Wellenwanne

Die Wellenwanne projiziert Wasserwellen als Hell-Dunkel-Muster: Wellenberge bündeln das Licht, Täler zerstreuen es. Ein Vibrator erzeugt ebene oder kreisförmige Wellen, und mit einfachen Einbauten (Barrieren, Stufen, Spalte, Doppelerreger) lassen sich die vier Grundphänomene jeder Wellenausbreitung einzeln vorführen: Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz.

Was die Wanne mit Wasser zeigt, machen Schall und Licht unsichtbar genauso. Das Reflexionsgesetz gilt für Echo und Spiegel, die Brechung für Linsen, die Beugung erklärt das Hören um Ecken, und die Interferenz wird beim Licht zum Beweis seiner Wellennatur (Doppelspalt!). Die Wanne ist damit die Anschauungszentrale der gesamten Wellenphysik: einmal gesehen, wiedererkannt für immer.

Das Prinzip, jede Wellenfront als Summe von Elementarwellen zu lesen, formulierte Huygens 1678; Thomas Young machte um 1802 mit Wellenwannen-Bildern die Interferenz plausibel, bevor er sie am Licht zeigte: Die Wanne war historisch das Beweismittel für die Wellennatur des Lichts.

Erzeuge ebene Wellen ($\lambda \approx 2\ \mathrm{cm}$) und lasse sie durch Spalte der Breiten 8, 4 und 1,5 cm laufen. Dokumentiere je das Bild hinter dem Spalt. Beobachte zusätzlich die Beugung an einer einzelnen Kante.

Nach Huygens ist jeder Punkt der Spaltöffnung Ausgangspunkt einer Elementar-Kreiswelle; das Bild dahinter ist ihre Überlagerung. Beim breiten Spalt ($b \gg \lambda$) rekonstruieren die vielen Elementarwellen in der Mitte fast die ebene Front. Sie läuft geradeaus weiter, mit nur schmalen Randaufweichungen: fast geometrischer „Schattenwurf“. Beim engen Spalt ($b \lesssim \lambda$) bleibt praktisch eine einzige Elementarwelle übrig. Hinter dem Spalt läuft ein voller Halbkreis; die Öffnung wirkt als neuer Punkterreger. Die Messreihe fährt genau dieses Verhältnis $b/\lambda$ von 4 über 2 nach unter 1 durch.

Zwei Barrieren bilden den Spalt; die Wellenlänge vorab per Streifenabstand messen (Frequenz so wählen, dass λ ≈ 2 cm).

Drei Draufsichten (breiter, mittlerer, enger Spalt) mit erwarteten Bildern: fast gerade Fortsetzung, aufgeweitete Front, Halbkreis.

Aufbau: Wellenwanne mit Beleuchtung und Projektionsfläche, Vibrationserreger mit Balken- und Doppelpunkt-Aufsatz, Frequenzregler mit Stroboskop-Funktion; Einbauten: gerade Barriere, planparallele Flachwasserplatte, verstellbare Spaltbarrieren.

Je Spaltbreite Bild einfrieren und fotografieren; Winkelbereich abschätzen, in den merkliche Wellen laufen. Danach eine Barriere entfernen: Bild an der freien Kante.

Das Verhältnis $b/\lambda$ regiert das Bild: Vom fast geometrischen Durchlass (Faktor 4) über sichtbare Aufweitung (Faktor 2) zum vollen Halbkreis (unter 1): Beugung ist kein Randeffekt, sondern wird zur Hauptsache, sobald die Öffnung in die Größenordnung der Wellenlänge kommt. Die Kantenbeugung zeigt dasselbe ohne Spalt: Wellen kennen keinen scharfen Schatten.

Die Alltagsübersetzung: Schall (λ zwischen Zentimetern und Metern!) findet Türöffnungen immer „eng“. Deshalb hört man um die Ecke, tiefe Töne (große λ) am besten. Licht (λ um ein halbes Mikrometer) findet dieselbe Tür extrem „breit“: geometrischer Schatten, keine sichtbare Beugung. Erst mikrometerfeine Spalte zeigen beim Licht die Halbkreis-Physik, das Thema des Laser-Interferenz-Experiments.

Beugung wächst, je kleiner die Öffnung gegen die Wellenlänge wird: vom fast geraden Durchlass ($b = 4\lambda$) bis zur Halbkreiswelle ($b < \lambda$). Das Verhältnis $b/\lambda$ ist die Ordnungsgröße: der Schlüssel für Hören um Ecken und die Unsichtbarkeit der Lichtbeugung im Alltag.

Beugungsbilder sind kontrastarm: Die Beobachtungsbedingungen entscheiden: