Reflexion
Reflexion, Welle, Wellen, Wellenträger, offenes Ende, geschlossenes Ende, stehende Welle, Phasensprung
Eine Welle ist die zeitliche und räumliche periodische Änderung einer physikalischen Größe. Eine Welle breitet sich längs eines Wellenträgers aus. Der Wellenträger ist von der Art und der Erzeugung der Welle abhängig.
Wellenträger
- Geige – Seite zwischen den Stegen
- Posaune – Rohr zwischen Mundstück und Öffnung
- Wasserwelle – Meer bis zum Ufer, einer Sandbank oder einer Untiefe
- Licht – Raum zwischen Quelle und Hindernis
Wenn eine Welle das Ende ihres Wellenträgers erreicht (z.B. Wand, Rohrende, Spiegel, …), dann wird sie reflektiert, d.h. sie wird an einer Grenzschicht in das gleiche Medium „zurückgeworfen“. Dabei gehen wir in den folgenden Betrachtungen zunächst von einer vollständigen Reflexion aus.
Wie den Beispielen für die Wellenträger zu entnehmen ist, kann es unterschiedliche Arten von Enden des Wellenträgers geben.
Beispiel Schall
- Orgelpfeife: Einige Orgelpfeifen sind am Ende offen, einige geschlossen. Damit gestaltet sich auch die Reflexion unterschiedlich. Gleiches gilt z.B. auch für Panflöten.
- Echo: Bei einem Echo trifft der Schall häufig auf ein Bergmassiv und wird dort reflektiert.
- Trompete: Eine Trompete ist vorne offen, damit endet der Wellenträger ohne ein „festes Hindernis“ davor.
Bei der Trompete können wir die Länge des Wellenträgers durch das Drücken der 3 Ventile verändern ♦03. Dann ändert sich die Länge des Weges über die Ventilzüge.
Einfacher ist das an der Posaune ♦04 zu erkennen. Die Länge des Weges, den die Luft vom Mundstück bis zum „Ausgang“ zurücklegt, lässt sich durch den Posaunenzug verändern.
Arten der Reflexion
Bei der Reflexion von Wellen können wir zwischen zwei Arten unterscheiden:
Auch wenn es sich bei den oben betrachteten Schallwellen um Longitudinalwellen handelt, wollen wir zur Veranschaulichung eine Transversalwelle nutzen. Transversalwellen sind besser darstellbar. Die Unterschiede zwischen den Wellenformen werden bei den folgenden Betrachtungen nicht von Bedeutung sein.
zu 1. Reflexion am festen Ende
Wir fixieren eine Schraubenfeder an einem Ende und regen diese durch einmaliges Auslenken an.
Wir können beobachten, dass sich die Anregung längs der Feder (des Wellenträgers) ausbreitet. An der Wand wird die Welle reflektiert. Dabei kehrt sich die Schwingungsrichtung um und die Welle läuft auf dem Wellenträger zurück.
Da sich die Zustände der einzelnen Oszillatoren längs der Feder überlagern, sehen wir im 3. Bild der Abbildung 5 eine Auslöschung.
Ab dem 6. Bild ist zu erkennen, dass die Welle in gleicher Weise, aber mit umgekehrtem Vorzeichen zurückläuft.
Bei der Reflexion am festen Ende tritt ein Phasensprung auf.
zu 2. Reflexion am losen Ende
Das lose Ende an der Schraubenfeder können wir über ein Seil realisieren. Das Seil ermöglicht, dass die Feder am Ende frei schwingen kann.
Wir können beobachten, dass sich die Anregung längs der Feder (Wellenträger) ausbreitet. Am losen Ende wird die Welle reflektiert. Dabei bleibt die Schwingungsrichtung erhalten und die Welle läuft auf dem Wellenträger zurück.
Ab dem 4. Bild (♦06) ist zu erkennen, dass die Welle in gleicher Weise, mit gleichem Vorzeichen zurückläuft.
Die Reflexion am losen Ende erfolgt ohne Phasensprung.
Reflexion am festen und losen Ende an der Lippenpfeife.
Die Lippenpfeife ist quasi ein Laborgerät, mit dem wir die verschiedenen Reflexionen sichtbar und hörbar machen können.
Bild ► 07 zeigt die hinten geschlossene Lippenpfeife. Hier haben wir also ein offenes und ein geschlossenes Ende. Im Gegensatz dazu zeigt Bild ►08 die hinten offene Lippenpfeife. Hier haben wir also zwei offenes Enden. Die sich aufbauenden Wellen haben eine unterschiedliche Wellenlänge. Die Töne unterscheiden sich deutlich.
