Nachbearbeitung Schall

Š D. Nill

Nachbearbeitung Schall

Unterlagen fĂźr den Unterricht nach einem Besuch des Schalllabors am PSI

Nachbearbeitung Schall Unterlagen f端r den Unterricht nach einem Besuch des Schalllabors am PSI

Autoren

Finanzierung

Franz Theiler

Departement Bildung, Kultur

Professur Naturwissenschaftsdidaktik

und Sport des Kantons Aargau

und ihre Disziplinen, PH FHNW

Paul Scherrer Institut

Matthias von Arx Zentrum Naturwissenschafts- und Technikdidaktik der PH FHNW Martin Maire Teil Biologie

Juli 2011

Inhaltsverzeichnis 4

1. Einleitung

6

2. Vorschläge für die Umsetzung im Unterricht

7

2.1. Schallerzeugung

7

2.1.1. Einstieg

8

2.1.2. Der harmonische Oszillator

10

2.1.3. Anregen von Schwingungen

13

2.1.4. Experimente mit Stimmgabeln

15

2.1.5. Mit der eigenen Stimme

15

2.1.6. Das Federpendel

17

2.1.7. Zum Abschluss

18

2.2. Schallausbreitung – oder was unterwegs so passieren kann

18

2.2.1. Visualisierung von Längs- und Querwellen

20

2.2.2. Die Rolle des Mediums

21

2.2.3. Schwingende Luftsäulen

23

2.2.4. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien

24

2.2.5. Schallwellen erlauben einen «Blick» in verborgene Welten

26

2.2.6. Was hörst du?

27

2.2.7. Schalldämmung und Schalldämpfung im Kleinen

28

2.2.8. Schallpegel

29

2.2.9. Lärm

31

2.2.10. Lärmschutz

32

2.3. Schall im biologischen Kontext

32

2.3.1 Das menschliche Ohr

33

2.3.2 Hörleistung

34

2.3.3 Echoortung der Fledermäuse

36

3. Didaktische und methodische Hinweise

36

3.1 Evidenzen sammeln

36

3.2 Arbeiten im Tischteam

38

3.3 Experimentieren im Tischteam

38

3.4 Experimente für Schulterpaare im Tischteam

38

3.5 Die Methode «GiveOne – GetOne»

39

3.6 Begriffsnetz

39

3.7 Schreiben einer Versuchsanleitung

39

3.8 Lernen an einer Station

39

3.9 Demonstrationsversuch

40

3.10 Ein Forschungsvorhaben

40

3.11 Projekte

40

3.12 Ausserschulische Lernorte

41

4. Theoretische Grundlagen und Hintergrund-Informationen

41

4.1. Schallerzeugung

41

4.1.1. Schwingungen als Alltagsphänomen

41

4.1.2. Physikalische Definition

44

4.1.3. Einige wichtige Begriffe

45

4.1.4. Schallerzeugung und Eigenschwingungen

49

4.1.5. Gedämpfte Schwingungen

50

4.2 Schallausbreitung – vom Schallerzeuger zum Schallempfänger

50

4.2.1 Zur Wellenlehre in einem Trägermedium

52

4.2.2 Darstellung von Wellen

53

4.2.3 Stehende Wellen

54

4.2.4 Schallwellen in der Luft

55

4.2.5 Resonanz durch Schallübertragung in Luft

56

4.2.6 Schallgeschwindigkeit

56

4.2.7 Bemerkungen zum Hören

56

4.2.8 Einteilungsmöglichkeiten für die Schallwahrnehmungen

57

4.2.9 Schalldruck und Lautstärke

59

4.2.10 Schwebung

60

4.2.11 Übergang einer Welle von einem Medium ins andere

60

4.2.12 Schallreflexion

61

4.2.13 Raumakustik

64

4.2.14 Lärmschutz

66

4.2.15 Echolot

66

4.2.16 Materialkontrollen mit Schall

66

4.2.17 Erdbebenwellen

68

4.2.18 Wellenbeugung (Diffraktion)

69

4.2.19 Brechung von Schallwellen

70

4.2.20 Interferenz von Schallwellen

71

4.2.21 Dopplereffekt

72

4.3. Schall und Biologie

72

4.3.1 Das menschliche Ohr

74

4.3.2 Richtungshören

75

4.3.3 Verstärkung im Mittelohr

75

4.3.4 Unterscheiden von Tonhöhen

76

4.3.5 Stimmbildung

77

4.3.6 Echoortung der Fledermäuse

78

5. Literaturverzeichnis

1. Einleitung Der Begriff der Welle ist in der Physik zentral. Neben Schallwellen werden im Physikunterricht auch Wasserwellen und elektromagnetische Wellen (Lichtwellen, Radiowellen) besprochen. Die Erscheinungsformen von Wellen sind recht verschieden und doch haben sie viel Gemeinsames. Aus dem Alltag kennen Schülerinnen und Schüler Wasserwellen. Damit verbunden ist eine intuitive Vorstellung von Begriffen wie «Wellenlänge», «Frequenz» oder «Ausbreitungsgeschwindigkeit». Mehr Schwierigkeiten bereitet die Modellvorstellung von Schallwellen und elektromagnetischen Wellen. Dass Energie und Information durch den Raum übertragen wird, ohne dass dabei Materie transportiert wird, löst als reflektierte Erkenntnis Überraschung aus, trotz all der vielen Erfahrungen mit den Kommunikationstechnologien unserer Gesellschaft. Ein Verständnis des Wellenbegriffs und der damit verbundenen Phänomene (wie Resonanz, Reflexion) und den ihnen zugrunde liegenden Prinzipien sind also nicht nur für die Physik sondern auch für unser Weltverständnis elementar.

Ein erster Kontakt mit physikalischen Wellen und ihren wichtigsten Grundgrössen anhand von Schallwellen bietet einige Vorteile.

Alle Schülerinnen und Schüler sind vertraut mit Schall. Unser Ohr kann sowohl einen Ton von einem Geräusch, als auch unterschiedliche Tonhöhen und Lautstärken unterscheiden. Es ist also möglich, im Unterricht phänomenologisch ans Thema heranzugehen und dann in weiteren Schritten Begriffe und Beziehungen sauber und verständlich herauszuarbeiten. Gelingt dies, ist eine Übertragung dieser Konzepte auf elektromagnetische oder andere Wellen später einfach möglich.

Die Auseinandersetzung mit Schallwellen im Unterricht ermöglicht also die Einführung wichtiger Basiskonzepte, die über die eigentliche Unterrichtssequenz hinaus für die ganze Physik von Bedeutung sind. Gelingt der Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler, fördert das die Motivation.

Das vorliegende Dossier enthält Materialien, die dazu dienen sollen, das Thema Schallwellen nach einem Besuch im iLab des PSI im Unterricht aufzugreifen und weiter zu verfolgen. Im Kapitel 2 sind viele Versuche, Aufgaben und Projekte für den Unterricht aufgeführt. Die Beschreibungen respektive Anleitungen richten sich in der Regel direkt an die Lernenden. Im Kapitel 3 finden sich Vorschläge zur methodischen Umsetzung und im Kapitel 4 werden die dazugehörige Theorie und weitere Hintergrundinformationen dargestellt. Diese Inhalte richten sich an die Lehrperson und sollen bei der Planung, Vorbereitung und Entwicklung des Unterrichts helfen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten mit diesem Dossier zu Arbeiten. Der Zugang kann über Experimente, basierend auf didaktisch-methodischen Überlegungen oder aus der Theorie heraus erfolgen. Je nach Ansatz, Vorlieben und Zeit, die für eine Unterrichtseinheit oder -sequenz zur Verfügung steht, lassen sich Teile dieses Dossiers beliebig herausgreifen und im Unterricht anwenden. Aus diesem Grund weist das Dossier absichtlich einzelne Redundanzen auf.

Wenn Sie am liebsten direkt an ein Experiment des Schalllabors anknüpfen möchten, finden sie in der folgenden Tabelle eine Übersicht darüber, welche Inhalte des Dossiers zu welchen Experimenten am iLab passen (bezüglich Theorie, physikalischem Prinzip oder experimentellem Aufbau).

4 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Anknüpfungspunkte zu den Experimenten am iLab Experiment im iLab

Experimente, Aufgaben, Projekte in diesem Dossier

Theorie und Hintergrundinformationen in diesem Dossier

Experiment 1

2.2.2. und 2.2.3. / 2.2.4. a) / 2.3.2. b) c)

4.2.1. / 4.2.4. / 4.2.6.

Experiment 2

2.2.4. b) / 2.2.5. b) c)

4.2.1. / 4.2.11.

Experiment 3

2.3.3.a)

4.2.12. / 4.3.6.

Experiment 4

2.2.6.b) c) / 2.2.7.c) / 2.2.10.

4.2.12.ff

Experiment 5

2.1.3.d) e) g)

4.2.20.

Experiment 6

2.2.1.c)

4.2.18.

Experiment 7

2.2.1.c)

4.2.18.

Experiment 8

4.2.18.

Experiment 9

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 5

2. Vorschläge für die Umsetzung im Unterricht Vorangestellt A Tonfrequenzgeneratorprogramme für Mac oder PC Für viele akustische Experimente ist ein Tonfrequenzgenerator von Vorteil. Heute lassen sich solche Geräte mit Gratisprogrammen aus dem Internet simulieren.

Beispiele: Mac: «Perfect Tone» http://download.cnet.com/Perfect-Tone/3000-2025_4-52337.html

«Audacity» auch zur Aufnahme und Analyse von Schall.

PC: «Multi Wave Frequency Generator 1.1.0»

http:// www.download32.com/multiwave-frequency-generator-i90236.html

Hier finden sich auch weitere freie und kostenpflichtige Tongeneratoren.

«Goldwave» auch zur Aufnahme und Analyse von Schall.

Stroboskop Mit einem frequenzvariablen Stroboskop (empfohlener Frequenzbereich: 60 bis 120000 RPM, d.h. von 1 bis 2000 Hz) lassen sich periodische Schwingungen von Körpern (auch Rotationsbewegungen) und stehende Wellen in einem abgedunkelten Raum «einfrieren» und dabei ihre Frequenz bestimmen. Das Blitzlicht des Stroboskops wird dazu auf das schwingende oder rotierende Gebilde geworfen. Nun wird die Blitzabfolgegeschwindigkeit langsam erhöht oder erniedrigt, bis das beleuchtete Objekt zu stehen scheint. Die kleinste Blitzabfolgegeschwindigkeit, bei der das der Fall ist, entspricht der Frequenz des schwingenden oder rotierenden Gebildes.

Fotokamera Eine Kamera mit variabler einstellbarer Öffnungszeit und rasch auslösender Mehrfachbelichtungsmöglichkeit kann bei der Beobachtung von schwingenden oder sich linear bewegenden Körpern gute Dienste leisten.

Vorangestellt B Die in der Folge aufgeführten Aufgaben, Experimente, Projekte, etc. weisen ein internes Raster auf. Die Rubrik «Beschreibung» richtet sich – ausser bei Demonstrationsexperimenten – an die Lernenden und kann bei Bedarf direkt in die Unterrichtssituation übertragen werden. Die Rubriken «Material», «Theorie», «Methode» und «besondere Hinweise» richten sich an die Lehrperson. Welches Material muss bereitgestellt werden? Wo findet man Theorie und Hintergrundwissen zum Versuch? Wie funktioniert die vorgeschlagene Methode? Was muss sonst noch beachtet werden? Fragen dieser Art werden durch diese Rubriken direkt oder durch Querverweise in die Kapitel 3 und 4 beantwortet.

Darüber hinaus sind jeweils mehrere Aufgaben, Experimente, Projekte, etc. unter einer Überschrift zu kleineren Gruppen zusammengefasst. Diese Gruppen sind zum Teil thematisch strukturiert, zum Teil besteht ein theoretischer Zusammenhang, oder es wird dabei verwandtes Material verwendet. Die Gruppierungen könnten durchaus auch anders vorgenommen werden. Wir glauben jedoch, dass die Gruppierung bei der Arbeit mit diesem Dossier und bei der Planung des Unterrichts hilfreich sein kann.

6 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

2.1. Schallerzeugung

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

2.1.1. Einstieg

2.1. Schallerzeugung 2.1.1. Einstieg

a) Aufgabe: Was tönt und klingt überhaupt?

a) Aufgabe: Was tönt und klingt überhaupt?

Beschreibung: SammleSammle währendwährend drei Wochen mindestens zehn möglichst unterschiedliche Beispiele von Beschreibung: drei Wochen mindestens zehn möglichst unterschiedliche Gegenständen aus dem Alltag, die «zum Tönen oder Klingen» gebracht werden oder Beispiele von Gegenständen aus dem Alltag, die "zum Tönen oderkönnen Klingen" «Schall»gebracht erzeugen.werden Beschreibe jeweils genau die Umstände vonBeschreibe dem, was dujeweils hörst, fühlst, können oder "Schall" erzeugen. genaubedie Umstände von dem, was deine du hörst, fühlst,zubeobachtest und feststellst.

Versuche obachtest und feststellst.

Versuche Beispiele ordnen oder zu gruppieren.

Welche der deine Beispiele zu ordnenWorin oderunterscheiden zu gruppieren. der Beispiele haben etwas Beispiele haben etwas gemeinsam? sie Welche sich? gemeinsam?

Worin unterscheiden sie sich?

Theorie: Kapitel 4.1.4.

Methode: Evidenzen sammeln

Theorie: Methode:

Kapitel 4.1.4.

Evidenzen sammeln

b) Aufgabe: Das Klangrepertoire unserer Klasse

b) Aufgabe: Das Klangrepertoire unserer Klasse

Beschreibung: Faltet je ein A4 Blatt einmal längs und dreimal quer und faltet dann das Blatt wieder auf. Ihr erBeschreibung: je ein A4 einmal längs und dreimal quer und faltet haltet soFaltet eine Tabelle mit Blatt 2 Kolonnen und 8 Zeilen. dann schlägt das Blatt Ihr erhaltet eine Tabelle mit 2 vor,

Im Tischteam nunwieder reihum auf. ein Mitglied nach so dem andern Schallkörper Kolonnen und 8 Zeilen. die bei gegenseitigem Einverständnis von jedem Mitglied in die linke Kolonne des Tischteam schlägt nun Wenn reihum Mitglied nach andern eigenenIm Blattes aufgelistet werden. dieein linke Kolonne volldem ist oder keine Schallkörper vor, die bei gegenseitigem Einverständnis von Ideen mehr kommen, und die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, steht ihr alle auf, jedem Mitglied in die linke Kolonne des eigenen Blattes sucht je ein Mitglied eines anderen Tischteams und bittet dieses um einen weiaufgelistet werden. Wenn die linke Kolonne voll ist oder keine teren Begriff, in die rechte Kolonne geschrieben wird.Zeit Gleichzeitig gebt ihr derauf, Ideender mehr kommen, und die vorgegebene abgelaufen ist,einen stehtBegriff ihr alle eigenensucht Liste ab.

Dann erfolgt der Austausch mit einer anderen Person, usw.

Nach einer von je ein Mitglied eines anderen Tischteams und bittet dieses um einen der Lehrperson vorgegebenen euch alle wiedergeschrieben im eigenen Tischteam zusammengebt und ihr weiteren Begriff, Zeit der setzt in dieihrrechte Kolonne wird. Gleichzeitig Begriffmit derden eigenen Liste ab.

Dann erfolgt der Austausch mit einer anderen ergänzt einen eure Tabellen gewonnenen Begriffen. usw. folgende Nach einer von der Lehrperson Zeit setzt ihr euch

VersuchtPerson, im Anschluss Frage zu beantworten: «Wasvorgegebenen ist diesen Schallerzeugern gemeinalle wieder im eigenen Tischteam zusammen und ergänzt eure Tabellen mit den sam?» Diskutiert diese Frage im Tischteam. Der Sprecher oder die Sprecherin des Teams präsengewonnenen tiert dann das ErgebnisBegriffen. der Klasse.

Versucht im Anschluss folgende Frage zu beantworten: "Was ist diesen Material: Blätter A4 Schallerzeugern gemeinsam?" Diskutiert diese Frage im Tischteam. Der Sprecher Theorie: Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4 oder der Sprecherin des Teams präsentiert dann das Ergebnis der Klasse.

Methode: GiveOne – GetOne und Arbeiten im Tischteam bes. Hinweise: Was ist diesen Schallerzeugern gemeinsam? ➜ Sie vibrieren! Schall entsteht, Material: Anschlussfrage: Blätter A4 wenn Körper in Schwingung versetzt werden.

