Wellenwanne

Die Wellenwanne projiziert Wasserwellen als Hell-Dunkel-Muster: Wellenberge bündeln das Licht, Täler zerstreuen es. Ein Vibrator erzeugt ebene oder kreisförmige Wellen, und mit einfachen Einbauten (Barrieren, Stufen, Spalte, Doppelerreger) lassen sich die vier Grundphänomene jeder Wellenausbreitung einzeln vorführen: Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz.

Was die Wanne mit Wasser zeigt, machen Schall und Licht unsichtbar genauso. Das Reflexionsgesetz gilt für Echo und Spiegel, die Brechung für Linsen, die Beugung erklärt das Hören um Ecken, und die Interferenz wird beim Licht zum Beweis seiner Wellennatur (Doppelspalt!). Die Wanne ist damit die Anschauungszentrale der gesamten Wellenphysik: einmal gesehen, wiedererkannt für immer.

Das Prinzip, jede Wellenfront als Summe von Elementarwellen zu lesen, formulierte Huygens 1678; Thomas Young machte um 1802 mit Wellenwannen-Bildern die Interferenz plausibel, bevor er sie am Licht zeigte: Die Wanne war historisch das Beweismittel für die Wellennatur des Lichts.

Lege die Flachwasserplatte (a) mit gerader Kante schräg zur Laufrichtung, (b) parallel dazu. Miss beidseits die Streifenabstände und beschreibe den Knick der Fronten. Prüfe, ob sich der Streifentakt (Frequenz) an der Grenze ändert.

Über der Flachwasserplatte laufen Wasserwellen langsamer (die Bodennähe bremst die Wasserbewegung). Was folgt daraus? Die Frequenz kann sich an der Grenze nicht ändern, denn jede ankommende Front läuft weiter, es gehen keine verloren und entstehen keine neuen. Der Takt ist beidseits der Erregertakt. Also muss bei $c = \lambda f$ die Wellenlänge schrumpfen: engere Streifen im Flachen. Und trifft die Front schräg auf, erreicht ihr flachwasserseitiges Ende die Bremszone früher. Die Front schwenkt zur Grenznormalen: der Brechungsknick, aus reiner Geschwindigkeitslogik.

Planparallele Glasplatte als Flachwasserzone (Wassertiefe darüber nur 1 bis 2 mm); Frequenz eher niedrig (große, gut messbare Streifen).

Draufsicht mit schräger Plattenkante: einlaufende weite Fronten, geknickte enge Fronten dahinter; Lot und beide Laufrichtungen.

Aufbau: Wellenwanne mit Beleuchtung und Projektionsfläche, Vibrationserreger mit Balken- und Doppelpunkt-Aufsatz, Frequenzregler mit Stroboskop-Funktion; Einbauten: gerade Barriere, planparallele Flachwasserplatte, verstellbare Spaltbarrieren.

Bild einfrieren; je Seite fünf Streifenabstände messen und mitteln; Knickrichtung dokumentieren. Danach Platte parallel legen: Schrumpfen ohne Knick?

Alle drei Vorhersagen treffen ein: Die Frequenz bleibt (dasselbe Stroboskop friert beide Seiten ein), die Wellenlänge schrumpft von $2{,}0$ auf $1{,}4\ \mathrm{cm}$, also ist das Flachwasser um den Faktor $c_2/c_1 = \lambda_2/\lambda_1 = 0{,}7$ langsamer, und genau deshalb knicken schräg einfallende Fronten zur Normalen. Der Parallel-Fall trennt sauber: Langsamer werden erzeugt immer Schrumpfung, aber nur der schräge Einfall erzeugt den Knick.

Der Optik-Vorgriff: Ersetzt man „Flachwasser“ durch „Glas“ und „Wasserwelle“ durch „Licht“, steht hier bereits das komplette Brechungsprinzip samt $\sin$-Gesetz (die quantitative Fassung liefert das Brechungs-Experiment der Optik). Auch die Natur rechnet mit: Meereswellen schwenken vor flachen Küsten parallel zum Strand, Brechung im Großformat.

Beim Übergang ins langsamere Flachwasser bleibt die Frequenz, die Wellenlänge schrumpft (Faktor 0,7) und schräge Fronten knicken zur Normalen: Brechung ist die geometrische Folge eines Geschwindigkeitswechsels.

Die Grenzzone selbst ist die messtechnische Schwachstelle: