung

Funktionsweise des Wasserwellengerätes:

Der folgende Versuch wird mit einem Wasserwellengerät durchgeführt. Es handelt sich dabei um die wie im Folgenden dargestellte Anordnung eines Wellenerregers über einer von unten durch eine LED beleuchtete Plexiglaswanne.

Skizze der Versuchsanordnung:

Mittels dreier Verstellschrauben an der Wanne kann diese durch Orientierung am Wasserstand waagerecht ausgerichtet werden. Man verwendet destilliertes Wasser um Ablagerungen in der Wanne zu vermeiden.
In einer über das Display zwischen 5 und 60 Hz beliebig regelbaren Frequenz wird ein Tupfer in die mit Wasser gefüllte Wanne eingebracht. Dadurch wird das Wasser ausgelenkt und schwingt zurück; es ergeben sich Minima und Maxima des Wasserstandes – die charakteristischen Wasserwellen. Es ist ebenfalls möglich, den Tupfer nur mit einzelnen Impulsen zu betreiben. Außerdem kann die Amplitude in acht Stufen variiert werden. Sowohl Frequenz als auch Amplitude sind jeweils derart einzustellen, dass sie die qualitative bzw. quantitative Betrachtung optimieren.
Die inneren Ränder der Wanne sind mit Schaumstoff beschichtet um eine möglichst vollständige Absorption der Wellen zu gewährleisten, wodurch die Betrachtung des Wellenverlaufs nicht durch weitere Überlagerungen mit reflektierten Wellen beeinträchtigt wird.
Die entstehenden Wellen können von oben betrachtet und mit einer Kamera aufgenommen werden; alternativ kann ein Plexiglas-Aufsatz über der Wellenwanne angebracht werden, auf dem man auf einer beigefügten Folie ebenfalls gut die zweidimensionale Projektion der Wellen erkennen kann:

Des Weiteren kann der Beleuchtungsmodus variiert werden: die Wellenwanne kann kontinuierlich beleuchtet werden; allerdings kann das menschliche Auge Bewegungen nur bis ca. 25-30Hz differenziert erfassen. Überschreitet man diese Frequenzen, so ist der Stroboskop-Modus zu wählen, bei dem die Wellenwanne gepulst beleuchtet wird wodurch die Wellenbewegung verlangsamt dargestellt oder sogar zum Stillstand gebracht werden kann. Dieser Beleuchtungsmodus vereinfacht die qualitative Bewertung der Wellenbewegung für den Menschen; die Wellenbilder sind jedoch bei kontinuierlicher Beleuchtung deutlich eindrucksvoller.

Versuchsdurchführung / Beobachtung:

Die Wanne wird mit destilliertem Wasser gefüllt, ausgerichtet, und der Tupfer wird möglichst knapp mittig darüber positioniert. Danach wird er mit einer am Erreger eingestellten Frequenz fortlaufend ins Wasser getaucht. Von oben sieht man vom Erregerzentrum nach außen wandernde Wellenfronten; diese bilden, als Momentaufnahme betrachtet, konzentrische Kreise um den Tupfer:

Erklärung:

Für den Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle, Erregerfrequenz f und Wellenlänge λ gilt:
c = λ ·f
Das erste Eintauchen des Tupfers erzeugt ein sich kreisförmig ausbreitendes „einhüllendes“ Wellental, und jedes weitere Eintauchen erzeugt ein weiteres Wellental. Da die Wellenlänge durch die Frequenz quantisiert ist kann der Tupfer mit seiner Erregerfrequenz f ein weiteres Wellental nur genau im Abstand einer weiteren Wellenlänge hinzufügen, wobei das zuvor erzeugte Wellental in dieser Zeit T = 1/f genau um eine Wellenlänge weitergewandert ist. Dadurch entsteht auf der Folie ein Bild von abwechselnd hellen und dunklen konzentrischen Kreisen in konstanten Abständen von λ/2', wobei die hellen Kreise die Welentäler, also die Minima, und die dunklen Kreise die Wellenberge, also die Maxima darstellen.
An obiger Formel wird auch ersichtlich, dass eine Erhöhung der Frequenz zu einer größeren Ausbreitungsgeschwindigkeit führt, ebenso wie eine Erhöhung der Amplitude, wodurch die Wellenlänge vergrößert wird.

Ausbreitung einer einfachen parallelen Welle

Skizze der Versuchsanordnung:

Versuchsdurchführung / Beobachtung / Erklärung:

Im Unterschied zur einfachen Kreiswelle wird bei diesem Versuch statt dem Tupfer ein Schieber ins Wasser eingebracht. Hier ist es insbesondere erforderlich, auf die genau waagerechte Ausrichtung der Wellenwanne zu achten um ein gleichmäßiges Eintauchen des Schiebers zu gewährleisten. Außerdem kann die Beigabe einiger Tropfen Seifenlösung zur besseren Benetzung beitragen. Im Übrigen ist der Versuch analog zur einfachen Kreiswelle; die Erklärung des entstehenden Bildes ist ebenfalls analog.

Betriebsanweisungen: Lampen, Elektrogeräte

• zum Film "ebene Welle"


• zum Film "Kreiswelle"