Theorie: Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4

Methode: GiveOne-GetOne und Arbeiten im Tischteam bes. Hinweise: Anschlussfrage: Was ist diesen Schallerzeugern gemeinsam?  Sie vibrieren! c) Ein Massstabkonzert Schall entsteht, wenn Körper in Schwingung versetzt werden.

Beschreibung: Drücke einen 30 cm langen Plastikflachmassstab mit einem harten Buch so auf den Tisch, dass c) Ein Massstabkonzert er über die Kante herausragt und mit dem Daumen in Schwingung versetzt werden kann. Improvisiert dann im Team ein30 Konzert mit denPlastikflachmassstab Plastikmassstäben, führt nachher vor und orientiert Beschreibung: Drücke einen cm langen miteseinem harten Buch so auf über Erfahrungen und Probleme beim Üben. den Tisch, dass er über die Kante herausragt und mit dem Daumen in Material: Plastikflachmassstäbe Schwingung versetzt werden kann. Improvisiert dann im Team ein Konzert mit Theorie: Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4. den Plastikmassstäben, führt es nachher vor und orientiert über Erfahrungen und Probleme Üben.

Methode: Experimentieren imbeim Tischteam

Material: Theorie: Methode:

Plastikflachmassstäbe Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4.

Experimentieren im Tischteam

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bes. Hinweise: Metallmassstäbe aus biegsamem Stahl eignen sich natürlich besser. Wenn Töne exakt reproduziert werden sollen, braucht es Tischklemmen statt Bücher.

d) Experiment: Tonhöhe und Frequenz Beschreibung: Produziere mit einem Flachlineal (oder einer Blattfeder) Töne, indem du es (sie) um die Länge l über eine Tischkante hinausragen lässt und bei der Kante fest auf die Tischoberfläche drückst.

Verwende dazu z.B. eine Schraubzwinge. Das über den Tisch hinausragende Stück schwingt umso rascher, je kürzer es ist. Summe oder singe die Töne, die du erzeugst. Was fällt dir auf?

Identifiziere die Frequenz f der Töne mit Hilfe eines Sinusgenerators aus dem Internet oder mit einem Stroboskop (siehe 2.1. Schallerzeugung, Vorangestellt A) Vergleiche l und f mit Hilfe einer Tabelle!

Material: Flachlineal oder Blattfeder, ev. Zungenfrequenzmesser Theorie: Kapitel 4.1.2. bis 4.1.4.

Methode: Schulterpaar bes. Hinweise: Die Messwerte können als Schwingungszeit T=1/f versus I (am besten mit Hilfe von Excel) grafisch sinnvoll dargestellt werden.

2.1.2. Der harmonische Oszillator a) Experiment: Gesetz von Hooke für eine Blattfeder!

Beschreibung: Legt zwei Flachmassstäbe so nebeneinander auf den Tisch, dass ihre Nullmarken ca. 15 cm über die Kante ragen. Einen davon (A) klebt ihr mit Tape auf den Tisch. Den anderen (B) drückt ihr (z.B. mit einem Buch) ganz flach auf den Tisch. Hängt mit einer Schnur ganz aussen bei seiner Nullmarke ein Buch auf. Befestigt die Schnur mit Tape, damit sie nicht vom Massstab rutscht. Messt mit dem Geodreieck, wie viel sich die Nullmarke im Vergleich mit Massstab A absenkt. Wiederholt die Messung nachdem ihr ein zusätzliches, gleiches Buch bei der Nullmarke aufhängt. Füllt dann die Tabelle aus und erstellt eine Grafik. Was stellt ihr fest? Unterschreibt das Protokoll und gebt es ab.

Anzahl Bücher (x-Achse)

0

Auslenkung in mm y-Achse)

0

1

2

3

Material: Schnur, drei gleiche Bücher, zwei 30cm-Plastikmassstäbe, Geodreieck Theorie: Kapitel 4.1.2.

Methode: Schulterpaar bes. Hinweise: Die Auslenkung der Nullmarke ist proportional zur Grösse der angehängten Kraft. Festlegung (Definition): Ein schwingfähiger Körper, der sich unter Krafteinwirkung so verhält wie ein elastischer Massstab, schwingt «harmonisch». Merksatz: Fadenpendel schwingen harmonisch, wenn sie – nur wenig ausgelenkt – losgelassen werden.

8 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

b) Experiment: Schwingungen aus unterschiedlicher Perspektive Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Beschreibung: Teammitglied 1 stützt den Ellbogen auf den Tisch und lässt mit Daumen und Zeigefinger ein FaSchattenbewegung.

Wiederholt denTisch Versuch, wenn das Pendel nur denpendel mit einer Plastilinkugel über dem kreisen.

Teammitglied 2 hält einparallel Heft so,zum dass Heft pendelt ohne zu kreisen.

Formuliert gemeinsam, was ihr beobachtet und Teammitglied 3 mit einer Taschenlampe von der Seite her einen Schatten der Kugel darauf werfen den Text, den ihr dazu verfasst habt. kann.unterschreibt Beobachtet die Schattenbewegung.

Wiederholt den Versuch, wenn das Pendel nur parallel zum Heft pendelt ohne zu kreisen. Formuliert gemeinsam, was ihr beobachtet und unterschreibt Material: Schnur, Heft, Taschenlampe, Plastilinkugel den Text, den ihr dazu verfasst habt.

Theorie: Kapitel 4.1.2.

Material:

Schnur, Heft, Taschenlampe, Plastilinkugel Bezug zur Wissenschaft und Forschung: Methode: Tischteam Theorie:

Kapitel 4.1.2.

Schwingungen sind wichtig in fast allen bes. Hinweise: Merksatz: Ein Körper schwingt harmonisch, wenn er so schwingt, wie der physikalischen Gebieten. harmonisch.

Der harmoniMethode: Tischteam Schatten einer Kreisbewegung. Schallerzeugende Körper schwingen sche Oszillator ist eines der wichtigsten bes. Hinweise: Merksatz: Ein Körper schwingt harmonisch, wennOszillatoren. er Sie heissen deshalb auch Harmonische Modelle in der Physik. Mit ihm können so schwingt, wie der Schatten einer Kreisbewegung. z.B. Probleme ausallen der Quantenwelt Bezug zur Wissenschaft und Forschung sindauch wichtig in fast : Schwingungen Schallerzeugende Körper schwingen harmonisch.

Sie (Atome, Moleküle) angegangen physikalischen Gebieten. Der harmonische Oszillator ist eines der wichtigsten Modelle inwerden. heissen deshalb auch harmonische Oszillatoren. der Physik. Mit ihm können z.B. auch Probleme aus der Quantenwelt (Atome, Moleküle) angegangen werden.

c) Experiment: Was bestimmt die Frequenz?

c) Experiment: Was bestimmt die Frequenz?

Beschreibung: Überprüfe experimentell die folgende Tabelle. Miss dazu die Schwingungsdauer (= Periode) von Überprüfe Fadenpendeln unterschiedlicher Länge, Schraubenfedern mit die unterschiedlich schweren Beschreibung: experimentell die folgende Tabelle. Miss dazu Schwingungsdauer (= Periode)oder von von Fadenpendeln unterschiedlicher Länge, Blattfederlänge.

Schraubenfedern mit je Schwingkörpern Blattferderpendeln mit unterschiedlicher Zeichne unterschiedlich schweren Schwingkörpern oder von Blattferderpendeln mit ein Diagramm, in welchem die Schwingungsdauer versus Fadenlänge, Masse des Schwingkörpers unterschiedlicher oder BlattfederlängeBlattfederlänge. aufgetragen wird.Zeichne je ein Diagramm, in welchem die

Schwingungsdauer versus Fadenlänge, Masse des Schwingkörpers oder Blattfederlänge aufgetragen wird. (unteres Bild)

Fadenpendel

LängeBild) l (unteres Fadenpendel Länge l Schraubenfederpendel mit Schwingkörper Masse m Schraubenfederpendel mit Schwingkörper Masse m Blattfederpendel derLänge Längel l Länge Blattfederpendel der Länge l l

Periode

T Periode T T

(oberes Bild) Länge 2 lBild) (oberes

T T T

Länge 2l Masse 2m Masse 2m Länge Länge22ll

Periode

T√2 Periode T√2 T√2 T√2 4T 4T

Material:

Schnur, Gewichte, Schraubenfedern, Blattfedern, Stoppuhr, etc.

Material: Schnur, Gewichte, Schraubenfedern, Blattfedern, Stoppuhr, etc.

Theorie: Kapitel 4.1.2 und 4.1.3.

Theorie:

Kapitel 4.1.2 und 4.1.3.

Methode: mehrere Tischteams Methode:

mehrere Tischteams bes.

Hinweise: Eigenschwingungen ihre verschiedenen Abhängigkeiten bieten für Gelegenheit bes.

Hinweise: Eigenschwingungen und ihreund verschiedenen Abhängigkeiten bieten Gelegenheit viele Expefür viele Experimente auch auf Stufe Sek I. Die Frequenz oder die Schwingungsrimente auch auf Stufe Sek I. Die Frequenz oder die Schwingungsdauer kann versus einer variiedauer kann versus einer variierenden Grösse (Masse, Fadenlänge...) grafisch renden Grösse (Masse, Fadenlänge…) grafisch oder in Tabellenform dargestellt werden. oder in Tabellenform dargestellt werden.

Es ist darauf zu achten, dass die Schülerinnen und Schüler nicht die Zeitspanne einer Periode Es ist darauf zu achten, dass die Schülerinnen und Schüler nicht die Zeitspanne messen (ungenau!), 10 Perioden und dann Messwert durch 10 dividieren einer Periode sondern messenz.B. (ungenau!), sondern z.den B. 10 Perioden und dann den(deutlich genauer!)

Messwert durch 10 dividieren (deutlich genauer!)

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 9

2.1.3. Anregen von Schwingungen a) Aufgabe: Das Klangrepertoire Beschreibung: Ergänzt die früher bereits erstellte Liste von Schallkörpern, indem ihr euch überlegt, wie diese Klangkörper zum Schwingen angeregt werden. Tauscht die Informationen in der bereits bekannten Art und Weise mit anderen Tischteams aus.

Material: Blätter A4 Theorie: Kapitel 4.1.4.

Methode: GiveOne-GetOne bes. Hinweise: Diese Aufgabe knüpft an die Aufgabe 2.1.1.b) an. Die Liste könnte Elemente enthalten, wie sie in den beiden ersten Kolonnen stehen. Ergänzend lassen sich dazu Experimente oder Recherchen (wie in der dritten Kolonne vorgeschlagen und z.T. in den vorliegenden Aufgaben aufbereitet) machen.

Schallegeber

Anregung

Mögliche Experimente oder Recherchen

Lautsprecher, Kopfhörer

Elektromagnetische Anregung

Reistanz auf Lautsprecher

Saite

Zupfen, streichen

Stroboskop, Monochord

Glocke, Schelle

Anschlagen, Schütteln, Kugeln, Klöppel

Blattfederring als Glockenmodell

Stimmgabel

anschlagen

Zunge, Wasserspritzen, Schreibgabel

Klingel

mit elektrischem Unterbrecher, durch Klöppel

einen Unterbrecher bauen und damit eine Klingel betreiben

Glas

Haften und Gleiten

klingende Gläser

Gong

anschlagen

Schallübertragung zwischen 2 Gongs

Stimmbänder

Luftstrom unterbrechen

Lochsirene

Klatschen

Luft komprimieren

Knall

Zeitung

Rascheln, reiben, knicken

Rauschen

Glasrohr

anblasen, leichtes Klopfen

singende Flamme http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoakustik

Musikinstrumente

streichen, blasen, schlagen, zupfen, …

spielen, vergleichen

Harte Kreide auf Tafel

Haften und Gleiten auf Tafel

kratzen, quietschen

Motoren

Vibrationen

Frequenzanalyse

Reifengeräusch

Haftreibung, Luftkompression in den Pneurillen Internetrecherche

b) Experiment: Das gezupfte Gummiband Beschreibung: Spanne ein Bürogummiband zwischen zwei Stativstangen. Erzeuge durch Anzupfen einen Ton. Was stellst du fest, wenn du jeweils vor dem Loslassen das Band verschieden stark auslenkst?

Tonhöhe? Lautstärke? Amplitude? Wiederhole den Versuch mit einer anderen Spannung des Gummibandes!

Material: 2 Stativstangen, Bürogummibänder Theorie: Kapitel 4.1.4.

Methode: Schulterpaar bes. Hinweise: Als Erweiterung kann, wie in der Aufgabe: «Schreibe eine Versuchsanleitung» (Kap. 2.1.7.a) angeregt, die Spannkraft mit einem Newton-Meter bestimmt, die Tonhöhe mit einem Tonfrequenzgenerator identifiziert werden und die Korrelation mit einer Tabelle oder grafisch dokumentiert werden.

10 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

c) Experiment: Klangfarbe («Klangqualität») Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Beschreibung: Spiele mit unterschiedlichen Musikinstrumenten und mit den unterschiedlich dicken Saiten Gitarre immer gleich hohebeeinflussen und möglichstwohl gleich Eigenschaften der Schall einer erzeugenden "Klangkörper" dielaute Töne. Erstelle eine Rangliste, wie Klangfarbe bei gleicher Tonhöhe?

Verändert sichdirdie Klangfarbe der Eigenschaften der Schall erzeugenden gut der jeweilige «Klang» gefällt.

Welche mit speziellen Lautstärke? Was ist schwieriger zu realisieren: a) gleiche «Klangkörper» beeinflussen wohl dieTonhöhe Klangfarbeb) beigleiche gleicher Tonhöhe? Verändert sich die KlangLautstärke? farbe mit der Lautstärke? Was ist schwieriger zu realisieren: a) gleiche Tonhöhe b) gleiche Lautstärke?

Musikinstrumente (z.

B. Gitarre), Saiten Material: Musikinstrumente (z. B. Gitarre), Saiten Kapitel 4.1.4. und 4.2.8.

Theorie: Kapitel 4.1.4. und 4.2.8.

Tischteam Methode: Tischteam

: Immer ein wenig kann auch zu viel sein - die Resonanzkatastrophe.

d) Experiment: Immer ein wenig kann auch zu viel sein - die Resonanzkatastrophe.

Hänge ein Schraubenfederpendel an einer Schnur über eine Rolle (oder dünne Achse), fasse das Schnurende mitSchraubenfederpendel Daumen und Zeigfinger undSchnur ziehe über bei eine Rolle (oder dünne Achse), fasse das Beschreibung: Hänge ein an einer aufgestütztem Ellbogen mit periodischen "hin und her" Bewegungen (max.

1 cm) Schnurende mit Daumen und Zeigfinger und ziehe bei aufgestütztem Ellbogen mit periodischen so an der Schnur, dass der Pendelkörper in Schwingung versetzt wird.

Arbeite «hin und her»-Bewegungen (max. 1 cm) so an der Schnur, dass der Pendelkörper in Schwingung zuerst mit einer sehr raschen Frequenz, dann mit einer sehr kleinen. Beobachte versetzt wird. Arbeite zuerst mit einer sehr raschen Frequenz, dann mit einer sehr kleinen. Bedie Amplitude der Schwingung. Anschliessend versuchst du die obachte die Amplitude derzu Schwingung.

Anschliessend versuchst du die Resonanzfrequenz des Resonanzfrequenz des Schraubenfederpendels finden. Erläutere den Begriff "Resonanzkatastrophe"! Schraubenfederpendels zu finden. Erläutere den Begriff «Resonanzkatastrophe»!

1 cm

Aufhängung, Feder, Gewicht, Schnur Material: Aufhängung, Feder, Gewicht, Schnur Kapitel 4.1.4.

Theorie: Kapitel 4.1.4.

Schulterpaar Methode:

Schulterpaar Die Begriffe Frequenz und Amplitude sollten für dieses Experiment bekannt sein.

Hinweise: Diesich Begriffe Frequenz und Amplitude im sollten für dieses Experiment bekannt sein. Der Begriff Der Begriffbes.

Resonanz lässt anhand des Experimentes wahrsten Sinne des Resonanz lässt sich anhand deslässt Experimentes im wahrsten Sinne des Wortes be-greifen. Eine Wortes be-greifen. Eine Amplituden-Frequenz-Kurve sich mit einem exzentrisch auf den Bohrer einer Drehfrequenz-regulierbaren Amplituden-Frequenz-Kurve lässt sich mit Bohrmaschine einem exzentrisch auf den Bohrer einer Drehfrequenzaufgesteckten Korkzapfenregulierbaren aufnehmen.

