Schwingungen und Wellen

SW 2.6 Wellenwanne mit stroboskopischer Beleuchtung

  O. Vorwort

Mit der Wellenwanne lassen sich die grundlegenden Phänomene zweidimensionaler Wellen an Wasserwellen verdeutlichen. Mit den zur Verfügung stehenden Erregern, Blenden, Linsen können z.B. Phänomene der Reflexion, Brechung, Beugung und der Interferenz anschaulich dargestellt werden.

Mit geringem Aufwand sind ferner Versuche zum Doppler-Effekt, zur Bragg-Reflexion und mit Ultraschallwellen möglich.

Die im Versorgungsgerät erzeugten Luftdruckschwankungen einstellbarer Frequenz und Amplitude werden von Erregern in Schwankungen der Wasseroberfläche umgesetzt. Je nach Erreger entstehen Kreiswellen oder ebene Wellen. Ein von oben einfallender Lichtkegel entwirft nach der Umlenkung an einem Spiegel ein Bild der Welle auf dem vertikalen Beobachtungsschirm. Durch stroboskopische Beleuchtung kann jederzeit ein stehendes Wellenbild erzeugt werden.

Die Versuchsparameter Frequenz, Amplitude, Stellung des Erregers und Wassertiefe lassen sich bequem variieren.

Die gute Beobachtbarkeit der Wellenfelder erlaubt bei fast allen Versuchen quantitative Auswertungen, so daß deduktiv gewonnene Ergebnisse experimentell bestätigt werden können. Die in diesem Buch beschriebenen Versuche können vorzugsweise als Demonstrationsversuche eingesetzt werden, bei einigen Versuchen bietet sich auch der Einsatz in Praktika an: Dispersion von Wasserwellen, Brechung von Wellen.

Die in den Versuchsbeschreibungen angegebenen Ergebnisse sind unter den dort beschriebenen Bedingungen erzielt worden. Eine Wahl anderer Werte der Versuchsparameter ist durchaus möglich. Die angegebenen Meßbeispiele sind immer als Beispiele zu verstehen. Je nach Wert der Versuchsparameter und der Hilfsmittel (z.B. fotografische Aufnahmen zur Wellenlängenbestimmung) können Abweichungen von den angegebenen Meßwerten auftreten.

  1. Experimentelle Hinweise

a) Bei allen Versuchen sollte der Raum zum Teil, bei einigen Versuchen (z.B. Beugung am Spalt) fast vollständig abgedunkelt sein. Der Beobachtungsabstand sollte großer als 2 m sein, wobei auch eine seitliche Betrachtung des Beobachtungsschirms oder eine Veränderung der Beobachtungsposition sinnvoll sein kann.

b) Es empfiehlt sich, die Oberflächenspannung des Wassers durch einen Tropfen Spülmittel herabzusetzen. Auch die Erreger und die schrägen Seitenwände der Wellenwanne in Höhe der Wasseroberfläche sollten ein wenig mit Spülmittel benetzt werden.

c) Bei niedrigen Erregerfrequenzen und eingeschaltetem Stroboskop wird die Betrachtung angenehmer, wenn ein Rotfilter in den Strahlengang gebracht wird. Das Filter dazu an der Lichtaustrittsöffnung des Stroboskops befestigen oder das Wellenfeld direkt durch das Filter betrachten.

d) Die Eintauchtiefe der Erreger in die Wasseroberfläche und die Amplitude der Wellenerregung müssen jeweils sorgfältig ausgewählt werden. Bei einer Änderung der Erregerfrequenz kann ein Nachstellen der Amplitude erforderlich sein. Die Beobachtung bei eingeschaltetem Stroboskop erfordert größere Amplituden, ebenso die Betrachtung des Wellenbildes hinter Hindernissen. Durch Veränderung der Erregerampiitude können verschiedene Zonen des Wellenbildes scharf eingestellt werden. Dies ist z.B. wichtig, wenn bei Versuchen zur Reflexion die reflektierte Welle erst bei größerer Erregeramplitude deutlich sichtbar wird, oder bei Versuchen zur Beugung an Spalten und Hindernissen.

e) Soll mit dem Stroboskop ein stehendes Wellenbild erzeugt werden, dann muß die Synchronisation zwischen Stroboskop und Wellenerregung durchgeführt werden. Nach jeder Veränderung der Feinsynchronisation einen Moment abwarten und erst dann die Synchronisation verbessern. Stimmen Erreger- und Stroboskopfrequenz überein, dann leuchtet das Stroboskop immer dann auf, nachdem sich die Welle um eine Wellenlänge voranbewegt hat.
Alle Versuchsergebnisse sollten auch bei abgeschaltetem Stroboskop betrachtet werden. Einige Phänomene (z.B. Interferenzhyperbeln bei der Interferenz von Kreiswellen) werden so erst sichtbar. Zudem können bei Veränderung der Erregerfrequenz und der Erregeramplitude und bei einigen Versuchen auch der Wassertiefe (Brechung; Bragg-Reflexion;...) die Phänomene deutlicher werden.

