Beugung durch einen einzelnen Schlitz
Beugung tritt auch auf, wenn eine Welle eine Lücke (oder einen Schlitz) in einer Barriere passiert. Dies wird in den beiden folgenden Animationen gezeigt. Der Unterschied zwischen den Filmen ist die Größe der Lücke.
Wie wirkt sich dies auf die Wellenbeugung aus, wenn sich die Größe der Lücke ändert? Wann tritt maximale Beugung auf? (Denken Sie an Ihre früheren Erkenntnisse über die Beugung von Schall um ein Hindernis herum).
Wenn die Spaltbreite größer als die Wellenlänge ist (unterer Film), passiert die Welle den Spalt und breitet sich auf der anderen Seite nicht stark aus. Wenn die Spaltgröße kleiner als die Wellenlänge ist (oberer Film), tritt mehr Beugung auf und die Wellen breiten sich stark aus – die Wellenfronten sind fast halbkreisförmig.
Huygens-Prinzip
Eine Möglichkeit, die Auswirkungen der Beugung zu erklären, besteht darin, eine mathematische Methode zu verwenden, die vom Physiker Christiaan Huygens aus dem 17.
Huygens argumentierte, dass eine Wellenfront als eine Reihe von Wavelets modelliert werden könnte. Ein Wavelet kann als kreisförmige Welle beschrieben werden, ähnlich wie die Welligkeit, die Sie erhalten würden, wenn Sie einen kleinen Kieselstein in einen Teich fallen lassen. Diese Wavelets überlagern und interferieren, um kompliziertere Wellenfronten zu bilden. Zum Beispiel – wenn Sie eine Anzahl von Kieselsteinen in einer geraden Linie fallen ließen, alle auf einmal genau zur gleichen Zeit, würde eine gerade (in der Wissenschaft sprechende Ebene) Wellenfront erzeugt werden. Das folgende Video zeigt, wie Sie mit dieser Methode herausfinden können, wie Wellenfronten durch einen Schlitz verändert werden.
Beugung durch zwei Schlitze
Young’s Experiment
Bisher haben wir nur den Fall eines einzelnen Schlitzes oder Spaltes betrachtet, durch den die Welle hindurchtreten kann. Was passiert, wenn zwei oder mehr Schlitze vorhanden sind? Wir werden mit zwei oder mehr beugenden Wellen enden, von denen wir erwarten könnten, dass sie sich gegenseitig stören.
Unten ist eine Simulation der Beugung durch zwei Schlitze. Das Experiment ist nach dem Mann benannt, der es zuerst durchgeführt hat – Youngs Doppelspaltexperiment. Schauen Sie sich an, was rechts von den Schlitzen passiert. Gibt es ein Muster? Was schafft das? Ist die Amplitude an einigen Stellen größer als an anderen?
Rechts von den Schlitzen stören sich die Wellen. Tatsächlich können Sie dieselben Muster generieren, indem Sie zwei Quellen dort platzieren, wo sich die Schlitze befinden. Der Schall durch jeden Schlitz beugt und strahlt eher wie zwei Punktquellen. Die Muster, die Sie beobachten, sind also denen für zwei Quellen sehr ähnlich, deren Wellenstrahlung zusammen interferiert. Vielleicht möchten Sie sich die Seiten zur Interferenz noch einmal ansehen – alle Formulierungen und Konzepte sind auf Youngs Doppelspaltexperiment anwendbar. Dieses Video unten zeigt dies anhand von Wasserwellen auf einem Teich.
Denken Sie zurück – wenn wir es mit der Interferenz zweier Quellen zu tun haben, wird es Orte geben, an denen die Wellen in Phase sind und konstruktive Interferenz verursachen, und andere Orte, an denen die Wellen außer Phase sind und destruktiv interferieren. In einem Audiobeispiel könnten die beiden Schlitze durch zwei Lautsprecher ersetzt werden, und die Maxima und Minima in der Wellenüberlagerung würden dann Orten von Lautstärke und Ruhe entsprechen.
Wir hörten diese lauten / leisen Bereiche nacheinander, als wir uns in einem Bogen vor den Lautsprechern bewegten – sie werden Young’s Fringes genannt. Wenn das Experiment mit Lichtwellen durchgeführt wird, erhalten Sie helle Orte für konstruktive Interferenz und dunkle Orte für destruktive Interferenz. Young verwendete dieses Experiment, um die Wellenlänge des Lichts zu messen.
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