Um Transversalschwingungen zu aufnehmen. Um TransversalschwingunBohrmaschine aufgesteckten Korkzapfen vermeiden, kann die Feder wie bei einem N-Meter in ein Rohr gesteckt werden. gen zu vermeiden, kann die Feder wie bei einem N-Meter in ein Rohr gesteckt werden.

Resonanzkatastrophe und Tilgerpendel im Internet a) Suche im Internet nach historisch belegten Resonanzkatastrophen. b) Was ist ein Tilgerpendel? Wozu dient es? Wo kommt es zum Einsatz?

Internetzugang Kapitel 4.1.4.

Einzel- oder Gruppenauftrag a)  Tacoma Narrows Bridge b)  Wolkenkratzer

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 11

e) Recherche: Resonanzkatastrophe und Tilgerpendel im Internet Beschreibung:

Material: Theorie: Methode: bes. Hinweise:

a) Suche im Internet nach historisch belegten Resonanzkatastrophen. b) Was ist ein Tilgerpendel? Wozu dient es? Wo kommt es zum Einsatz?

Internetzugang Kapitel 4.1.4.

Einzel- oder Gruppenauftrag a) ➜ Tacoma Narrows Bridge b) ➜ Wolkenkratzer Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

f) Experiment: Tanz auf dem Lautsprecher f) Experiment: Tanz auf dem Lautsprecher Beschreibung: Die Schwingungen einer Lautsprechermembran könnenkönnen mit aufmit dieauf Membran gestreutem Reis, Beschreibung: Die Schwingungen einer Lautsprechermembran die Membran gestreutem Maisgriess oder (hier im Bild) mit Reisszwecken Maisgriess oder (hierReis, im Bild) mit Reisszwecken sichtbar gemacht werden. sichtbar Wird der Lautsprecher gemacht werden. Wird der Lautsprecher mit einem Tonfrequenzgenerator mit einem Tonfrequenzgenerator angesteuert, entstehen frequenzabhängige «Tanzmuster». angesteuert, entstehen frequenzabhängige "Tanzmuster".

Material: Lautsprecher, Frequenzgenerator, Reiskörner Theorie:Material:

Kapitel 4.1.4.

Lautsprecher, Frequenzgenerator, Reiskörner Theorie: Kapitel 4.1.4.

Methode:

Demonstrationsversuch Methode: Demonstrationsversuch bes. Hinweise: Im iLab wird Schall (17000 Hz) mit Piezokristallen erregt. Schall kann auch mit dynamischen Lautsprechern werden.

EinHz) Lautsprecher wandelterregt. niederfrequente bes. Hinweise: Im iLaberzeugt wird Schall (17000 mit Piezokristallen Schall kannelektrische auch mit Signale Lautsprechern werden.

Lautsprecher in Schalldynamischen um. Dazu wird eine Spule erzeugt beweglich über Ein einen Magnetpol wandelt gelegt. An ihr wird eine niederfrequente Signale in Schall um.

Dazu wird dünner eine Spule beweglich Membran (meistens ein elektrische trichterförmiger, konzentrisch zulaufender Karton oder ein weiüber einen Magnetpol gelegt. An ihr wird eine Membran (meistens ein ches Polymer mit ringförmigem Wulstzulaufender am äusserendünner Rand und nach aussen gewölbtem Zentrum) trichterförmiger, konzentrisch Karton oder ein weiches befestigt.

Der Rand der Membran wird an der Lautsprecherbox befestigt.

Die Polymer mit ringförmigem Wulst am äusseren Rand und nach aussenelektrischen gewölbtem WechZentrum) befestigt.

Der Rand der Membran wird an der Lautsprecherbox selstromsignale aus dem Verstärker bewegen die «Tauchspule» mit der «Musikfrequenz» (hier DieDadurch elektrischen Wechselstromsignale aus dem Verstärker im Bild) befestigt. auf und ab. wird die Membran in Schwingungen versetzt. bewegen die "Tauchspule" mit der "Musikfrequenz" (hier im Bild) auf und ab. Dadurch wird die

Membran in Schwingungen versetzt.

Grosse Lautstärke verstärkt das «Hüpfen». Die Membran sollte möglichst bei jeder Frequenz so Grosse versetzt Lautstärke verstärkt das "Hüpfen".

Membran sollte möglichst beibenachteiligt jeder in Schwingung werden können, dass nichtDie einzelne Töne bevorzugt oder Frequenz so in Schwingung versetzt werden können, dass nicht einzelne Töne werden. Auch sollten keine Teilschwingungen (Schwingungsmuster) entstehen. Der abgestrahlte bevorzugt oder benachteiligt werden. Auch sollten keine Teilschwingungen Schall ist(Schwingungsmuster) hauptsächlich von der Membranschnelle abhängig, der Schnelligkeit, mitvon der die Mementstehen.

Der abgestrahlte Schall ist hauptsächlich derTeile Membranschnelle abhängig, der Schnelligkeit, mit derhervorrufen. die Membran (oder bran (oder davon) schwingen und Luftdruckschwankungen Teile davon) schwingen und Luftdruckschwankungen hervorrufen.

Quelle: wikipedia, Suchbegriffe Lautsprecher, Schema, Front

Suchbegriffe: wikipedia Datei Quelle: wikipedia,Suchbegriffe: Suchbegriffe wikipedia Datei dynamischer Lautsprecher dynamischer Lautsprecher Lautsprecher, Schema, Front

12 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Projekt: Bau direigenes dein eigenes Frequenzmessgerät g) g) Projekt: Bau dir dein Frequenzmessgerät g) Projekt: Bau dir dein eigenes Frequenzmessgerät Beschreibung: Baue imeinen Werkunterricht) einen Zungenfrequenzmesser Beschreibung: Baue (z.B. (z.B. im Werkunterricht) einen Zungenfrequenzmesser mit dünnen Beschreibung: Baue (z.B. im Werkunterricht) Zungenfrequenzmesser mit dünnen Blattfedern ("Zungen") aus elastischem Metall mit dünnenBlattfedern Blattfedern(«Zungen») ("Zungen")aus auselastischem elastischemMetall Metall oder Kunststoff unterschiedKlemme Klemme Kunststoff unterschiedlicher oder Kunststoffoder unterschiedlicher Länge. Er dient zur Länge. Er dient zur licher Länge. Er dient zur Frequenzanalyse. Bestimme damit die HauptfreFrequenzanalyse.

Bestimme damit die Hauptfrequenzen Frequenzanalyse.

Bestimme damit die Hauptfrequenzen quenzenMofamotors, eines «röhrenden» Mofamotors, indem du die Resonanzschwingungen der Blattfedern eines "röhrenden" indem du die Resonanzschwingungen der eines "röhrenden" Mofamotors, indem du die Resonanzschwingungen der Vor dudu Vorversuche mitmit einer deren mit Länge l du variieren Blattfedernbeobachtest. beobachtest.

Vordem demBau Baumachst machst Vorversuche einer Blattfedern beobachtest.

Vor dem Bau machst duBlattfeder, Vorversuche einer Blattfeder, kannst, deren Länge du sie variieren kannst, indem sieHalterung z.B. auf einer Seite in indeml du z.B.Länge auf einer Seite indu eine klemmst schwingenBlattfeder, deren l du variieren kannst, indem duund siediese z.B. auf aufeine einer Seite in eine Halterung klemmst und diese auf eine schwingende Stelle des Mofas de Stelle des Mofas drückst.

Verändere l, bis die Feder zu schwingen beginnt (Resonanz).

Miss ihre eine Halterung klemmst und diese auf eine schwingende Stelle des Mofas drückst. Verändere l, bis die Feder zu schwingen beginnt (Resonanz). Miss ihre Länge l. Suche durch Veränderung vonFeder l Resonanzen. weitere Bei einer so(Resonanz). eingespanntenMiss Blattfeder drückst.

Verändere l, bis die zuResonanzen. schwingen beginnt ihre Länge l. Suche durch Veränderung von l weitere Bei einer so Länge l.

Suche durch Veränderung von l weitere Resonanzen.

Bei einer so eingespannten Blattfeder ihre proportional Periode T=1/fzum proportional zumBlattfederlänge Quadrat der l. Wird z.B. die Länge einer ist ihre Periodeist T=1/f Quadrat der Blattfederlänge l. Wirddie z.B. Länge einer Blattfeder, dieschwingt mit 220 Hzproportional schwingt eingespannten Blattfeder ist ihre Periode T=1/f zum Viertel, Quadrat der Blattfeder, mitdie 220 Hz schwingt verdoppelt, sie nur noch mit einem also mit 55 verdoppelt, schwingt sie nur noch mit einem Viertel, also mit 55 Hz. Verwende zurmit 220 Hz schwingt Blattfederlänge l.

Wird z.B. die Länge einer Blattfeder, die Hz. Verwende zureines Eichung den Vergleichston eines Tonfrequenzgenerators.

Eichung den Vergleichston Tonfrequenzgenerators. verdoppelt, schwingt sie nur noch mit einem Viertel, also mit 55 Hz. Verwende zur Eichung den Vergleichston eines Tonfrequenzgenerators.

Frequenz: f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 Material:

Blattfedern, Stimmgabel 220 Hz, div. Materialien und Werkzeuge aus dem Material:

Blattfedern, Stimmgabel 220 Hz, undf7Werkzeuge aus dem Werkraum.

Frequenz: Werkraum. f1div. f2 Materialien f3 f4 f5 f6

Kapitel Theorie: Theorie: Kapitel 4.1.3. und 4.1.3.

4.1.4. und 4.1.4.

Material: Blattfedern, Stimmgabel 220 Hz, div. Materialien und Werkzeuge aus dem Methode: Methode: Projekt Entwickeln) (Erfinden, Projekt (Erfinden, Entwickeln) Werkraum.

Bes. Hinweise: Statt den gewünschten Frequenzbereich mit verschieden langen Blattfern Bes. Hinweise: Statt den gewünschten Frequenzbereich mit verschieden langen Blattfern abzudecken, kann abzudecken, kann eine 4.1.3.

Vorrichtung erfunden und entwickelt werden, mit der die Theorie: Kapitel und 4.1.4. eine Vorrichtung erfunden und entwickelt werden, mit der die und Länge Länge einer einzelnen auf einer Seite eingeklemmten Feder rasch variiert beieiner einzelnen auf einer Methode: Projekt (Erfinden, Entwickeln) Seite eingeklemmten Feder rasch variiert und bei Resonanz abgelesen werden Blattfern kann.

Resonanz abgelesen werden kann.

Bes. Hinweise: Statt den gewünschten Frequenzbereich mit verschieden langen

abzudecken, kann eine Vorrichtung erfunden und entwickelt werden, mit der die Länge einer einzelnen auf einer Seite eingeklemmten Feder rasch variiert und bei 2.1.4. Experimente mit Stimmgabeln Resonanz abgelesen werden kann.

2.1.4.

Experimente mit Stimmgabel Stimmgabeln a) Experiment: Basisexperimente mit einer

Beschreibung: Physikalisch gesehenmit ist die Stimmgabel ein Biegeschwinger. Die Zinken 2.1.4.

Experimente Stimmgabeln schwingen beim Anschlagen gegensinnig. Sobald sich die Zinken nach außen a) Experiment: mit einer Stimmgabel bewegen,Basisexperimente wird Basisexperimente die Luft vor ihnen verdichtet, während sie zwischen ihnen verdünnt a) Experiment: mit einer Stimmgabel wird. Beim Zurückschwingen kehrt sich die Dichteverteilung um. Die sich wellenförmig ausbreitenden Druckunterschiede nehmen wir als Schall wahr.

Beschreibung: Physikalisch gesehen ist die Stimmgabel ein Biegeschwinger.

Die Zinken schwingen beim AnschlaBeschreibung: Physikalisch gesehen ist die ein Biegeschwinger.

Die Zinken a) Halte den Stimmgabelkopf an die Zunge.

Die Stimmgabel Zähne nicht berühren!

Halte gen gegensinnig.

Sobald sich die Zinken nach außen bewegen, wirddie die Zinken Luft vor ihnen schwingen beim Anschlagen gegensinnig.

Sobald sich nach verdichtet, außen den Stimmgabelkopf auf den Schädelknochen oder auf den Ellbogen! Wenn du sieStimmgabel zwischen ihnen verdünnt wird.verdichtet, Beim Zurückschwingen kehrt sich die Dichteverteilung jemanden während bittest, die anLuft diese Körperteile zu halten, kannst du dir bewegen, wird die vor ihnen während sie zwischen ihnen verdünnt dabei die Ohren zusich halten.

Was stellst du fest? kehrt um. Die wellenförmig ausbreitenden Druckunterschiede nehmen wir als Schall wird.

Beim Zurückschwingen sich die Dichteverteilung um.

Diewahr. sich b) Berührea) mitHalte der Stimmgabelzinke eine Wasseroberfläche.

Beschreibe, was du den Stimmgabelkopf an dieDruckunterschiede Zunge. Die Zähne nicht berühren! den Stimmgabelwellenförmig ausbreitenden nehmen wir Halte als Schall wahr. beobachtest und Lassen sich ausser deman Aufspritzen desDie Wassers auch a)erkläre!

Halte den Stimmgabelkopf Zähne nicht berühren! kopf auf den Schädelknochen oder aufdie denZunge.

Ellbogen!

Wenn du jemanden bittest, dieHalte Stimmfeine Wellen beobachten? den Stimmgabelkopf auf den Schädelknochen oder auf den Ellbogen!

Wenn gabel anDrehe dieseeine Körperteile zu halten, kannst du dirgehaltene dabei die Ohren zu halten. Was stellstdu du c) Schallabstrahlung: zum Tönen gebrachte aufrecht jemanden bittest, die Stimmgabel an diese Körperteile zu halten, kannst du dir Stimmgabel langsam fest? vor deinem Gesicht. Was stellst du fest? Erkläre!

dabei die Ohren zu halten. Was stellst du fest?

b) Berühre mit der Stimmgabelzinke eine Wasseroberfläche. Beschreibe, was du beobachtest b) Berühre mit der Stimmgabelzinke eine Wasseroberfläche. Beschreibe, was du Material: Stimmgabeln, Wasserbecken erkläre! Lassen sich ausser dem Aufspritzen des Wassers auch feine Wellen beobachten?

Theorie: Kapitel 4.1.4. und beobachtest und erkläre! Lassen sich ausser dem Aufspritzen des Wassers auch c) Schallabstrahlung: Drehe eine zum Tönen gebrachte aufrecht gehaltene Stimmgabel langsam Methode: Schulterpaare feine Wellen beobachten? vor deinem Gesicht.

Was stellst fest?zum Erkläre! c) Schallabstrahlung: Drehedueine Tönen gebrachte aufrecht gehaltene Material: Stimmgabeln, Wasserbecken Stimmgabel langsam vor deinem Gesicht. Was stellst du fest? Erkläre!

13 Theorie: Kapitel 4.1.4.

Material: Stimmgabeln, Wasserbecken Methode:

Schulterpaare

Theorie: Methode:

Kapitel 4.1.4.

Schulterpaare

13Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 13

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

b) Experiment: Schreibstimmgabel

b) Experiment: Schreibstimmgabel

Beschreibung: Stülpe ein ca. 5mm langes Schlauchstück ganz satt über die Zinke einer Stimmgabel und klemme

Beschreibung: Stülpe einBlumendraht ca. 5mm langes Schlauchstück ganz satt über einer ein Stück darunter.

Eines der Drahtenden bleibt freidie undZinke dient als «Schreibnadel».

Stimmgabel und klemme ein Stück Blumendraht darunter.

Eines der Drahtenden Schlage nun die Stimmgabel per Hand an und ziehe sie mit grossem Tempo v über eine mit Plableibt freieingefärbte und dientoder als "Schreibnadel".

Schlage nun die Stimmgabel per Hand an katfarbe berusste Glasplatte.