f) Es empfiehlt sich auch mit kurzen Wellenimpulsen zu arbeiten. Kurze Wellenimpulsewerden erzeugt, wenn bei eingeschaltetem Erreger (abgeschaltetes Stroboskop) die Amplitude von minimalem Wert kurzzeitig erhöht wird (z.B. bei Reflexionsversuchen).

g) Für quantitative Auswertungen, für die die Wellenlänge benötigt wird, ist der Abbildungsmaßstab β' ≈ 1,7 zu berücksichtigen. Dieser entsteht durch die Projektion der Oberflächenwellen auf dem Beobachtungsschirm. Aus der auf dem Beobachtungsschirm gemessenen Wellenlänge λ_Bild erhält man die tatsächliche Wellenlänge als:

λ = λ_Bild/β'

Der exakte Abbildungsmaßstab β' wird zweckmäßigerweise für die benutzte Wellenwanne bestimmt und am Gerät vermerkt.

Bestimmung von β':
Transparentes Lineal in die Wellenwanne legen und Versorgungsgerät einschalten. Erforderlichenfalls Unterbrecherschraube des Stroboskops mit der Rändelschraube (14) aus dem Strahlengang schwenken. Zu einer Gegenstandsgröße y mit einem Meßschieber auf dem Beobachtungsschirm die Bildgröße y' ausmessen.

Meßbeispiel: y = 3 cm / y' = 5,09 cm

β' = y'/y = 1,69

h) Nicht nur für quantitative Auswertungen kann es hilfreich sein, Daten des Wellenfeldes direkt auf eine am Beobachtungsschirm befestigte Folie einzuzeichnen. Für quantitative Aussagen können die Informationen des Wellenfeldes dann auf einem Projektor ausgewertet werden. Zur Auswertung verschiedener Versuche sollten auch Fotos, bzw. eine Serie von Fotos bei veränderten Versuchsbedingungen, aufgenommen werden. (S-W-Film / hart / kurze Belichtungszeit / Stativ).

i) Hinweise zur Wassertiefe finden sich in den einzelnen Versuchen, wenn sie für den Erfolg der Experimente wichtig sind. Ansonsten sollte mit Wassertiefen zwischen 0,4 und 1 cm experimentiert werden. Für Wassertiefen größer als l cm muß der ebene Wellenerreger auf eine Unterlage gestellt werden (z.B. Plankonkav-Linse).
Wellenlängenmessungen sollten immer bei eingeschaltetem Stroboskop über mehrere Wellenlängen hinweg erfolgen. Die Erregerfrequenz kann grob am Frequenzsteller (20) abgelesen werden. Eine genaue Bestimmung wird in Versuch 3.12 durchgeführt.

k) In allen Experimenten muß vor Beginn der Versuchsdurchführung ein deutliches Wellenfeld einer ebenen Welle bzw. einer Kreiswelle erzeugt werden. Die notwendigen experimentellen Hinweise werden in Versuch 3.1. gegeben.

  2. Bedienungshinweise / Beschreibung

Die Wellenwanne dient zur Demonstration der Wellenausbreitung an Flüssigkeitsoberflächen. Die Schwingungen einer Membran im Versorgungsgerät werden als Luftdruckschwankungen über verschieden gestaltete Wellenerreger auf die Wasseroberfläche übertragen. Die Erregerfrequenz kann zwischen 8 und 80 Hz variiert werden. Zur Darstellung eines stehenden Wellenbildes ist eine Stroboskop-Beleuchtung mit dem Frequenz-Generator für die Erreger-Membran synchronisiert.

Sicherheitshinweise

- Bei von 220 V abweichenden Netzanschlußspannungen Gerät gemäß Kapitel 4 umrüsten.
- Beim Transport darauf achten, daß der lose einliegende Spiegel (10) nicht aus dem Rahmen rutscht.
- Wanne sowie alle Teile, die mit Wasser in Berührung gekommen sind, nach dem Experimentieren sorgfältig trocknen.

Vorbereitung der Versuchsanordnung

Wellenwanne erschütterungsfrei aufstellen; Wasserwaage bzw. Libelle auf Bodenplatte (4) legen und Wanne sorgfältig horizontal justieren mit Hilfe der beiden Stellschraubenfüße (8). Dabei bleibt Fuß (7) der Dreipunktauflage fest. Die beiden Stabilisierungsfüße (9) dürfen während des Ausrichtens den Tisch nicht berühren; sie werden erst nach dem horizontalen Einrichten vorsichtig herausgedreht, bis sie die Tischplatte berühren, ohne die horizontale Ausrichtung zu verändern.

