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Mechanische und Elektromagnetische Wellen spielen eine große Rolle beim Verständnis naturwissenschaftlicher Vorgänge. In einer sog. Wellenwanne wird Wasser mithilfe von Erregern zu Wellenbewegungen angeregt. Die auftretenden Wellenphänomene können damit sehr gut experimentell untersucht und verdeutlicht werden. Die bei den Wasserwellen gefundenen Wellenbeschreibungen können strukturell auf die elektromagnetischen Wellenphänomene übertragen werden. Die Wellenwanne ist damit ein sehr wichtiges Expermentiergerät zum Verständis der vielfältigen Wellenphänomene mechanischer und elektormagnetischer Wellen.

Dieses vorliegende Programm "Simulation einer Wellenwanne" ist ein geeignetes Mittel, sich anschaulich die Geheimnisse der Wellenphänomene zu erschließen.

Das Programm ist so konzipiert, dass es die Möglichkeiten des Realexperiments sinnvoll ergänzt und erweitert. Darüber hinaus kann das Programm aber auch eigenständig, d. h. ohne die Durchführung des Realexperiments sehr effizient eingesetzt werden.

Auf dieser Seite erfahren Sie, welche Möglichkeiten Ihnen das Programm "Simulation einer Wellenwanne" bietet:

Der Hauptsbestandteil der Software ist der Modus "Freies Experimentieren". Hier können Sie sich eine Wellenwanne aufbauen, die ganz Ihren Wünschen entspricht.
Das fängt bei der Wanne selbst an:
Sie können die Größe der Wanne in x- und y-Ausdehnung frei wählen (Grenzen sind nur durch die Rechenpower Ihres PCs gesetzt) und auch ihre Eigenschaften selbst definieren: Wie stark soll die Dämpfung sein? (Dämpfung ist ein Effekt, der eigentlich nur bei realen Versuchen auftaucht. Die Simulation kann diesen jedoch nachbilden.) Wie soll sich die Welle an den Rändern der Wanne verhalten? (Sie können so eine Simulation mit oder ohne Phasensprung erzeugen oder auch die Reflexion stark abdämpfen, so dass die Welle aus der Wanne hinauszulaufen scheint). Und zu guter letzt: Wie stark soll die Kopplung zwischen benachbarten Schwingern sein? (Dies definiert letztlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen).

Die Wellenwanne selbst ist jedoch nur Grundlage aller Versuche. Der eigentliche Versuchsaufbau geschieht, indem Sie sog. "Objekte" in der Wanne platzieren. Diese Objekte können sein:
- Wellenerreger
- Wände
- Materialübergänge
- Schirme
Eine ausführliche Beschreibung würden den Rahmen dieser Seite sprengen, so dass die Objekte hier nur kurz erläutert werden sollen. Die "Einführung in das Programm" geht genauer darauf ein.

Ein Wellenerreger erzeugt natürlich die Wellen. Auch hier sind wieder alle Eigenschaften frei wählbar.
Wände sind "Hindernisse", die die Wellen abblocken, also refelektieren. Allerdings können in Wände auch Spalte eingefügt werden, mit denen dann gut Doppelspalt- bzw. Gitter-Versuche simuliert werden können.

Materialübergänge stellen Übergänge dar, an denen sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit auch die Wellenlänge der Wellen ändert (auch die Dämpfung kann sich hier ändern). Bei elektromagnetischen Wellen ist dies z.B. ein Übergang von Luft nach Glas; in echten Wellenwannen wird mit unterschiedlichen Wassertiefen gearbeitet.

Schirme sind ein Feature, das die "echte" Wellenwanne nicht bieten kann: Ein Schirm ist eine Beaobachtungsebene, mit ihm kann eine Reihe von Schwingern für sich getrennt betrachtet werden (als würde die Wellenwanne an einer Stelle aufgeschnitten und der Querschnitt betrachtet.

Die Ergebnisse des Freien Editierens können natürlich auch gespeichert und später wieder geladen werden.
Der Simulationsmodus schaltet von der Vogelperspektive im Entwurf (freies Editieren) um auf eine perspektivische 3d-Ansicht. Dabei kann die Wanne gedreht, gekippt und herangezoomt werden, die Perspektive ist also frei wählbar.
Außerdem lässt sich zwischen einer "durchsichtigen" Drahtansicht und einer Flächen-Ansicht umschalten.
Selbstverständlich lässt sich die Simulation anhalten oder auch schrittweise ausführen. Sie können sogar die Erreger während der Simulation an- und ausschalten.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist die sog. Methodische Reihe. Sie umfasst 15 vorgefertigte Versuche, die viele physikalische "Standard-Experimente" zeigen.
Damit ein Schüler auch ohne einen Lehrer etwas damit anfangen kann, wird nicht nur der Versuch selbst angezeigt, sondern auch eine Erklärung dazu.
Die Versuchsreihe enthält folgende Versuche:
- Erzeugung einer Radialwelle durch einen einzelnen Erreger
- Erzeugung einer Wellenfront durch viele einzelne Erreger ("Einhüllende", s. Huygens)
- Beugung einer Radialwelle an einem Spalt (s. Huygens)
- Beugung einer ebenen Welle an einem Spalt
- Reflexion einer Welle an einer Wand
- Reflexion einer Radialwelle an einer Wand
- Brechung bei senkrechtem Einfall
- Brechung bei schrägem Einfall
- Interferenz zweier Radialwellen
- Interferenz zweier Radialwellen hinter einem Doppelspalt
- Das Interferenzfeld hinter einem Doppelspalt
- Konstruktive Interferenz auf eindimensionalen Wellenträgern
- Destruktive Interferenz auf eindimensionalen Wellenträgern
- Stehende Wellen
- Stehende Wellen auf zweidimensionalen Wellenträgern
Die "Einführung ins Programm" besteht ebenso wie die Methodische Reihe aus Versuchen, die jeweils erklärt werden. Hierbei handelt es sich aber nicht um physikalisch interessante Versuche. Stattdessen wird einfach in jedem Versuch eine weitere Objektart eingeführt und erkläutert. Diese Einführung besteht aus sechs Schritten.
Hilfetexte innerhalb des Programms beantworten zum einen grundlegende Fragen (Was ist eine Wellenwanne? Wozu dieses Programm?), zum anderen erklären sie auch tiefergehend die Funktionsweise der Simulation.