Aus der sinusförmigen (eine Folge von Buckeln und ziehe sie mit grossem Tempo v über eine eingefärbtegeschlossen oder und Tälern) Schreibspur und aus v (abschätzen) kannmit aufPlakatfarbe die Stimmgabelfrequenz berusste Glasplatte. Aus der sinusförmigen (eine Folge von Buckeln und Tälern) werden, denn die Frequenz der Stimmgabel multipliziert mit dem (in der Einheit m) gemessenen Schreibspur und aus v (abschätzen) kann auf die Stimmgabelfrequenz Abstand zwischen zwei Buckeln des Wellenzuges (das ist die Wellenlänge) ergibt das Tempo v geschlossen werden, denn die Frequenz der Stimmgabel multipliziert mit dem (in der bewegten Stimmgabel in derAbstand Einheit m/s.

Schätzezwei die Geschwindigkeit v und ermittle aus der der Einheit m) gemessenen zwischen Buckeln des Wellenzuges Schreibspur Wellenlängeergibt (in m) und wie oben beschrieben dieinFrequenz der (das ist die die Wellenlänge) dasberechne Tempo vdaraus der bewegten Stimmgabel der Stimmgabel.

Einheit m/s. Schätze die Geschwindigkeit v und ermittle aus der Schreibspur die Wellenlänge m) und berechne daraus wie oben beschrieben die Frequenz der Material: Stimmgabeln, (in Blumendraht, Glasplatte, Plakatfarbe oder Russ einer Kerzenflamme.

Stimmgabel.

Theorie: Kapitel 4.1.2. und 4.1.4.

Methode:

Tischteam

Material: Blumendraht, Glasplatte, oder Russ bes. Hinweise: Stimmgabeln, Die Frequenz f (Anzahl der Schwingungen proPlakatfarbe Sekunde) berechnet sich einer gemäss f = v/λ (λ = WelKerzenflamme. lenlänge). Der Draht kann mit einem Schrumpfschlauch über der Zinke festgeklemmt werden. v Theorie: Kapitel 4.1.2. und 4.1.4. kann mit einer Fotokamera mit bekannter Blendenöffnungszeit bestimmt werden.

Methode: Tischteam bes. Hinweise: Die Frequenz f (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) berechnet sich gemäss f = v/λ (λ = Wellenlänge). Der Draht kann mit einem Schrumpfschlauch über der c) Experiment: Wir machen die Bewegung der Stimmgabel sichtbar Zinke festgeklemmt werden. v kann mit einer Fotokamera mit bekannter Blendenöffnungszeit bestimmt werden.

Beschreibung: Durch Drehen einer Stimmgabel (z.B. auf einer Töpferscheibe oder von Hand in einem mit einem Reagenzglashalter fixierten Glasröhrchen; entscheidend ist, dass die Längsachse dabei mögc) Experiment: Wir machen diekönnen Bewegung derLaser Stimmgabel sichtbar lichst starr bleibt) mit einem über eine auf eine Stimmgabelzinke geklebte Spiegelscherbe Sinuskurvenzüge erzeugt werden.

Beschreibung: Durch Drehen einer Stimmgabel (z.B. auf einer Töpferscheibe oder von Hand in einem mit einem Reagenzglashalter fixierten Glasröhrchen; entscheidend ist,

https://lp.uni-goettingen.de/get/image/100 dass die Längsachse dabei möglichst starr bleibt) können mit einem Laser über http://www.math.uni-bielefeld.de/birep eine auf eine Stimmgabelzinke geklebte Spiegelscherbe Sinuskurvenzüge erzeugt werden.

Verdichtung Verdichtung

Verdünnung Verdünnung

Darstellung eines einfachen Schwingungsvorgangs

Amplitudenhöhe

λ

http://www.math.uni-bielefeld.de/birep Material: https://lp.uni-goettingen.de/get/image/100 Stimmgabel, Spiegelscherbe, Klebmasse, Laser, Töpferscheibe oder Reagenzglashalter.

Theorie: Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4.

Methode: Demonstrationsversuch bes. Hinweise: Die Stimmgabel lässt sich unter Umständen auf eine Drehzahl-regulierte Bohrmaschine stecken.

Material:

Stimmgabel, Spiegelscherbe, Klebmasse, Laser, Töpferscheibe oder Reagenzglashalter.

Theorie: Kapitel 4.1.2 bis 4.1.4.

Methode: Demonstrationsversuch bes. Hinweise: Die Stimmgabel lässt sich unter Umständen auf eine Drehzahl-regulierte Bohrmaschine stecken.

14 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

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2.1.5. Mit der eigenen Stimme 2.1.5. Mit der eigenen Stimme

a)a)Experiment: Wer singt «schönsten»?

Experiment: Wer am singt am "schönsten"?

Beschreibung: Versuche Klangfiguren mit Stimme deiner Stimme zu Beschreibung: Versuche, Klangfiguren mit deiner zu erzeugen! erzeugen!

Spanne eine halbierte Ballonhülle über ein Gefäss mit einer Spanne eineStreue halbierte Ballonhülle über eindarauf.

Gefäss mit grossen Öffnung.

Tafelsalz oder Maisgriess Dass grossen Öffnung.

Streue Tafelsalz die einer Körnchen nicht über den Rand fallen, kannst oder du mit einem Maisgriess darauf. Dass die Körnchen nicht über den am Rande befestigten Papierstreifen verhindern. Bringe die KörRand fallen, kannst du mit einem am Rande ner zum Tanzen, indem du mit der Hand vor dem Mund verschiebefestigten Papierstreifen verhindern. Bringe die denKörner hohe Töne erzeugst.

Kannst du du Muster erzeugen? zum Tanzen, indem mit der Hand vor dem

Erweiterung: Halte ein Tamburin über erzeugst. einen kleinen mit einem Mund verschieden hohe Töne Kannst du Tonfrequenzgenerator verbunden Lautsprecher, streue etwas Muster erzeugen? Erweiterung: Halte ein Tamburin Maisgriess darauf und verändere dieTonfrequenzgenerator Tonhöhe. Skizziere oder über einen kleinen mit einem verbunden Lautsprecher, Maisgriess fotografiere die Muster und ordnestreue jedem etwas eine Frequenz zu! darauf und verändere die Tonhöhe.

Skizziere oder fotografiere Muster undevtl.

Material: Luftballons, hohe Tasse oder hohes Glasgefäss, Tafelsalz oder Maisgriess,die Papierstreifen, ordne jedem eine Frequenz zu!

Sinusgenerator, evtl. Lautsprecher (Computer) Theorie: Kapitel 4.1.4. und 4.3.5.

Methode: Tischteam Material: Luftballons, hohe Tasse oder hohes Glasgefäss, Tafelsalz oder Maisgriess, bes. Hinweise: Tonfrequenzgenerator: 2.1. Schallerzeugung, Vorangestellt(Computer) A. Papierstreifen, ev.siehe Sinusgenerator, ev. Lautsprecher Theorie: Solche Klangmuster können mathematisch berechnet werden.

Sie hängen von der Tonhöhe und Kapitel 4.1.4. und 4.3.5. der Tischteam Geometrie der Fläche ab. Da wo in einem Klangmuster die Salzkörner hüpfen bewegen sich Methode: TeileTonfrequenzgenerator: der Ballonhülle («Bäuche»), da wo sieSchallerzeugung, ruhen («Knoten», «Knotenlinien») sich auch bes. Hinweise: siehe 2.1.

Vorangestelltbewegen A. Klangmuster können mathematisch berechnet werden. geöffnete Sie hängen von die Solche Stoffteilchen des Ballons nicht. Die Folie kann auch auf eine beidseitig Blechbüchder Tonhöhe und Geometrie derSchlauch Fläche kann ab. Da woeinen in einem Klangmuster die se gespannt werden.

Mitder einem gebogenen durch Trichter Schall von unten Salzkörner hüpfen bewegen sich Teile der Ballonhülle ("Bäuche"), da wo sie auf die Folie geleitet werden. ruhen ("Knoten", "Knotenlinien") bewegen sich auch die Stoffteilchen des Ballons nicht. Die Folie kann auch auf eine beidseitig geöffnete Blechbüchse gespannt werden. Mit einem gebogenen Schlauch kann durch einen Trichter Schall von unten auf die Folie geleitet werden.

2.1.6. Das Federpendel 2.1.6. Das Federpendel

a) Experiment: Bestimmung der Federhärte

a) Experiment: Bestimmung der Federhärte Beschreibung: Die Federkonstante oder Federhärte D gibt an, wie viel Kraft es braucht, um eine Feder einen Beschreibung:Meter DiezuFederkonstante oder Federhärte D gibt an,der wiedie viel Kraft es braucht,oder um eine verlängern. Sie lässt sich aus dem Quotienten Feder verlängernden stauFeder einen Meter zu verlängern.

Sie lässt sich aus dem Quotienten der die Feder chenden Kraft F und der daraus resultierenden Verlängerung x bestimmen (Hook'sches Gesetz: verlängernden oder stauchenden Kraft F und der daraus resultierenden D = F/x).

Verlängerung x bestimmen (Hook'sches Gesetz: D = F/x). a) Bestimme auf diese Weise die Federkonstante einer Schraubenfeder. a) Bestimme auf diese Weise die Federkonstante einer Schraubenfeder. b) Gibt es einen Zusammenhang zwischen Federhärte D und ihrerD Schwingungsfrequenz f? Verb) Gibt es einen Zusammenhang zwischen Federhärte und ihrer gleiche f für drei Federn unterschiedlicher Härte D , D und D .

1 2 3 Schwingungsfrequenz f? Vergleiche f für drei Federn unterschiedlicher Härte D1, Material: Aufhängung, Schraubenfedern, diverse Gewichte bekannter Masse, Massstab.

D2 und Dunterschiedliche 3.

Theorie: Kapitel 4.1.2.

Material: Aufhängung, unterschiedliche Schraubenfedern, diverse Gewichte bekannter Methode: Schulterpaar Massstab. bes. Hinweise: Der Masse, Zusammenhang von Frequenz und Schwingungsdauer, respektive Amplitude und Frequenz Theorie: Kapitel 4.1.2. lässt sich gut untersuchen an einem Schraubenfederpendel mit der Federkonstanten D, das verMethode: Schulterpaar tikal aufgehängt und mit einem Körper der Masse m belastet wird. Solche Pendel schwingen harbes. Hinweise: Der Zusammenhang von Frequenz und Schwingungsdauer, respektive Amplitude monisch, da sie dem Gesetz von Hooke gehorchen. Als m eignet sich auch Knet, dessen Masse und Frequenz lässt sich gut untersuchen an einem Schraubenfederpendel mit der gewogen wird.

Federkonstanten D, das vertikal aufgehängt und mit einem Körper der Masse m

belastet wird. Solche Pendel schwingen harmonisch, da sie dem Gesetz von Hooke gehorchen. Als m eignet sich auch Knet, dessen Masse gewogen wird.

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Experiment: Messgenauigkeit

eschreibung: a) Miss zuerst drei Mal die Schwingungsdauer (=Periode) Tm für eine einzige Schwingung eines Schraubenpendels mit der Stoppuhr. Berechne den Mittelwert T und die grösste Abweichung ∆t der Einzelmessungen. Schreibe Beschreibung: a) Miss zuerst drei T Mal die ± Schwingungsdauer (=Periode) Tm für eine einzige Schwingung eines das Resultat in der Form =T ∆t. m . die grösste Abweichung Schraubenpendels mit der Stoppuhr.

Berechne denFehler Mittelwert T und 100% ∆t heisst absoluter Fehler. Berechne auch den relativen (∆t/T) Δt der Einzelmessungen. Schreibe das in die der Zeit Formfür T = 10 Tm ± Δt. b) Bestimme die Schwingungsdauer T, indem duResultat dreimal Δt heisst absoluterMache Fehler. erneut Berechne auch den relativen Fehler (Δt/T) 100% Schwingungen bestimmst. eine Fehlerrechnung.

Was fällt· dir auf im Vergleich zu a)? b) Bestimme die Schwingungsdauer T, indem du dreimal die Zeit für 10 Schwingungen beb) Experiment: Messgenauigkeit

stimmst. Mache erneut eine Fehlerrechnung. Was fällt dir auf im Vergleich zu a)?

aterial: Aufhängung, Schraubenfeder, Gewicht,Gewicht, Stoppuhr Material:

Aufhängung, Schraubenfeder, Stoppuhr heorie: Kapitel 4.1.2. und 4.1.3.

Theorie: Kapitel 4.1.2. und 4.1.3. ethode: Schulterpaar Methode: Schulterpaar es. Hinweise: Anhand des Federpendels kann das sehr wichtige Thema "Messfehler" gut bes. Hinweise: Anhand des Federpendels kann das sehr wichtige Thema «Messfehler» gut angegangen werden. angegangen werden. c) Experiment: Schwingungsdauer eines Federpendels Experiment: Schwingungsdauer eines Federpendels

eschreibung:Beschreibung: Verändere die Massedie eines aneines eineran Schraubenfeder schwingenden Körpers, Verändere Masse einer Schraubenfeder schwingenden Körpers, indem du mehr und indem du mehr mehranklebst.

PlastilinBestimme anklebst.jeweils Bestimme jeweils die schwingenden Masse m des Körpers. Zeichne in mehrund Plastilin die Masse m des schwingenden Körpers.

Zeichne in einem Koordinatensystem versus einem Koordinatensystem m versus Schwingungsdauer T m auf.

Was stellst du fest?

Schwingungsdauer T auf.

Was stellst du fest?

Material: Aufhängung, Schraubenfeder, Gewicht, Plastilin, Stoppuhr Theorie:

Kapitel 4.1.2. und 4.1.3.

aterial: Aufhängung, Schraubenfeder, Gewicht, Plastilin, Stoppuhr Methode: Schulterpaar heorie: Kapitel 4.1.2. und 4.1.3. bes.

Hinweise:

keine ethode: Schulterpaar es. Hinweise: keine d) Experiment: Nichts währt ewig – gedämpfte Schwingungen

Experiment: Nichts währt ewig – gedämpfte Schwingungen

Unterlagen zur Nachbearbeitung iLab Beschreibung: a) Tauche den an der Schraubenfeder schwingenden Körper in einSchalllabor Gefäss mit Wasser.

Miss wie

eschreibung: a) Tauche den lange an der schwingenden Körper nur in ein Gefäss mitnoch ein Viertel, ein esSchraubenfeder dauert, bis die Amplitude der Schwingung noch halb, nur Wasser. Miss wie lange es dauert, bis die Amplitude der Schwingung nur noch Achtel … so gross ist wie beim Start. Erstelle dazu eine Grafik.

Die Frequenz ist unabhängig derErstelle Amplitude (gilt nur für harmonische halb, nur nochbes. ein Hinweise: Viertel, ein Achtel ... so gross ist wie beimvon Start. dazu mit einem gedämpften Fadenpendel.

Schwingungen). eine Grafik. b) Wiederhole den Versuch

aterial: heorie: ethode:

Das SchraubenfederHinweis: Fadenpendel pendel wird durch werden bifilar (d.h. an zwei Eintauchen in wenn sie Fäden) aufgehängt, Wasser gedämpft. in einer Ebene schwingen sollen. Erschwert werden kann dadurch die Messung der Pendellänge.

2.1.7. Zum Abschluss

Ein an zwei Fäden (bifilar) aufgehängtes Pendel von vorne gesehen. Zwischen den Fäden ist ein Stück Papier gespannt. Je nach Grösse kann die Dämpfung (durch Luftwiderstand) reguliert werden.

Ein an zwei Fäden (bifilar) aufgehängtes Pendel von vorne gesehen.

Zwischen den Fäden ist ein Stück Papier gespannt. Je nach Grösse kann die Dämpfung (durch Luftwiderstand) reguliert werden.

Hinweis:Fadenpendel.

Fadenpendel werden bifilar (d.h. an zwei Fäden) aufgehängt, Schraubenfederpendel b) WiederholeDasden Versuch mit einem gedämpften wenn sie in einer Ebene schwingen sollen. Erschwert werden kann wird durch Eintauchen in a) Aufgabe: Schreibe eine Versuchsanleitung dadurch die2Messung der Pendellänge.

Wasser gedämpft.

Federpendel, Gewicht, Aufhängung, Massstab, Wasserbecken, Schnüre, Papier Kapitel 4.1.5. Beschreibung: a) Entwickle ein ähnliches Experiment wie im Experiment "Nichts währt ewig" m Schulterpaar dem du das Schwingungsverhalten eines verschieden Material:

Federpendel, Gewicht, Aufhängung, Massstab, Wasserbecken, 2 Schnüre, Papier stark gespannten Gummibandes untersuchen kannst.

