Untertitel: Mit den Ohren sehen

Richtig Biss bekommen diese beiden Prinzipien, wenn eine Welle zu einem anderen Medium oder zu einem Hindernis kommt. In diesem Abschnitt sehen wir uns die Wellen-Phänomene Reflexion, Brechung und Beugung genauer an.

Wenn eine Welle abrupt an die Grenze zu einem anderen Medium kommt, dann gibt es nur zwei Möglichkeiten: Entweder wird die gesamte Energie zurückgeworfen (reflektiert), oder nur ein Teil, und der Rest läuft weiter. Je mehr sich Dichten und Wellengeschwindigkeiten der Medien unterscheiden, desto mehr Energie wird reflektiert. Dazu drei Beispiele.

1) Ein Spiegel reflektiert (fast) 100% der Energie des Lichts.

2) Wenn ein Taucher unter Wasser spricht, dann werden an der Grenzfläche zum Wasser mehr als 99% der Schallenergie reflektiert (F6). Deshalb ist es praktisch unmöglich, jemanden unter Wasser zu verstehen.

3) Wenn aber Licht senkrecht auf Glas trifft, dann werden nur etwa 5% der Energie reflektiert und der Rest wird durchgelassen (Anm.: Genau genommen wird auch ein kleiner Teil absorbiert). Deshalb ist Glas durchsichtig und spiegelt nur ganz wenig (F7). Zur Reflexion von Wellen gibt es zahlreiche Beispiele aus Alltag, Natur und Technik.

Links wird die Welle komplett reflektiert (wie beim Spiegel), rechts kann ein Teil ins untere Medium eindringen (wie beim Glas). Das scheinbare Zentrum der reflektierten Welle ist in jedem Fall genau so weit von der Grenzlinie entfernt (d'), wie das tatsächliche (d).

Was ist, wenn ein Wellenstrahl nicht senkrecht, sondern schräg gegen eine Wand prallt? Dann gilt das Reflexionsgesetz: Einfallender und reflektierter Stahl haben zum Lot denselben Winkel (siehe Abb. 16.11). Aber warum ist das so? Am übersichtlichsten lässt sich das mit dem Fermat-Prinzip erklären. Erinnere dich: Ein Wellenstrahl nimmt immer den schnellsten Weg. Wenn sich das Medium nicht ändert, dann ist der schnellste Weg auch der kürzeste (F9)!

`\alpha` und `\beta` sind gleich groß, weil das der kürzeste Weg zum Auge ist. Über A und B sind die Wege länger. Das gilt auch für die scheinbaren Lichtstrahlen vom Spiegelbild.

Sieh dir die Abb. an. Die Strahlen der Lichtquelle gelangen auf dem schnellsten - also kürzesten - Weg in dein Auge, und das ist immer der, bei dem `\alpha` und `\beta` gleich groß sind. Das kannst du mit einem Lineal ganz einfach nachprüfen. Noch logischer erscheint die Erklärung, wenn du das Spiegelbild betrachtest. Auch der Weg vom Spiegelbild in dein Auge ist immer der schnellste, also gerade! Aus geometrischen Gründen muss somit `\alpha`' so groß sein wie `\beta`. Ein Spiegelbild befindet sich scheinbar immer so weit hinter dem Spiegel wie das Objekt vor dem Spiegel. Und deshalb muss `\alpha`' gleich `\alpha` sein. Daher gilt: `\alpha`' = `\alpha` - `\beta`.
Voilà!

Zusammenfassung

An einer Grenzfläche werden bis zu 100% der Energie einer Welle reflektiert. Einfallender und reflektierter Strahl haben zum Lot immer denselben Winkel. Das gilt für alle Wellen.