ausgekratzter Spiegel - Interferenz
Bei diesem Experiment wird es darum gehen, die konstruktive und destruktive Interferenz mehrerer Wellen eindrucksvoll sichtbar zu machen.
Herzstück des Experimentes ist ein „ausgekratzter Spiegel“.
Aufbau und Durchführung
Bei dem ausgekratzten Spiegel handelt es sich um eine Plexiglasplatte, bei der einige Bereichen herausgeschnitten (ausgekratzt) wurden. Die Platte, bzw. der Spiegel kann also nicht in voller Breite reflektieren. Vor der Platte werden ein Sender S und ein Empfänger E positioniert. Auf dem direkten Weg zwischen Sender und Empfänger befindet sich eine Platte, um die direkte Einstrahlung vom Sender zum Empfänger zu verhindern. Zum Beginn des Experimentes wird eine Platte vor den ausgekratzten Spiegel geschoben, so dass eine durchgehende Reflexionsfläche entsteht.
Nachdem die Platte vor dem ausgekratzten Spiegel entfernt wurde, erhöht sich das am Empfänger registrierte Signal signifikant.
Erklärung
Bei der „klassischen“ Reflexion, sind wir in der geometrischen Optik von einem Lichtstrahl ausgegangen. Ausgehend vom Sender S, wurde dieser nach dem Reflexionsgesetz am Spiegel reflektiert. Es galt: Einfallwinkel = Reflexionswinkel und Einfallender Strahl, reflektierter Strahl und Einfallslot liegen in einer Ebene.
Nach dem Prinzip von FERMAT nimmt das Licht zwischen zwei Punkten stets den Weg, für den es die kürzeste Zeit benötigt. Wenn der Strahl das Medium wechselt, dann ändert sich in der Regel auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Damit muss der Weg, auf dem der Strahl die kürzeste Zeit benötigt, nicht die direkte Verbindung sein.
Die folgende Animation zeigt, wie sich die Länge des Streckenzugs Sender-Reflektor-Empfänger, in Abhängigkeit von der Position des Reflektors ändert.
Mithilfe der geometrischen Optik, lässt sich das beobachtete Phänomen am ausgekratzten Spiegel nicht erklären. Hier benötigen wir die Wellenvorstellung.
Nach HUYGENS, kann jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangsgangspunkt einer neuen Elementarwelle betrachtet werden.
Die vom Sender ausgehenden Kreiswellen (rot) treffen auf die einzelnen Punkte der Spiegeloberfläche. Dort werden neue Elementarwellen (blau) angeregt, die sich kreisförmig ausbreiten.
Es wird deutlich, dass die sich ausbreitenden Wellen, nicht nur auf dem „Weg des Reflexionsgesetzes“ bewegen.
Wie in der Animation oben deutlich wurde, haben die verschiedenen Streckenzüge über den Reflektor Rx verschiedene Längen. Damit haben die beim Empfänger interferierenden Wellen auch verschiedene Phasen. Diese überlagern sich.
Zeigerdarstellung
In der Zeigerdarstellung wird besonders gut deutlich, welche Stellen des Spiegels konstruktive Beiträge und welche Stellen destruktive Beiträge bei der Zeigeraddition liefern. Wenn die Phasenlage des kürzesten Weges, der des roten Zeigers entspricht, dann liefern alle Zeiger im roten Bereich konstruktive Beiträge, die im blauen Bereich liefern destruktive Beiträge.
Wenn wir am Spiegel alle Bereiche die destruktive Beiträge zur Interferenz liefern entfernen, dann ist das resultierende Signal größer.
Bei der folgenden Animation kann die Lage ausgewählter Reflektoren variiert werden. Damit können die Bereiche konstruktiver und destruktiver Interferenz erkannt werden.