Ziel ist es, einen Zusammenhang zu finde Theorie: Kapitel 4.1.5. zwischen Spannkraft und Tonhöhe der Schwingung.

Zur Bestimmung der Methode: Schulterpaar Tonhöhe über das Gehör verwendest du einen Tonfrequenzgenerator. bes. Hinweise: Die Frequenz ist unabhängig von der Amplitude (gilt nur für harmonische Schwingungen).

Erstelle eine genaue Versuchsanleitung mit Skizzen und Fotos.

16 b) Entwickle eine ähnliche Beobachtungsaufgabe wie im Experiment "Tonhöhe und Frequenz" mit einem eingespannten Flachlineal (einer Blattfeder). Führe d Versuch aus und beschreibe ihn verständlich!

16 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Theorie: Methode:

Kapitel 4.1.2. bis 4.1.5.

Schreiben einer Versuchsanleitung

Hinweis: Fadenpendel werden bifilar (d.h. an zwei Fäden) aufgehängt, wenn sie in einer Ebene schwingen sollen. Erschwert werden kann dadurch die Messung der Pendellänge.

Ein an zwei Fäden (bifilar) aufgehängtes Pendel von vorne gesehen. Zwischen den Fäden ist ein Stück Papier gespannt. Je nach Grösse kann die Dämpfung (durch Luftwiderstand) reguliert werden.

2.1.7. Zum Abschluss

2.1.7.

Zum Abschluss a) Aufgabe: Schreibe eine Versuchsanleitung a) Aufgabe: Schreibe eine Versuchsanleitung

Beschreibung: a) Entwickle ein ähnliches Experiment wie im Experiment «Nichts währt ewig» mit dem du das Schwingungsverhalten verschieden stark gespannten Gummibandes untersuchen Beschreibung: a) Entwickle ein ähnlicheseines Experiment wie im Experiment "Nichts währt ewig" mit kannst.

Ziel ist es, einen Zusammenhang zu finden zwischen Spannkraft und Tonhöhe der dem du das Schwingungsverhalten eines verschieden stark gespannten Schwingung.untersuchen Zur Bestimmung der Tonhöhe Gehör verwendest du einen TonfrequenzGummibandes kannst.

Ziel istüber es,das einen Zusammenhang zu finden zwischen Spannkraft und Tonhöhe der Schwingung. Zur Bestimmung der generator.

Tonhöhe Gehör verwendest du Tonfrequenzgenerator.

Erstelleüber einedas genaue Versuchsanleitung miteinen Skizzen und Fotos.

Erstelle eine genaue Versuchsanleitung mit Skizzen und Fotos.«Tonhöhe und Frequenz» b) Entwickle eine ähnliche Beobachtungsaufgabe wie im Experiment b) Entwickle ähnliche Beobachtungsaufgabe wieFühre im Experiment mit einemeine eingespannten Flachlineal (einer Blattfeder). den Versuch"Tonhöhe aus und beschreiund Frequenz" mit einem eingespannten Flachlineal (einer Blattfeder). Führe den be ihn verständlich!

Versuch aus und beschreibe ihn verständlich!

Theorie: Kapitel 4.1.2. bis 4.1.5.

Methode:

Schreiben einer Versuchsanleitung Theorie: Kapitel 4.1.2. bis 4.1.5. bes. Hinweise: Schreiben Die 2 Aufgaben sich auf die Experimente 2.1.6.d) und 2.1.1.d) Methode: einerbeziehen Versuchsanleitung

bes. Hinweise: Die 2 Aufgaben beziehen sich auf die Experimente 2.1.6.d) und 2.1.1.d) b) Aufgabe: Begriffsnetz

b) Aufgabe: Begriffsnetz Beschreibung: Erstelle ein Begriffsnetz mit folgenden Kärtchen, die du ausschneidest und auf einem A4-Papier

Beschreibung: Erstelle ein Begriffsnetz mit folgenden Kärtchen, die du ausschneidest und auf möglichst sinnvoll verteilst, anordnest und mit Pfeilen deiner Wahl verbindest. Du darfst einen einem A4-Papier möglichst sinnvoll verteilst, anordnest und mit Pfeilen deiner Begriff selber hinzufügen und ein Kärtchen weglassen. Nummeriere alle Verbindungspfeile, die Wahl verbindest. Du darfst einen Begriff selber hinzufügen und ein Kärtchen dir wichtig erscheinen und schreibe in einer Tabelle zudie jeder zwei und Sätze. weglassen.

Nummeriere alle Verbindungspfeile, dirNummer wichtig maximal erscheinen schreibe in einer Tabelle zu jeder Nummer maximal zwei Sätze.

Tonhöhe

Lautstärke

Schwingungszeit

Tonhöhe Lautstärke Schwingungszeit Klangfarbe Saitenspannung Tonfrequenz Klangfarbe Saitenspannung Tonfrequenz (Kärtchen ausschneiden) (Kärtchen ausschneiden)

Schwingungsamplitude

Schwingungsamplitude Saitendicke Saitendicke

Blattfederlänge

Blattfederlänge

Nach 30 Minuten suchst du dir einen Partner oder eine Partnerin, mit der du vergleichst.

Bei Texten, diedir ihreinen beidePartner als richtig setzt mit ihr der ein du Kreuz, bei Nach 30 Minuten suchst du oder erachtet, eine Partnerin, vergleichst.

Bei den anderen ein Fragezeichen.

Texten, die ihr beide als richtig erachtet, setzt ihr ein Kreuz, bei den anderen ein Fragezeichen.

Kehre zurück ins Tischteam und diskutiert dort die Sätze mit den Fragezeichen.

Kehre zurück ins Tischteam und diskutiert dort die Sätze mit den Fragezeichen.

17 Material: Theorie: Methode:

Papier, Schreibzeug, Schere Kapitel 4.1.

Begriffsnetz / Einzelarbeit / Tischteam

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2.2. Schallausbreitung – oder was unterwegs so passieren kann 2.2.1. Visualisierung von Längs- und Querwellen

a) Experiment: La Ola im Schulzimmer Beschreibung: Die «Stadionwelle» ist ein schönes Beispiel, um das Fortpflanzungsprinzip einer Welle zu veranschaulichen. Alle stellen sich auf einer Kreislinie oder Halbkreislinie auf, den linken Arm ausgestreckt. Die Person am Anfang hebt den Arm und senkt ihn wieder. Die Person daneben führt dann sofort die gleiche Bewegung aus. Jeder Schüler/jede Schülerin führt der Reihe nach die gleiche Bewegung aus. Nachher haben alle ihren Arm wieder ausgestreckt. Wenn diese Grundübung «sitzt» lassen sich weitere Übungen zum Thema Wellen inszenieren.

Theorie: Kapitel 4.2.1.

Methode: Klassenversuch bes. Hinweise: Mit einer «Bewegungswelle» kann auch gezeigt werden, wie sich eine Welle in alle Richtungen ausbreitet und dass Information ohne Materietransport übertragen wird (ohne dass die Beteiligten Plätze tauschen oder sich in der Ausbreitungsrichtung der Welle verschieben müssen).

Je nach «Choreographie» kann man kleine und grosse Amplituden veranschaulichen. Wenn die Schülerinnen und Schüler eine geschlossene Kette bilden kann auch der Begriff der Periode resp. der Frequenz veranschaulicht werden

b) Experiment: Wellenmaschine Beschreibung: Falls eine Wellenmaschine vorhanden ist, kann man damit sehr schön zeigen, dass eine Anregung an einer Stelle ausreicht, um eine Welle auszulösen. Aufgrund der Kopplung der einzelnen Teilchen (veranschaulicht die Kräfte zwischen den Materieteilchen) pflanzt sich die Welle dann durchs Medium fort. Man kann auch sehr schön das Phänomen der Reflexion einer Welle demonstrieren. Die Wellenmaschine eignet sich vor allem zur Veranschaulichung von Querwellen.

Material: Wellenmaschine Theorie: Kapitel 4.2.1. und 4.2.2.

Methode: Demonstrationsversuch bes. Hinweise: Kann auch zur Veranschaulichung der Reflexion eingesetzt werden.

c) Experiment: Wasserwelle im Teich Beschreibung: Wird die Oberfläche eines ruhigen Gewässers durch einen Steinwurf gestört, wird ein Wasserwellenzug erzeugt, der sich konzentrisch von der Eintauchstelle des Steins weg bewegt.

Lege vor dem Steinwurf ein Kork- oder Styroporkügelchen auf die Wasseroberfläche, und beobachte, wie sich dieses beim Durchgang der Welle auf und ab bewegt. Es wird nicht mit der Welle fortgetragen! Das heisst, in einer Wasserwelle wird in der Ausbreitungsrichtung nicht Materie transportiert, sondern nur Energie. Die Welle äussert sich lediglich in einer Auf-/Abbewegung der Wasserteilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Querwelle). Je nach örtlichen Begebenheiten kannst du auch Reflexionen der Welle am Ufer sehen. Vielleicht kannst du sogar beobachten, dass Wasserwellen über Untiefen langsamer laufen als über tiefem Wasser. Sehr schön kannst du

18 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

das im Kinderbad eines Hallenbades beobachten, wenn dieses unterschiedlich tiefe Zonen hat.

Beschreibe deine Beobachtungen genau und fertige zur Veranschaulichung einige Skizzen an.

Material: Teich, grosses Wasserbecken oder Hallenbad am frühen Morgen, Steine, (mehrere) Kork- oder Styroporkügelchen Theorie: Kapitel 4.2.1.

Methode: Demonstrationsversuch oder Beobachtungsaufgabe bes. Hinweise: Genau genommen bewegt sich ein Korkstück auf einer Wasserwelle nicht nur auf und ab, sondern beschreibt eine kreisförmige Linie.

d) Experiment: Die Federschlange Beschreibung: Bei einer Firma, die Schraubenfedern produziert, eine Schraubenfeder von 3 m Länge mit der Federkonstante 1 N/m (d.h. die vertikal aufgehängte Feder wird um einen Meter länger, wenn ein Körper der Masse 100 g angehängt wird) kaufen!

Die Feder wird auf hintereinander gestellte Tischflächen gelegt, die Lehrperson (LP) hält sie an einem, eine assistierende Person (A) am anderen Ende. Die Klasse sitzt verteilt auf beiden Tischseiten. a) Longitudinalversuche A hält ihr Ende am gleichen Ort fest. LP zupft die Feder mit der freien Hand in Längsrichtung: Tempo des Laufs der Störung bestimmen, Spannung verändern. Reflexion beobachten. Was bewegt sich? Dämpfung diskutieren.

LP erzeugt durch rasche hin-her-Bewegung eine Longitudinalwelle, eventuell sogar eine stehende Welle.

A und LP lassen gleichzeitig eine Störung laufen: Durchdringung ohne gegenseitige Beeinflussung. b) Transversalversuche A hält Ende fest, LP lenkt ein Federstück mit der feien Hand rechtwinklig-seitlich aus und lässt die Störung laufen. Zuerst analog wie bei a) verfahren.

Dann erzeugen der Grundschwingung durch Schaukeln der Feder wie beim Seilspringen. LP erhöht die Anregungsfrequenz (horizontale Schwingung) bis sich die erste, zweite … Oberschwingung ausbildet.

A befestigt eine 50 cm lange Schur an seinem Ende und hält die Feder daran. Auf welcher Seite wird der Buckel einer Störung reflektiert bei losem Ende (mit Schnur), beim festgehaltenen Ende? Wie sieht eine Oberschwingung mit losem Ende aus?

LP schwingt die Feder horizontal hin und her. Zwei auf die Ellenbogen gestützte Unterarme auf beiden Seiten der Feder simulieren ein enges Tor. Vertikale Schwingungen laufen durch, horizontale nicht mehr (Polarisationsfilter).

LP schwingt sein Ende im Kreis und erzeugt dadurch eine Zircumpolarwelle. Was bewirkt das Polarisationsfilter?

Material: spezielle Schraubenfeder, mehrere Tische Theorie: Kapitel 4.2.1. und 4.2.2.

Methode: Demonstrationsversuch bes. Hinweise: Das Experiment kann auch mit dem «Slinki» oder sonst einer sehr weichen Feder durchgeführt werden. Eine sehr lange Feder (mehrere Meter) ist natürlich ideal.

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e) Experiment: gekoppelte Pendel Beschreibung: Zur modellhaften Veranschaulichung von Längswellen eignet sich eine Serie von gekoppelten Pendeln. Eine Serie von gleich schweren Plastilinkugeln kann an gleich langen Schnüren an einer horizontalen Stange aufgehängt werden. Die Schnüre werden im unteren Teil durch lockere Fäden mit ganz wenig Plastilin in ihrer Mitte («Kopplungskonstante») miteinander gekoppelt.

Wird nun die erste Kugel in Richtung der andern Kugeln ausgelenkt und in Schwingung versetzt, pflanzt sich diese Schwingung durch die Federn fort und es entsteht eine Längswelle, die alle Kugeln erfasst. Die so entstehenden «Dichtewellen» können beobachtet werden. Es kann auch untersucht werden, ob durch Veränderung der Massen von Kugeln oder «Kopplungskonstanten» unterschiedliche Frequenzen und Ausbreitungsgeschwindigkeiten erzielt werden können.

Material: Aufhängung, dünne Schnüre zum Aufhängen der Pendelkörper, Faden zur Koppelung, Plastilin Theorie: Kapitel 4.2.2.

Methode: Demonstrationsversuch oder Projekt bes. Hinweise: Die Anordnung kann statt mit Kopplungsfäden – allerdings bei mehr Aufwand – mit Pendelkugeln (mit seitlichen Haken oder Ösen) und Kopplungsfedern dazwischen gebaut werden. Wenn Transversalschwingungen unerwünscht sind, können die Pendelkörper bifilar (vgl. Kap. 2.1.6 d) an zwei parallelen Stangen aufgehängt werden.

2.2.2. Die Rolle des Mediums a) Experiment: Luft ist mehr als «nichts» Beschreibung: Mit zwei gleichen Stimmgabeln kann die Übertragung des Schalls durch die Luft indirekt nachgewiesen werden. Person A hält eine Stimmgabel an ihr Ohr und konzentriert sich darauf. Person B bringt in der Nähe eine gleiche Stimmgabel zum Tönen, dämpft sie dann aber sofort wieder mit der Hand bis sie nicht mehr schwingt. Schreibt auf, was ihr feststellt und erklärt!

Zusatzexperiment: Wickelt bei einer der Stimmgabeln etwas Blumendraht um eine ihrer Zinken.

Wiederholt nun den Versuch. Was ist anders? Warum?

Material: 2 gleiche Stimmgabeln Theorie: Kapitel 4.2.4.

Methode: Schulterpaare bes. Hinweise: Dieses Experiment wird am besten in einem separaten, ruhigen Raum ausgeführt. Das Experiment gelingt natürlich nur, wenn die beiden Stimmgabeln aufeinander abgestimmt, also in Resonanz sind. Im Zusatzexperiment kann – anstatt eine der Gabeln zu verstimmen – eine solche mit einer anderen Frequenz genommen werden. Das Experiment gelingt auch, wenn die Person B durch einen Lautsprecher an einem Tonfrequenzgenerator mit kräftiger Verstärkung ersetzt wird (Tonhöhe ändern bis zur Resonanz).

b) Experiment: ohne Luft kein Ton Beschreibung: Halte die Wahrnehmung der Lautstärke des Alarms eines Weckers in unterschiedlichen Situationen fest. Löse dazu den Alarm des (zeitprogrammierten) Weckers zuerst auf einem Tisch im Schulzimmer, dann in einem nicht evakuierten und zuletzt in einem durch eine Wasserstrahlpumpe evakuierten Exsiccator (Rezipienten) aus. Was fällt auf? Wie lässt sich dieses Verhalten erklären?

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Material: Wasserstrahlpumpe, Schlauch, Exsiccator, kleiner Taschenwecker.

Theorie: Kapitel 4.2.4.

Methode: Tischteam oder Posten für Lernen an Stationen bes. Hinweise: Die Lautstärke des Alarms wird jedes mal geringer. Mit einer Wasserstrahlpumpe erreicht man einen Druck von ca. 25 mbar, was ausreicht um einen deutlichen Effekt zu erzielen.