Ablaufschlauch (2) mit Schlauchklemme (26) verschließen;

ca. 1 l Wasser in die Wanne (3) füllen;

Wasserstand: bei Versuchen zur Reflexion und Brechung etwa 1,5 mm über der planoarallelen Platte (33) oder den Linsen (34)/(35) , sonst zwischen 2 mm und 10 mm bzw. wie in den Versuchen angegeben.
Schräge Seitenwände der Wanne zweckmäßigerweise in Höhe der Wasseroberfläche mit einem sehr dünnen Film des Spülmittels aus (31) benetzen;

Versorgunasschlauch (25) auf Luftaustrittsstutzen (21) stecken; Versorgungskabel für Stroboskop-Beleuchtungs-Einheit (12) an Buchse (24) anschließen und Gerät mit Netzschalter (16) einschalten;
falls Beobachtungsschirm (6) nicht voll ausgeleuchtet wird, Unterbrecherscheibe des Stroboskops mit Schraube (14) aus dem Strahlengang schwenken.

Stroboskop-Betrieb

Stroboskop mit Schalter (17) einschalten;

falls kein stehendes Wellenbild zustande kommt, mit (18) Feinjustierung der Synchronisation von Erreger- und Stroboskopfrequenz vornehmen;

nach dem Abschalten des Stroboskop-Betriebs erforderlichenfalls Unterbrecherscheibe mit Schraube (14) aus dem Strahlengang schwenken.

Maßnahmen nach dem Experimentieren

Wasser über Schlauch (2) aus der Wanne ablaufen lassen;

Wanne sowie sämtliche Teile, die mit Wasser in Berührung gekommen sind, sorgfältig abtrocknen, um Kalkrückstände und Rostbildung auszuschließen;

beim Transport des Gerätes den lose einliegenden Spiegel (10) festhalten.

Beschreibung (1) Rahmen, 500 mm x 325 mm x 320 mm (2) Ablaufstutzen mit Schlauch (3) Wanne, mit schräg ansteigenden Steitenwänden zur Unterdrückung unerwünschter Reflexionen (4) Glasplatte, 300 mm x 190 mm (5) Halter für Erreger (27),(28),(29) (6) Beobachtungsschirm aus Kunstglas, 500 mm x 300 mm (7) fester Fuß der Dreipunktauflage (8) Nivellierschrauben für Dreipunktauflage (9) Stellschrauben für Stabilisierungsfüße (zur Stabilisierung der mit Dreipunktauflage (7) und (8) erreichten Horizontaleinstellung (10) Umlenkspiegel, 480 mm x 335 mm (11) Trägermast für Beleuchtungs-Stroboskop-Einheit mit 2 Befestigungsschrauben (12) Beleuchtungs-Stroboskop-Einheit mit Halogen-Lampe (12 V, 55 W), Motor und Unterbrechungsscheibe, einschließlich Versorgungskabel mit SpezialStecker zum Anschluß an (24) (13) Lichtaustrittsöffnung (14) Rändelschraube zur manuellen Betätigung der Unterbrecherscheibe, um vollen Lichtaustritt bei abgeschaltetem Stroboskop zu erreichen. (15) Versorgungsgerät, 110/130/220/240 V~ , 50/60 Hz, bei Lieferung für 220 V~ eingestellt; einschließlich Netzanschlußkabel, Abmessungen: 30 cm x 14 cm x 23 cm (16) Netzschalter mit Betriebsanzeigeleucht (17) Stroboskop-Schalter (18) Feineinstellung zur Frequenzsynchronisation von Wellenerregung und Strobsoskop (19) Amplitudensteller für pulsierenden Luftstrom (20) Frequenzsteller für pulsierenden Luftstrom und Stroboskop (21) Luftaustrittsstutzen für pulsierenden Luftstrom zur Wellenerregung (22) Steckbuchse für Netzanschlußkabel; Halter für Primär- und Ersatzsicherung T 0,63 B für Netzanschlußspannungen 220 V/240 V integriert; 2 Sicherungen T 1,25 B für Netzspannungen 110 V/130 V im Lieferumfang. (23) Anschlußbuchse für externen Lautsprecher, 3 W (24) Vielfachbuchse für Versorgungskabel der Stroboskop- und Beleuchtungseinrichtung (25) Versorgungsschlauch für Wellenerreger, Länge ca. 1 m (26) Schlauchklemme für Ablaufschlauch (2) (27) Einfach-Erreger für Kreiswellen und Doppler-Effekt (28)(29) Doppelerreger (Erregerabstand 55 mm bzw. 80 mm) für Interferenzversuche (30) Erreger für ebene Wellen, Breite 190 mm (31) Tropfflasche, 30 ml, Plastik, mit Spülmittel (32) Plastikflasche mit Schraubverschluß, 1 l (33) Planparallele Platte aus Acrylglas (34) Plankonkav-Linse aus Acrylglas (35) Bikonvex-Linse aus Acrylglas (36) 2 Blenden aus Acrylglas zur Herstellung eines Einfachspaltes; mit 4 Beugungslöchern für Versuche zum Huygenschen Prinzip (37) 3 Blenden aus Acrylglas zur Herstellung eines Doppelspaltes (38) Blendenhalter (39) Schiene für Doppler-Effekt (ohne Abbildung)