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Huygens-Prinzip: so breiten sich Wellen aus!

Huygens-Prinzip - besagt, dass an jedem Punkt der Wellenfront, also an jedem Punkt der führenden Lichtwelle, eine Elementarwelle entsteht.

Es ist ein anschauliches Modell, mit dem die Ausbreitung von Wellen an Hindernisse erklärt werden kann (Beugung). Auch Reflexion und Refraktion von Wellen kann mit diesem Prinzip erklärt werden.
Level 2
Level 2 setzt Schulmathematik voraus. Geeignet für Schüler.

Eine ebene Welle (gerade rote Linie) breitet sich aus, weil aus jedem ihrer Punkte (schwarz) eine kugelförmige Elementarwelle entsteht und mit anderen Elementarwellen interferiert.

Eine Elementarwelle ist eine aus einem einzigen Punkt entstandene Welle, die sich kugelförmig in alle Richtungen ausbreitet. All diese Elementarwellen überlagern sich und bilden so wieder eine neue gerade Wellenfront. Auf diese Weise hat sich die Welle ein Stückchen weiter nach rechts ausgebreitet.

Trifft das Licht auf eine Grenzfläche (z.B. auf eine Glasoberfläche oder eine Wasseroberfläche), dann wird ein Teil des Lichts reflektiert, also zurückgeworfen und ein Teil des Lichts dringt in das jeweilige Medium (Glas, Wasser etc.) ein und wird zum Lot hin refraktiert (gebrochen).

Reflexion des Lichts

Reflexion des Lichts am Wasser.

Lasse dazu ebene Lichtwellen schräg auf eine Grenzfläche (z.B. Wasseroberfläche) schicken. Ein Laserstrahl oder eine weit entfernte punktförmige Lichtquelle kann ebene Wellen erzeugen.

Die Wellenberge breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, das heißt sie werden gar nicht lange brauchen, bis sie die Wasseroberfläche erreichen. Dabei wird ein Ort der Wasseroberfläche zuerst getroffen; und zwar derjenige, der am nahesten zur schräg ankommenden Lichtwelle ist. Sobald also die Lichtwelle diesen Ort erreicht, werden sich die kugelförmigen Elementarwellen anfangen auszubreiten, während die anderen Orte der Wasseroberfläche von der Lichtwelle noch nicht erreicht wurden. Irgendwann werden aber auch sie von der Lichtwelle erfasst. Diese Orte sind dann auch Quellen neuer Elementarwellen. Diese Elementarwellen haben sich aber im Gegensatz zum zuerst getroffenen Ort nicht so weit ausgebreitet. Am entferntesten Ort konnten sich die Elementarwellen am wenigsten ausbreiten, weil sie ja am spätestens getroffen wurden.

Zeichnest Du nun die Einhüllende aller Elementarwellen ein, dann wirst Du feststellen, dass sich der reflektierte Teil der Lichtwelle in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Und zwar in die Richtung, die das Reflexionsgesetz vorgibt: der reflektierte Lichtstrahl schließt den gleichen Winkel mit dem Lot ein, wie der einfallende Lichtstrahl!

Refraktion (Beugung) des Lichts

Refraktion (Brechung) des Lichts am Wasser.

Betrachte nun den Teil des Lichts, der ins durchsichtige Medium (z.B. Glas, Wasser etc.) eindringt. Im Wasser hat das Licht grundsätzlich eine kleinere Ausbreitungsgeschwindigkeit als in der Luft, deswegen wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen. Im Falle der Brechung wird die Lichtwelle mit dem Huygens-Prinzip genau so verarztet. Zeichne die Einhüllende ein, und Du wirst sehen, dass sich die Lichtwelle in eine etwas andere Richtung ausbreitet als die einfallende Lichtwelle, was genau der Lichtbrechung entspricht.

Beispiel: Doppelspalt-Experiment

Schau Dir z.B. den Doppelspalt an: Die ebene Welle bewegt sich auf die beiden Spalte zu. An einigen Stellen trifft die Welle an die Wand, sodass sich dort keine Elementarwellen nach rechts ausbilden können - an den Spalten aber können sich Elementarwellen ungehindert kugelförmig weiter ausbreiten. Sie bewegen sich hinter dem Spalt weiter und treffen irgendwann aufeinander. Dann kommt es zur Interferenz.

Huygens-Prinzip am Doppelspalt. Es wird dazu benutzt, um kontruktive Interferenz auf dem Schirm zu erklären.
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