2.2.3. Schwingende Luftsäulen a) Experiment: Wir machen die Schwingungen der Luft sichtbar Beschreibung: In eine Glasröhre (ca. 5 cm Durchmesser und 50 bis 100 cm Länge) gibst du mit Hilfe einer dünnen Leiste feinen Korkstaub (oder Lycopodium) und verteilst ihn über die ganze Rohrlänge. Vorsichtiges, leichtes Schütteln oder Kippen hilft bei der gleichmässigen Verteilung. Sobald dies erreicht ist, positionierst du am einen Ende des Glasrohrs den Lautsprecher direkt vor die Öffnung. Mit Hilfe des Frequenzgenerators kannst du jetzt einen Ton in die Röhre schicken, der am anderen (offenen) Ende reflektiert wird. Erhöhe nun langsam die Frequenz (evtl. auch die Lautstärke) und beobachte dabei das Pulver in der Röhre. Notiere dir den Abstand (mit dem Lineal messen!) zwischen den Bäuchen, wenn ein Muster aus Knoten und Bäuchen zu beobachten ist. Versuche möglichst viele Frequenzen zu finden, bei welchen ein Muster im Pulver auftritt und notiere dir jeweils die Abstände. Was fällt auf?.

Material: Glasrohr, Korkstaub oder Lycopodium (=Bärlappsporen), Frequenzgenerator, Lautsprecher, Massstab.

Theorie: Kapitel 4.2.3. und 4.2.4.

Methode: Posten für Lernen an einer Station. bes. Hinweise: Das Kundt'sche Rohr ist eine weit verbreitete Versuchsanordnung, um Schallwellen (respektive die dazugehörigen örtlichen Druckschwankungen von stehenden Schallwellen) sichtbar zu machen. Bei gewissen Frequenzen (abhängig von der Rohrlänge) bildet sich eine stehende Welle.

In den Wellenbäuchen wird dadurch der feine Korkstaub aufgewirbelt, was die stehende Welle sichtbar macht. Aus dem Produkt des doppelten Abstandes zwischen zwei Knoten oder Bäuchen (Wellenlänge) und der Frequenz kann die Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Das Experiment gelingt nur, wenn das Rohr entfettet und ganz trocken ist (Föhn). Die zusätzlich beobachtbaren feinen Rippen im Pulvermuster entstehen auf Grund von feinen Luftwirbeln an der Rohrwand.

Vorsicht: Einige Personen reagieren allergisch auf Lycopodium (Heuschnupfensymptome)!

b) Experiment: Die singende Röhre: Luft in einem Rohr zum Schwingen anregen!

Beschreibung: Tauche ein auf beiden Seiten offenes Rohr (50 cm) ganz in ein hohes mit Wasser gefülltes Gefäss (z.B. Messzylinder). Halte dabei eine tönende Stimmgabel oder einen Lautsprecher (Tonfrequenz mindestens 1000 Hz) über die Rohröffnung. Merke dir die aus dem Wasser ragende Rohrlänge, bei welcher der Schall stärker wird (verschiebe dazu das offene Rohr nach oben und unten, bis du eine Position gefunden hast, in welcher der Schall besonders stark ist). Lies den Text im Kasten und studiere die Abbildungen.

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Die Schallverstärkung erfolgt, wenn die Luftsäule in

Resonanz schwingt.

Du findest zwei Resonanzlängen Die Schallverstärkung erfolgt, wenn die Luftsäule in die zur Grundschwingung und zur ersten l0 und l1, schwingt.

Resonanz Du findest zwei Resonanzlängen l0 Oberschwingung gehören. Da wo das Rohr offen ist, und l1, die zur Grundschwingung und zur ersten Oberbewegen sich die Luftmoleküle schnell hin und her schwingung gehören. Da wo das Rohr offen ist, bewegen (Bewegungsbauch), bei den "Knoten" stehen sie still. sich Luftmoleküle schnellentspricht hin und her der (BewegungsDerdie Abstand der Knoten halben bauch), bei den «Knoten» stehen sie still.

Der Abstand Wellenlänge der Schwingung.

DerKnoten Ton der Stimmgabel erzeugt eine Schallwelle, die der entspricht der halben Wellenlänge der durch das Rohr läuft und zuerst an der Schwingung.

Wasseroberfläche und dann an der oberen Öffnung Der Ton der Stimmgabel erzeugt eine Schallwelle, die reflektiert wird. Durch mehrere Überlagerungen der an durch das Rohr läuft und zuerst an der Wasseroberfläden Rohrenden reflektierten Schallwellen entsteht che und dann an der oberen Öffnung reflektiert etwas, das "stehende Welle" heisst, aberwird. nur, wenn Durch mehrere Überlagerungen der an den Rohrenden die Rohrlänge gerade passend ist. Dadurch, dass die Schallwellen an den Rohrenden reflektiert werden, reflektierten Schallwellen entsteht etwas, das «steüberlagern dieaber gegeneinander laufenden hende Welle» sich heisst, nur, wenn die Rohrlänge Wellenzüge, sichdass teilweise gegenseitig gerade passendlöschen ist. Dadurch, die Schallwellen an aus oder verstärken sich. Wenn die Luftsäule im oben den Rohrenden reflektiert werden, überlagern sich die offenen Rohr gerade ein halbe oder ¾ einer gegeneinander Wellenzüge, löschen sich Wellenlänge laufenden ist, beginnt sie im Takt der Stimmgabel teilweise gegenseitig aus oder verstärken sich.

Wenn die mitzuschwingen, sie resoniert. Auf der geschlossenen Luftsäule im oben offenen Rohr gerade ⅟4 oderbewegen. ¾ einer Dort Seite können sich die Luftteilchen nicht entsteht einist,"Wellenknoten", am Ende bilden Wellenlänge beginnt sie im Takt deroffenen Stimmgabel sich Schwingungsmaxima.

Dieder Maxima sind die Orte, mitzuschwingen, sie resoniert. Auf geschlossenen an denen maximale Luftteilchenbewegungen Seite können sich die Luftteilchen nicht bewegen. Dort auftreten, sie werden Schwingungsbäuche genannt. entsteht «Wellenknoten», Ende bilden nur An den ein Minima bewegen am sichoffenen die Luftmoleküle sich Schwingungsmaxima.

Die Maxima sind die Orte, an minimal, sie heissen Schwingungsknoten.

Beachte, denen maximale Luftteilchenbewegungen sie dass sich Luftteilchen nie senkrecht auftreten, zur Schallausbreitungsrichtung bewegen. werden Schwingungsbäuche genannt.

An denKnoten Minimasind also Luftverdichtungen, Bäuchenur dasminimal, Gegenteil davon. bewegen sich die Luftmoleküle sie heissen Schwingungsknoten. Beachte, dass sich Luftteilchen nie senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung bewegen.

Knoten sind also Luftverdichtungen, Bäuche das Gegenteil davon.

http://leifi.physik.uniA muenchen.de/web_ph11/versuche/12stehwel /stehend.htm B A und B Die Wellen A und B verstärken sich (konstruktive Interferenz).

A B A und B Die Wellen A und B löschen sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz).

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph11/versuche/12stehwel/stehend.htm

Material:

Rohr (ca. 50 cm Länge), grosser Messzylinder, Stimmgabel (1000 Hz oder mehr), evtl. Lautsprecher und Frequenzgenerator.

Theorie: Kapitel 4.2.2. bis 4.2.4. und 4.2.20.

Methode: Posten für Lernen an einer Station bes. Hinweise: siehe auch http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph11/versuche/12stehwel/stehend.htm.

Geübte Sänger und Sängerinnen können dieses Resonanzphänomen auch in kleinen geschlossenen Räumen (z.B. Badezimmer) hervorrufen. Wird ein Ton gesungen und die Tonhöhe dann allmählich verändert, hört man bei einer bestimmten Tonhöhe die Resonanz. Man kann dann Material: Rohr (ca.Aufwand 50 cm Länge), grosser Messzylinder, Stimmgabel (1000 oder mehr), mit ganz wenig einen ziemlich lauten Ton singen! Mit etwas Übung findetHz man auch die ev.

Lautsprecher und Frequenzgenerator.

Obertöne dazu.

Kapitel 4.2.2. bis 4.2.4. und 4.2.20.

Theorie:

Methode: Posten für Lernen an einer Station bes. Hinweise: siehe auch http://leifi.physik.unic) Exkursion: Die Orgel muenchen.de/web_ph11/versuche/12stehwel/stehend.htm. Geübte Sänger und Sängerinnen können dieses Resonanzphänomen auch in kleinen geschlossenen Beschreibung: Es gibt eine Vielzahl von Instrumenten, welche darauf basieren, Luftsäulen in Schwingung zu versetzen und dabei verschiedene Tonhöhen zu erzielen. Das vielleicht faszinierendste Instrument

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22 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

ist in diesem Kontext die Orgel. Die Besichtigung einer Orgel kann dazu dienen, verschiedene Aspekte der Schallerzeugung und der Schallausbreitung zu erläutern. Da in fast allen Dörfern Kirchenorgeln vorhanden sind, ist eine solche Besichtigung recht leicht möglich. Die meisten Organistinnen und Organisten sind sehr gerne bereit ihr Instrument zu zeigen und zu erläutern.

Theorie: Kapitel 4.2.3. und 4.2.4. und 4.2.20.

Methode: Ausserschulischer Lernort bes. Hinweise: Falls man eine Orgel besichtigen kann, lohnt es sich auch gleich auf die Raumakustik (vgl. Kapitel 4.2.13.) und den Nachhall zu achten.

2.2.4. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien a) Experiment: Schallgeschwindigkeit in Luft Beschreibung: Klatsche in ca. 100 m Entfernung von einer grösseren Wand (z. B. Turnhalle) die Hände oder zwei Bretter gegeneinander (Startklappe) und achte auf das Echo. Stoppe die Zeit, die vom Klatschen bis zum Eintreffen des Echos verstreicht und miss die Distanz zur Wand. Berechne daraus die Schallgeschwindigkeit c in Luft (Distanz · 2)/ Zeit = c.

Material: Stoppuhr, Messband, grosse Wand Theorie: Kapitel 4.2.4. und 4.2.6.

Methode: Lernen an einer Station bes. Hinweise: Bei der Ausführung des Experimentes ist auf eine gute Koordination des ganzen Messvorgangs zu achten. Dies soll ausgenutzt werden, um Kompetenzen zu fördern, die mit der Planung, Ausführung und Auswertung von Experimenten zu tun haben.

Versuchsvariante: Eine Person schlägt mit einem Vorschlaghammer am Rande einer Wiese einen Pfosten ein. Die Schläge müssen im Sekundenrhythmus geführt werden. Eine zweite Person gibt den Takt. Der Vorgang wird aus 165 bis 170 m Entfernung beobachtet und ausgewertet. Das Experiment mit dem Vorschlaghammer ist eindrücklich, weil der Hammerschlag immer dann ertönt, wenn der Hammer angehoben ist. Kinder aus bäuerlicher Umgebung beobachten das mit Erstaunen und erzählen in der Schule davon. Vielerorts lässt sich das Experiment durch die LP fest einrichten und das Einschlagen des Pfostens direkt vom Schulzimmer aus beobachten. Spannend ist dabei eine Handy-Verbindung.

b) Experiment: Schallgeschwindigkeit in Stahl Beschreibung: Spanne eine Stahlstange (z. B. Stativstange oder eine Alu-Schiene) von ca. 1 m Länge in der Mitte mit einer Stativklemme ein. Schlage sie dann seitlich in Längsrichtung mit einem Hammer an. Es ertönt ein Klang, aus welchem du die Frequenz eines relativ hohen Tones heraushören kannst.

Vergleiche seine Tonhöhe mit einer Stimmgabel von 440 Hz. Schätze ab, um wie viele Oktaven er höher ist. (Du kannst auch einen Tonfrequenzgenerator zu Hilfe nehmen, falls vorhanden.) Da eine Oktave immer der doppelten Frequenz entspricht, kannst du die Frequenz des durch den Schlag erzeugten Tones ungefähr angeben. Die Eigenschwingung eines Stabes hat eine Wellenlänge von zwei Stablängen, diese beträgt also 2 m bei einem Stab von 1 m Länge. Die Schallgeschwindigkeit im Stab ist gleich der Wellenlänge multipliziert mit der Frequenz.

Material: Stativstange, Klemme, Hammer, Stimmgabel oder Gerät zur Frequenzbestimmung.

Theorie: Kapitel 4.2.6.

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 23

Methode: Demonstrationsversuch oder Lernen an einer Station bes. Hinweise: Der Ton hat eine Frequenz von grob geschätzt 2000 bis 3000 Hz. Er ist etwa 2–3 Oktaven höher als der Kammerton der Stimmgabel. Für 2500 Hz ergibt dies also etwa 2500 Schwingungen pro s.

Das heisst: die Schallwelle legt (bei einer Stablänge von 1 m) 5000 m/s zurück.

Die Schallgeschwindigkeit kann mit einer sehr guten elektronischen Stoppuhr – gesteuert durch zwei an den Stabenden festgeklemmten Piezomikrofonen – direkt gemessen werden (vgl. Experiment 2 im iLab). Wird der Stab an einem Ende rechtwinklig angeschlagen kann zusätzlich seine viel kleinere Transversalwellengeschwindigkeit bestimmt werden. Wird bei dieser Anordnung vor dem Stabanfang durch eine Stoppklappe ein Knall erzeugt, lässt sich auch die Schallgeschwindigkeit in Luft bestimmen.

2.2.5. Schallwellen erlauben einen «Blick» in verborgene Welten a) Experiment: Schallübertragung von Wasser auf Luft Beschreibung: Verpacke eine Weckeruhr oder ein Handy wasserdicht, nachdem du den Alarm auf einige Minuten später gestellt hast. Lege das Gerät in ein Aquarium mit Wasser. Halte das Ohr zuerst direkt an die Glaswand, wenn der Alarm losgegangen ist, dann einige Zentimeter weiter von ihr weg.

Was stellst du fest? Kannst du deine Beobachtung erklären?

Material: Wasserdichte Uhr/Wecker/Handy, «Aquarium», mit Wasser gefüllt Theorie: Kapitel 4.2.11.

Methode: Tischteam oder Demonstrationsexperiment bes. Hinweise: Die Übertragung der Schallwellen von Wasser auf Luft funktioniert schlecht. Die Schallübertragung vom Glas über den Kopf auf das Ohr ist besser.

b) Aufgabe: Ein Blick ins Erdinnere Beschreibung: Studiere einen Theorieauszug über Erdbebenwellen.

1. Studiere die unten aufgeführten Abbildungen. Sie beschreiben den Aggregatzustand von MaUnterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab terialien (f: fest, l: flüssig, g: gasförmig) und wie sie räumlich zueinander angeordnet sind.

f a)

g f

f

b)

g c)

f

l d)

Der rote Pfeil gibt den Ursprung einer Schallwelle/Schockwelle an. Überlege dir

Der rote Pfeil gibt den Ursprung einer Schallwelle/Schockwelle an. Überlege dir wo und ob wo und ob man auf der gegenüberliegenden Seite Querwellen und/oder man auf der gegenüberliegenden SeiteZeichne Querwellen und/oder Längswellen Längswellen registrieren kann. deine Antworten ein undregistrieren begründekann. sie!

Zeichne deine Antworten ein und begründe sie!

2. Betrachte die schematische Abbildung des Querschnitts der Erde und die eingezeichneten 2. Betrachte die schematische Abbildung des Wie Querschnitts der Erde und Epizentrum Zonen. ist es zu erklären, dass aufdie der gegenüberliegenden Seite der Erde nicht alle Erdeingezeichneten Zonen.

Wie ist zu zusammengesetzt sein, damit es zu diesem bebenwellen ankommen?

Wie muss deres Erdkern Serklären, dass auf der Verhalten kommt?

Wellen

gegenüberliegenden Seite der Erde nicht alle Erdbebenwellen ankommen? Wie muss der Erdkern zusammengesetzt sein, damit es zu diesem Verhalten kommt?

24 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

???

Der rote Pfeil gibt den Ursprung einer Schallwelle/Schockwelle an. Überlege dir n Ursprung einer Schallwelle/Schockwelle dir wo und ob man aufan. derÜberlege gegenüberliegenden Seite Querwellen und/oder der gegenüberliegendenLängswellen Seite Querwellen und/oder registrieren kann. Zeichne deine Antworten ein und begründe sie! eren kann. Zeichne deine Antworten ein und begründe sie!

