Farben aus Auslöschung

Wellenoptik-Werkstatt — von der Wasserwelle zum Licht

90 min · once

physiksaal

Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären in Kleingruppen, Rotation nach etwa 20 Minuten. Roter Faden: Alles, was die Wasserwelle in der Wanne sichtbar vormacht — Elementarwellen, Beugung, Auslöschung —, tut Licht genauso, nur fünfzigtausendfach feiner. Station 1 — Wellenwanne: Huygens und Beugung. Vermuten: Was passiert mit einer geraden Wellenfront hinter einer engen Öffnung — läuft sie als schmaler Streifen weiter oder breitet sie sich aus? Beobachten: Im Stroboskoplicht friert das Wellenbild ein; hinter der weiten Öffnung läuft die Front fast geradlinig weiter, hinter der engen Öffnung entsteht eine Kreiswelle, die tief in den Schattenraum eindringt. Zwei Kreiswellen-Erreger zeichnen ein festes Streifenmuster aus Verstärkung und Auslöschung ins Wasser. Erklären: Jeder Punkt einer Front ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle — die enge Öffnung lässt nur eine davon übrig (Huygens); wo sich zwei Wellen treffen, addieren sich die Auslenkungen (Interferenz). Modellgrenze: Die Wasserwelle ist ein Analogiemodell — sie zeigt die Geometrie, aber weder E-Feld noch Transversalität. Sicherheitshinweis: Wasser von Netzteilen fernhalten, Spritzer sofort aufwischen. Station 2 — Polfilter-Parcours. Vermuten: Zwei gekreuzte Filter auf dem Projektor sperren das Licht — was ändert ein dritter Filter, der schräg dazwischen gelegt wird? Beobachten: Mit dem dritten Filter dazwischen wird das Feld wieder hell — obwohl ein Filter dazugekommen ist. Ein Geodreieck oder eine CD-Hülle zwischen den gekreuzten Filtern zeigt schillernde Spannungsbilder, die sich beim Biegen live verändern; durch das Zuckerlösungs-Röhrchen gedreht wandert die Sperrstellung des Analysators um einen messbaren Winkel. Erklären: Jeder Filter lässt nur die E-Feld-Komponente längs seiner Durchlassrichtung passieren — der schräge Mittelfilter erzeugt eine neue Schwingungsrichtung, von der der letzte Filter wieder eine Komponente durchlässt; doppelbrechende und optisch aktive Stoffe drehen die Schwingungsebene. Modellgrenze: Das Zeigerbild beschreibt nur die Richtung des E-Felds, nicht seine Entstehung im Material. Station 3 — Newtonsche Ringe und Seifenhaut. Vermuten: Die Linse liegt nur auf der Glasplatte — warum sollten da Ringe entstehen, und liegen sie gleich weit auseinander? Beobachten: Unter der Natriumlampe erscheinen scharfe Hell-Dunkel-Ringe, die nach außen enger zusammenrücken; im weißen Licht sind sie farbig gesäumt. Die senkrecht gehaltene Seifenhaut im Drahtring zeigt waagrechte Farbstreifen, die nach unten wandern, oben wird sie kurz vor dem Platzen fast schwarz. Erklären: An der Linsenunterseite und der Plattenoberseite entstehen zwei reflektierte Wellen; ihr Gangunterschied wächst mit dem Luftspalt, und Auslöschung bei 2d = k·λ liefert r = Wurzel(k·λ·R) — dieselbe Zwei-Reflexionen-Logik färbt die Seifenhaut nach ihrer Dicke. Modellgrenze: Die Näherung gilt nur für fast senkrechten Lichteinfall und d klein gegen R. Vorbereitung oder Nachbereitung: der Seifenblasen-Artikel in der App. Sicherheitshinweis: Glas nur am Rand anfassen, Seifenlösung vom Boden fernhalten. Station 4 — Spektroskop: sichtbar und unsichtbar. Vermuten: Zerlegt das Gitter das Licht der Hg-Lampe in denselben Regenbogen wie das der Halogenlampe? Und hört das Spektrum am roten Rand wirklich auf? Beobachten: Die Halogenlampe liefert ein kontinuierliches Band, die Hg-Lampe wenige scharfe Linien; jenseits des roten Endes schlägt die Thermosäule aus (IR), jenseits des violetten Endes leuchtet der Fluoreszenzschirm auf (UV). Erklären: Jede Farbe ist eine Wellenlänge, jedes Element sendet seinen Linien-Fingerabdruck, und das sichtbare Band ist nur ein Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Modellgrenze: Warum die Linien genau dort liegen, beantwortet erst die Quantenphysik der 13. Jahrgangsstufe. Sicherheitshinweis: Nicht direkt in Bogen- oder Hg-Lampe blicken, Lampen abkühlen lassen. Abschluss in der Runde: Die Kette schließen — die Wanne zeigt die Geometrie der Elementarwellen, die Filter beweisen die Transversalität, Ringe und Seifenhaut rechnen mit dem Gangunterschied, das Spektroskop sortiert nach λ. Welche Beobachtung wäre mit einem Teilchenstrom aus Lichtkügelchen unerklärbar?

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