2. Betrachte die schematische Abbildung ematische Abbildung des Querschnitts der Erde und die Epizentrum r Erde und die eingezeichnetenEpizentrum Zonen. Wie ist es zu Snen. Wie ist es zu erklären, dass auf der Wellen Ser gegenüberliegenden Seite der Erde nicht Wellen Seite der Erde nicht alle Erdbebenwellen ankommen? Wie ankommen? Wie muss der Erdkern zusammengesetzt sein, ??? usammengesetzt sein, damit es zu diesem Verhalten kommt? ???

Verhalten kommt?

Schattenzone S-Wellen Schattenzone S-Wellen

Theorie: Kapitel 4.2.11., 4.2.12. und 4.2.17.

Theorie: Kapitel 4.2.11., 4.2.12. und 4.2.17.

2. und Methode: 4.2.17.

Lernaufgabe bes. Hinweise: Bearbeitung sollten die theoretischen Grundlagen aus dem Kapitel 4.2.17. in Methode: ZurLernaufgabe ten die theoretischen Grundlagen aus dem Kapitel 4.2.17. in gestellt schülergerechter Form zur werden allerdings ohne in dieschülergerechbes. Hinweise: Zur Bearbeitung sollten dieVerfügung theoretischen Grundlagen aus–dem Kapitel 4.2.17. rm zur Verfügung gestellt werden – allerdings ohne die Abbildung mit der Schattenzone.

Diese wird dann zur Bearbeitung von Teil 2 ter Form zur Verfügung gestellt werden – allerdings ohne die Abbildung mit der Schattenzone. chattenzone. Diese wirdnachgeliefert. dann zur Bearbeitung von Teil 2 Diese wird dann zur Bearbeitung von Teil 2 nachgeliefert.

c) Aufgabe: Ein Blick in die Tiefe des Meeres es Meeres c) Aufgabe: Ein Blick in die Tiefe des Meeres Beschreibung: a) Versucht über das Internet herauszufinden, wie mit einem Echolot die Tiefe von Beschreibung: wie a) Versucht über das Internet herauszufinden, wiedabei mit einem Echolot die Tiefe von Gewässern s Internet herauszufinden, mit einem Echolot die Tiefe von spielen Gewässern ermittelt wird.

Welche Rolle die Schallgeschwindigkeit in wird. Welche Rolle spielen dabei diedie Schallgeschwindigkeit ermittelt wird.

Welche Rolle spielen dabei die Schallgeschwindigkeit Wasser und die geWasser und gemessene Zeit (dieinsogenannte Laufzeitmessung)?inEntwickelt essene Zeit (die sogenannte Laufzeitmessung)?

Entwickelt dazu eine geeignete für die Berechnung der Wassertiefe. messene Zeit (dieFormel sogenannte Laufzeitmessung)?

Entwickelt dazu eine geeignete Formel für Formel für die Berechnung der dieWassertiefe.

Berechnung der Wassertiefe. b) Der Seegrund Flächenstück Wasseroberfläche b) Der Seegrundunter untereinem einem quadratischen quadratischen Flächenstück derder Wasseroberfläche von 1000 m er einem quadratischenvon Flächenstück der Wasseroberfläche 1000 m Seitenlänge wurde mit dem Echolot vermessen.

Seitenlänge wurde mit dem Echolot vermessen. nge wurde mit dem Echolot vermessen.

6

06 05 04 03 02 01

18

06 07 05 08 07 18 19 30 31 04 09 08 17 20 29 32 03 10 09 16 21 28 33 02 11 10 15 22 27 34 01 iLab 12 11 Unterlagen 14 23zur Nachbearbeitung 26 35 Schalllabor 12 25 12 13 1 24 36

18 17 16 15 14 13

19 20 21 22 23 24

30 29 28 27 26 25

31 32 33 34 35 36

Das Messschiff seine 1.

Messung Quadratecke, dann bewegte machte Das Messschiff machte seinean 1. einer Messung an einer Quadratecke, dann bewegte es sich eies sich einer Quadratseite entlang und machte immer nach 200 m eine ner Quadratseite entlang und machte immer nach 200 m eine Laufzeitmessung. Nach der 6.

Laufzeitmessung.

Nach der fuhr es einem Winkel vonrechts 90 Grad Messung fuhr6. esMessung in einem Winkel vonin90 Grad 200 m nach zum 200 nächsten Messpunkt 7. m nach rechts zum nächsten Messpunkt 7.

Dort drehte es wieder um 90 Grad Dort drehte es wieder um 90 Grad nach rechts und weiter ging es bis zum Messpunkt 12… und nach rechts und weiter ging es bis zum Messpunkt 12… und dann wie in der 25zur letzten dann wie in der Abbildung bis Quadratecke, dem Messpunkt 36. Dabei entstand Abbildung bis zur letzten Quadratecke, dem Messpunkt 36. Dabei entstand 25 folgende Messtabelle für die Laufzeiten der Schallimpulse in Zehntelsekunden. folgende Messtabelle für die Laufzeiten der Schallimpulse in Zehntelsekunden.

13.0 12.7 13.8 13.5 13.1 12.0

13.5 13.0 12.6 13.0 12.2 12.1

14.0 13.8 13.2 13.1 12.5 12.4

14.2 14.1 14.0 4.3 13.0 12.8

15.0 14.9 14.5 13.8 13.4 13.0

14.8 15.0 14.7 14.1 13.9 13.5

Teilt die Kolonnen der Messwerte untereinander auf und berechnet dann die Wassertiefen.

Zur Kontrolle übernimmt jemand von euch die Punkte auf den Diagonalen. Die Resultate werden verglichen und am Schluss in einer Tabelle wie oben festgehalten.

Teilt die Kolonnen der Messwerte untereinander auf und berechnet dann die Wassertiefen. Zur Kontrolle übernimmt jemand von euch die Punkte auf den Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 25 Diagonalen. Die Resultate werden verglichen und am Schluss in einer Tabelle wie oben festgehalten.

c) Vielleicht ist es euch aufgefallen, dass es unter den Messwerten einen komischen Wert (Ausreisser) gibt! Markiert ihn! Wie konnte ein solcher Wert entstehen, obwohl die Apparatur immer korrekt funktioniert hat? d) Welches ist der tiefste aller Punkte unter der ausgemessenen Seeoberfläche?

Erstellt für jede Kolonne und für die erste und sechste Reihe je eine Grafik, aus der hervorgeht, wie hoch jeder Punkt über dem tiefst gelegenen Seepunkt liegt. Macht miteinander ab, welchen gemeinsamen Massstab ihr für diese Grafiken wählen wollt. Der tiefste Seepunkt bestimmt in jeder der acht Grafiken die Lage der x-Achse. e) Die Form der acht Grafiken (Bodenschnitte) wird auf Karton übertragen und ausgeschnitten.

Wenn ihr sie richtig auf ein massstabgleiches Kartonquadrat klebt, könnt ihr mit Sand das Bodenprofil nachbauen.

Material: Karton, Scheren, paralleles Raster (z.B. Holzbrett mit eingesägten parallelen Kerben) zum befestigen der einzelnen Kartonausschnitte.

Theorie: Kapitel 4.2.12. und 4.2.15.

Methode: Projekt bes. Hinweise: Effekte die bei solchen Messungen zu Fehlern führen: sehr steile Flanken am Boden, Fischschwärme, U-Boote, Unterwasserströmungen, etc.

Wenn genügend Zeit vorhanden ist, kann die Aufgabe z.B. so formuliert werden: «Erstellt ein Bodenprofil aus einer vorgegebenen Laufzeitmesstabelle eines Echolots!» Die Ausführung obliegt dann der Projektgruppe.

2.2.6. Was hörst du? a) Hörtest Beschreibung: Untersuche mit einem Frequenzgenerator und einem Lautsprecher deinen Hörbereich bezüglich der Frequenzen verschieden hoher und evtl. auch unterschiedlich lauter Töne! Dokumentiere deine Feststellungen!

Material: (PC-)Tonfrequenzgenerator, Test CD und Player oder PC für Online Test, Kopfhörer oder Lautsprecher Theorie: Kapitel 4.2.9. und 4.3.1.

Methode: Posten für Lernen an einer Station bes. Hinweise: Es gibt verschiedene Anbieter von CDs oder anderem Audiomaterial, welches Töne und Geräusche in unterschiedlichen Lautstärken und Frequenzbereichen abspielt. Es gibt auch online Hörtests, die zum Teil ganz gut sind (z.B. http://www.earaction.de/).

b) Experiment: wie tönen verschiedene Räume Beschreibung: Erzeuge in verschiedenen Räumen (Schulzimmer, Turnhalle, langer Korridor, Kirche, Besenkammer, Dusche) Geräusche (z.B. Schritte, Klatschgeräusche, gesungene Töne). Was fällt dir auf?

Versuche deine Wahrnehmung möglichst präzise zu beschreiben und zu vergleichen. Beachte auch den Nachhall und Echos. In grösseren Räumen kannst du versuchen den Nachhall zu messen (in s). In einer Turnhalle hörst du vielleicht, wie ein Schallimpuls zwischen den Wänden hin und her pendelt.

Experimentiere auch mit geschlossenen Augen. Nimm unterschiedliche Positionen ein, z.B. nahe an einer Wand oder in einer Ecke.

26 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Theorie: Kap. 4.2.12. und 4.2.13.

Methode: Klassenversuch, Forschungsvorhaben, Lernen an einer Station bes. Hinweise: Solche Experimente sind auch geeignet, um in einer Klasse «absolute» Stille zu üben, zu ertragen und bewusst zu machen, dass wir nirgends ganz vor Umgebungsgeräuschen (Lärm) geschützt sind.

Im Rahmen eines Projekts können Hörbilder verschiedener Orte zu unterschiedlichen Tages und Nachtzeiten aufgenommen werden. Mit diesen Klangkonserven könnte dann im Schulzimmer sogar ein Klangkonzert improvisiert werden.

(vergleiche auch bes. Hinweise zum Experiment «Die singende Röhre», Kap. 2.2.3. b)

c) Experiment: drinnen und draussen Beschreibung: Mit einem Tonfrequenzgenerator wird ein Ton erzeugt und dann immer leiser gemacht. Die Zuhörenden sollen sich im Zimmer darauf einigen, wann die Lautstärke nur noch halb so gross ist. Anschliessend wird das Experiment im Freien (ohne reflektierende Wände und Personen) wiederholt. Dann wird wieder die Originallautstärke eingestellt und der Abstand (zwischen Lautsprecher und Ohr) so vergrössert, dass der Ton nur noch halb so laut erscheint.

Die Resultate der drei Versuche werden möglichst genau und individuell dokumentiert und dann diskutiert.

Material: PC oder Tonfrequenzgenerator (siehe auch Vorangestellt A) Theorie: Kapitel. 4.2.9.

Methode: Forschungsvorhaben bes. Hinweise: Dieses Projekt steht in engem Zusammenhang mit dem Experiment 2.2.8.b). Im Freien ergibt sich ein anderes Abstandsgesetz (Halbierung der Lautstärke bei ca. –6dB) als in einem Raum mit reflektierenden Wänden (Halbierung der Lautstärke bei ca. –3dB)

2.2.7. Schalldämmung und Schalldämpfung im Kleinen a) Experiment: Die tickende Uhr Beschreibung: Lege eine tickende Armbanduhr auf einen Tisch. Halte das eine Ohr auf die Tischplatte, während das andere Ohr zu gehalten wird. Was hörst du? Lege die Uhr nun auf den Wandtafelschwamm und höre wiederum mit dem Ohr auf der Tischplatte. Was stellst du fest? Versuche zu erklären!

Material: tickende Armbanduhr, Tisch, Wandtafelschwamm, Gehörschutzpfropfen Theorie: Kapitel 4.2.11.

Methode: Lernen an einer Station bes. Hinweise: Weiche, poröse Stoffe sind geeignet für die Schalldämmung. Tipp: Man kann für das Verschliessen des Ohres Standard-Gehörschutzpfropfen verwenden. Dadurch wird das Prinzip im gleichen Experiment gleich zweimal gezeigt.

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b) Experiment: Der leise Wecker Beschreibung: Lasse den Alarm eines Weckers erklingen, lege ihn dann in einen Schuhkarton und vergleiche die Lautstärke mit und ohne Deckel. Teste dann verschiedene Füllungen (Schaumstoff, Styropor, Papier, etc.) und vergleiche die wahrgenommenen Lautstärken. Versuche deine Beobachtungen zu erklären.

Material: Wecker, Schuhkarton, Füllmaterialien Theorie: Kapitel. 4.2.14.

Methode: Demonstrationsversuch oder Lernen an einer Station bes. Hinweise: Man erhält auch kombinierte Effekte (Schalldämmung und Schalldämpfung), die zur Veranschaulichung des Prinzips der Schallabsorption geeignet sind. In der leeren Schachtel können unter Umständen auch Resonanzphänomene auftreten.

c) Auftrag: Beeinflussung der Raumakustik Beschreibung: a) Versuche anhand der Bilder von Räumen (aus dem Internet) herauszufinden, was zur Schalldämpfung in einem Raum beiträgt. b) Suche im Internet nach Bildern, die besondere Materialien zur Schalldämpfung und ihre Verwendung zeigen. c) Analysiere zwei Räume zu Hause bezüglich Raumakustik. Hallt es oder ist es besonders ruhig? Warum? d) Mache Vorschläge zur Umgestaltung von Räumen in deiner Umgebung, die du akustisch als unangenehm empfindest. e) Wie wird in Grossraumbüros oder Bibliotheken eine gedämpfte Akustik erzielt?

Material: Internetzugang Theorie: Kapitel 4.2.13 und 4.2.14.

Methode: Evidenzen sammeln oder Tischteam und GiveOne – GetOne

2.2.8. Schallpegel a) Experiment: Schallpegelmessungen Beschreibung: Schreibt eine Liste mit fünf alltäglichen Geräuschen, deren Lautstärke ihr vergleichen möchtet.

Beispiele: Pausenglocke, Lärm auf dem Pausenplatz, ruhiges Schulzimmer, vorbeifahrendes Auto, Musik aus Radio, schreiender Mensch. Ermöglicht nun für jedes der Beispiele eine konkrete Situation für eine Schallpegelmessung. Beschreibt sie! Berücksichtigt dabei auch die Distanz zur Schallquelle.

Ordnet die Beispiele auf eurer Liste nach der Lautstärke, die ihr erwartet. Was tönt wohl am lautesten, was ist besonders leise? Führt dann die Messungen in dieser Reihenfolge aus. Die Resultate schreibt ihr in die Liste. Vergleicht mit eurer Schätzung!

Material: CD-Player mit Lautsprecher, Schallpegelmessgerät (einfache Geräte sind schon für weniger als 100 Franken im Handel erhältlich) Theorie: Kapitel 4.2.9.

Methode: Posten für Lernen an Stationen bes. Hinweise: Die Schätzung vor der Messung kann aufschlussreich sein, da «angenehmer Schall» wie Musik

28 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

oft als weniger lautstark empfunden wird als «unangenehmer Lärm» (Risiko für Hörschäden).

Schallpegelmessungen sind immer situativ (z.B. Raumverhältnisse) und besonders im freien Umfeld distanzabhängig. Das Lautstärkeempfinden wird hauptsächlich durch den Schalldruck (1/r – Abstandsgesetz) und weniger durch die Schallintensität (1/r2 – Abstandsgesetz) bestimmt.

Bei den Messungen ist also auf die Distanz zur Quelle zu achten.

b) Experiment: Distanzabhängigkeit des Schallpegels Beschreibung: a) Stellt einen CD-Player in einer ruhigen Tageszeit in die Mitte eines menschenleeren Fussballfeldes. Messt in zunehmenden Abständen (1m, 2m, 3m …) den Schallpegel des gleichen Ausschnitts eines dynamisch ruhigen Musikstücks. Erstellt eine Grafik für den Schallpegel versus Abstand. b) Wiederholt das Experiment zuerst mit dem CD Player dann mit einem Rauschgeräusch (Wasserlaufen lassen im Waschbecken) in einem leeren Schulzimmer. Vergleicht auch mit a) und diskutiert die Unterschiede.

Material: CD-Player mit Lautsprecher, Schallpegelmessgerät (einfache Geräte sind schon für weniger als 100 Franken im Handel erhältlich), Messband Theorie: Kap. 4.2.9.

Methode: Forschungsvorhaben, Projekt bes. Hinweise: Im Schulzimmer eignet sich ein Rauschen am besten, weil so Resonanzphänomene minimiert werden können.

2.2.9. Lärm a) Aufgabe: Lärminventar Beschreibung: Erstelle eine Liste mit Geräuschen welche du als unangenehm oder als Lärm empfindest. Beschreibe das Geräusch und die Umgebung und Situation in der du dich bei seinem Auftreten befindest! Begründe individuell, warum du das Geräusch als störend oder als Lärm empfindest.

Theorie: Kapitel 4.2.14.

Methode: Evidenzen sammeln und GiveOne – GetOne bes. Hinweise: Nicht nur die Lautstärke von Geräuschen am falschen Ort sind störend, auch die Tonhöhe spielt eine Rolle. Durch Vergleich der Listen kann verdeutlicht werden, dass die Wahrnehmung von Lärm subjektiv und situationsabhängig ist. Anschliessend lässt sich diskutieren, wo relativ leicht Lärm vermieden werden könnte, respektive in welchen Umgebungen Lärm besonders heikel ist.

Interessante Informationen finden sich auch unter

http://www.laermorama.ch/laermorama/modul_laerm_betroffen/definition_v.html

b) Projekt: Musik in den Ohren Beschreibung: Einzelarbeit: Lies den Text auf Seite 30.

Partnerarbeit: Welche Bedeutung hat Lärm im Leben eines Schülers/einer Schülerin? a) Entwerft ein Plakat, mit dem ihr eure Kollegen und Kolleginnen auf drei Gefahren aufmerksam macht und Empfehlungen für richtiges Verhalten abgebt.

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Material: Theorie: Methode:

b) Erarbeitet eine Meinungsumfrage (Fragebogen, Interview) mit dem Thema: Was wissen unterschiedliche Personengruppen über dieses Thema? Wie verhalten sie sich?

Klassenarbeit: Vergleicht die Plakate, bewertet sie und platziert die guten Beispiele im Einverständnis mit der Klassenlehrperson auf dem Schulhausareal.

Umfrage nach zehn Tagen: Bei wem haben die Plakate etwas bewirkt? Was? Plakate, Stifte Kapitel 4.2.7, 4.2.9. und 4.3.1.

Projekt

Schall und Hörvermögen Die Amplitude oder Schwingungsweite beschreibt die Stärke der Schallwelle. Wenn die Amplitude einer Schallwelle zunimmt, erhöht sich analog dazu die Lautstärke des Schalls. Musik besteht aus einer Mischung unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden.

Der Mensch ist in der Lage zu hören, weil die Ohren die Vibrationen einer Schallwelle oder Schwingung in der Luft in Signale umsetzen, die das Gehirn als Ton interpretiert. Wenn die Vibrationen einer Schallwelle in das Ohr eindringen, werden sie durch das Trommelfell und die Gehörknöchelchen im Mittelohr (Hammer, Amboss und Steigbügel) verstärkt. Im Innenohr setzen diese verstärkten Vibrationen winzige Haarzellen in Bewegung, die diese Vibrationen in Nervenimpulse verwandeln, die an das Gehirn weitergeleitet werden. Das Gehirn interpretiert diese Nervenimpulse dann als Ton. Wenn Sie Ihre Ohren übermässigem Schalldruck aussetzen, besteht die Gefahr, dass die winzigen Haarzellen in Ihren Ohren dauerhaft geschädigt werden. Eine solche Schädigung bewirkt, dass die Haarzellen den Schall nicht mehr an Ihr Gehirn weiterleiten können. Die Folge: Sie leiden unter Lärmschwerhörigkeit. Die Symptome hierbei sind u.a. verzerrter oder gedämpfter Ton oder Schwierigkeiten Gesprochenes zu hören.

Lärmschwerhörigkeit kann durch eine einmalige sehr hohe Geräuschbelastung entstehen, beispielsweise durch einen Gewehrschuss.

Aber auch wenn Sie Ihre Ohren über einen längeren Zeitraum hinweg einer hohen Schallbelastung aussetzen, kann Lärmschwerhörigkeit die Folge sein.

Vernünftiges Hören Die meisten Untersuchungen zur Lärmschwerhörigkeit beschränken sich auf die Gesundheitsrisiken durch übermäßigen Lärm am Arbeitsplatz. Die Auswirkungen, die Freizeitlärm auf den Menschen hat, sind weniger erforscht. Beim Anhören von Musik und Audioinhalten mit Kopf- oder Ohrhörern, egal ob diese an Ihren iPod, Ihren Computer oder eine andere Audioquelle angeschlossen sind, sollten Sie unbedingt einige allgemein gültige Empfehlungen beachten.

Achten Sie auf die Lautstärke Es gibt keine «ideale» Lautstärke, die für jede Person geeignet ist. Unter Umständen nehmen Sie mit unterschiedlichen Ohrhörern oder Kopfhörern und unterschiedlichen Equalizer-Einstellungen verschiedene Schallpegel wahr.

Einige Experten empfehlen, die Lautstärke in einer ruhigen Umgebung einzustellen. Reduzieren Sie die Lautstärke, wenn Sie Personen in Ihrer Nähe nicht sprechen hören. Vermeiden Sie es, die Lautstärke zu erhöhen, um laute Umgebungsgeräusche zu übertönen. Verwenden Sie Ohrhörer oder Kopfhörer nur für eine begrenzte Dauer bei sehr hoher Lautstärke.

Beachten Sie die Dauer Achten Sie unbedingt darauf, wie lange Sie Musik in hoher Lautstärke hören. Denken Sie immer daran: Sie können sich im Laufe der Zeit an eine höhere Lautstärke gewöhnen, ohne zu bemerken, dass diese höhere Lautstärke Ihr Gehör schädigen kann. Gehörspezialisten warnen ausdrücklich, dass Lärmschwerhörigkeit entstehen kann, wenn das Gehör kontinuierlich hoher Lautstärke ausgesetzt wird. Je höher die Lautstärke ist, desto schneller treten Hörschäden auf. Unterbrechen Sie die Audiowiedergabe und lassen Sie Ihr Gehör untersuchen, sobald Sie Pfeifen oder Klingeln in Ihren Ohren hören oder Sprechen nur noch gedämpft oder undeutlich wahrnehmen. http://www.apple.com/de/sound/

30 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Beachten Sie die Dauer Achten Sie unbedingt darauf, wie lange Sie Musik in hoher Lautstärke hören. Denken Sie immer daran: Sie können sich im Laufe der Zeit an eine höhere Lautstärke gewöhnen, ohne zu bemerken, dass diese höhere Lautstärke Ihr Gehör schädigen kann. Gehörspezialisten warnen ausdrücklich, dass Lärmschwerhörigkeit entstehen kann, wenn das Gehör kontinuierlich hoher Lautstärke ausgesetzt wird. Je höher die Lautstärke ist, desto schneller treten Hörschäden auf. Unterbrechen Sie die Audiowiedergabe und lassen Sie Ihr Gehör untersuchen, sobald Sie Pfeifen oder Klingeln in Ihren Ohren hören oder Sprechen nur noch gedämpft oder

2.2.10. Lärmschutz 2.2.10. Lärmschutz

a)a)Aufgabe: Oberflächenbeschaffenheit von Lärmschutzwänden Aufgabe: Oberflächenbeschaffenheit von Lärmschutzwänden Beschreibung: Mache dich kundig das Thema “Reflexion von Schallwellen“!

Beschreibung: a)a)Mache dich kundig überüber das Thema «Reflexion von Schallwellen»!

Eine Schallwelle kann modellhaft durch “Schallstrahlen“ dargestellt werden.

Eine Schallwelle kann modellhaft durch «Schallstrahlen» dargestellt werden.

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab b) welche In welche Richtungwird wirdSchall Schall zurückgeworfen, wenn er im Winkel auf eine b) In Richtung zurückgeworfen, wenn er rechten im rechten Winkel aufebene, glatte Oberfläche trifft?

In welche Richtung wird Schall zurückgeworfen, wenn er in einem eine ebene, glatte Oberfläche trifft?

In welche Richtung wird Schall b) In welche Richtung wird Schall zurückgeworfen, wenn er im rechten Winkel auf b) In welche Richtung wird Schall zurückgeworfen, wenn er im rechten Winkel auf zurückgeworfen, wenn sie in einem beliebigen Winkel auf eine ebene, glatte beliebigen Winkel aufwelche eine ebene, glattewird Oberfläche Konstruiere eine ebene, glatte Richtung Oberfläche trifft?

In Richtung Schall b) In welche wird Schall zurückgeworfen, wenn er imtrifft? rechten Winkelmit aufroten Pfeilen die eine ebene, glatte Oberfläche trifft?

In welche Richtung wird Schall Oberfläche trifft?

Konstruiere roten Pfeilen die reflektierte Schallwelle! zurückgeworfen, wenn sie in einem beliebigen Winkel auf eine ebene, glatte reflektierte Schallwelle! eine ebene, glatte Oberfläche trifft? Inmit welche Richtung wird Schall

zurückgeworfen, wenn sie indie einem beliebigen Winkel auf eine ebene, glatte Oberfläche trifft? Konstruiere mitinroten Pfeilen reflektierte Schallwelle! zurückgeworfen, wenn sie einem beliebigen Winkel auf eine ebene, glatte Oberfläche trifft? Konstruiere mit roten Pfeilen die reflektierte Schallwelle!

Oberfläche trifft? Konstruiere mit roten Pfeilen 31 die reflektierte Schallwelle!

c) Auch Mehrfachreflexion ist möglich! Hier zuerst von Wand A, dann weiter von Wand B. Konstruiere mit roten Pfeilenvon dieWand reflektierte Schallwelle. c) Auch Mehrfachreflexion ist zuerst möglich!

Hier zuerstA, von Wand A, dann weiter von Wand B. Konstc) Auch Mehrfachreflexion ist möglich!

Hier dann weiter von c) Auch Mehrfachreflexion ist möglich!

Hier zuerst von Wand A, dann weiter von ruiere mit roten reflektierte Schallwelle.

Wandc)B.Auch Konstruiere mit roten Pfeilen diediereflektierte Schallwelle.

Mehrfachreflexion istPfeilen möglich!

Hier zuerst von Wand A, dann weiter von Wand B. Konstruiere mit roten Pfeilen reflektierte Schallwelle.

B dieSchallwelle.

Wand B. Konstruiere mit roten Pfeilen die reflektierte

B

B

B A A A

A

d) Versuche es auch mit komplizierter gestalteten Flächen! d) Versuche es auch mit komplizierter gestalteten Flächen! d) Versuche es auch mit komplizierter gestalteten es komplizierter auch mit komplizierter gestalteten Flächen!Flächen! d) Versuched) esVersuche auch mit gestalteten Flächen!

e) Geht es auch mit einem Hohlspiegel? e) Geht es auch mit einem Hohlspiegel? e) Geht es auch einem mit einem Hohlspiegel? e) Geht auch mit Hohlspiegel? e) Geht es auch miteseinem Hohlspiegel?

f) Bei jeder Reflexion wird ein Teil des Schalls absorbiert (“verschluckt“) Entwirf eine ebenen, glatten Teilflächen zusammengesetzte Fläche, die den f) Bei jeder Reflexion wird aus ein Teil des Schalls absorbiert (“verschluckt“) f) möglichst Bei jeder Reflexion wirdund eindamit Teil des Schalls Fläche, absorbiert Schall oft reflektiert “einfängt“!

Entwirf eine aus ebenen, glatten Teilflächen zusammengesetzte die (“verschluckt“) den f) Bei jeder Reflexion wird ein Teil des Schalls absorbiert (“verschluckt“) Entwirf eine aus ebenen, glatten Teilflächen zusammengesetzte Fläche, die den SchallEntwirf möglichst reflektiert damit “einfängt“!zusammengesetzte Fläche, die den eineoft aus ebenen,und glatten Teilflächen Schall möglichst oft reflektiert und damit “einfängt“!

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 31 Schall möglichst oft reflektiert und damit “einfängt“!

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Bei jeder Reflexion wird Teildes desSchalls Schalls absorbiert f) Beif) jeder Reflexion wird einein Teil absorbiert(«verschluckt») (“verschluckt“) Entwirf eine aus ebenen, glatten Teilflächen zusammengesetzte Fläche,die dieden den Entwirf eine aus ebenen, glatten Teilflächen zusammengesetzte Fläche, Schall mögSchall möglichst oft reflektiert und damit “einfängt“! lichst oft reflektiert und damit «einfängt»!

? g) Finde Internet heraus,wie wieLärmschutzwände Lärmschutzwände aufgebaut sind!

Hat deine g) Finde überüber dasdas Internet heraus, aufgebaut sind!

Hat Konstruktion in f) damitin Ähnlichkeiten? deine Konstruktion f) damit Ähnlichkeiten?

Theorie: Kapitel 4.2.11. und 4.2.12. und 4.2.14.

Methode: Kapitel Lernaufgabe Theorie: 4.2.11. und 4.2.12. und 4.2.14.

Methode: Lernaufgabe bes. Hinweise: Als Lärmschutz eignen sich («fraktal aufgebaute») Oberflächen besonders gut. Wird nämlich das bes. Hinweise: Als Lärmschutz eignen sich in ("fraktal aufgebaute") Oberflächen besonders gut. wiederholt, Profil, welches als Lösung f) gefunden wurde in kleineren Dimensionen nochmals Wirdwird nämlich das Profil, welches als Lösung in f) gefunden wurde in kleineren der Effekt verstärkt.

Dimensionen nochmals wiederholt, wird der Effekt verstärkt.

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2.3.

Schall biologischen Kontext 2.3.

Schall imim biologischen Kontext 2.3.1 Das menschliche Ohr

2.3.1 Das menschliche Ohr

a) Aufgabe: Anatomie des menschlichen Ohrs

Beschreibung: Setze anhand des beschrifteten anatomischen Modells Titel für die Teile der Zeichnung eines Ohrs! a) Aufgabe: Anatomie schematische des menschlichen Ohrs Material:

Anatomisches Modell, Arbeitsblatt mit Darstellung des Ohrs (siehe Theorieteil)

Beschreibung: Setze anhand des beschrifteten anatomischen Modells Titel für die Teile der schematischen Theorie: Kapitel 4.3.1. eines Methode: Zeichnung Lernen an Ohrs! einer Station Material: Anatomisches Modell, Arbeitsblatt mit Darstellung des Ohrs (siehe Theorieteil) Theorie: Kapitel 4.3.1. b) Experiment: Trommelfellmodell 1 Methode:

Lernen an einer Station

Beschreibung: Die Auslenkung des Trommelfells durch Schallwellen kann mit Hilfe von Tamburins gezeigt werden. Man befestigt, wie auf dem Bild, zwei Tamburine b) Experiment: Trommelfellmodell vertikal und 1 parallel zueinander. Eines davon dient zur Schallerzeugung durch Anschlagen. In Kontakt mit dem anderen – esdes stelltTrommelfells das Trommelfell Beschreibung: Die Auslenkung durch des Ohres darmit - wird Pingpongball Schallwellen kann Hilfeein von Tamburins aufgehängt. gezeigt werden. Man befestigt, wie auf dem Frage: Was beobachtest du beim Bild, zwei Tamburine vertikal und parallel zuAnschlagen? Beschreibe die einander.

Eines davon dient SchallerzeuSchallübertragung vonzur der gung Schallquelle durch Anschlagen.

In Kontakt mit dem auf das “Trommelfell“!

– es stellt das Trommelfell des Ohres Material: anderen 2 Tamburine, 2 Stative, Schnur, Kerze, Nagel, dar – Tischtennisball, wird ein Pingpongball aufgehängt.

Frage:Tamburinschläger.

Was beobachtest du beim AnschlaTheorie: Kapitel 4.3.1., 4.2.5. und 4.2.7. gen? Beschreibe die Schallübertragung von Methode: Demonstrationsversuch oder Lernen der Schallquelle auf das «Trommelfell»! an einer Station Material: 2 Tamburine, 2 Stative, Schnur, bes. Hinweise: Pingpongbälle lassen sichTischtennismit einem Quelle: http://www.kontexis.de ball, Kerze, Nagel, Tamburinschläger. heissen Nagel durchlöchern.

Theorie: Kapitel 4.3.1., 4.2.5. und 4.2.7.

Methode: Demonstrationsversuch oder Lernen an einer Station c) Trommelfelmodell 2 bes. Hinweise: Pingpongbälle lassen sich mit einem heissen Nagel durchlöchern.

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Beschreibung: Spanne mit Hilfe eines Bürogummibandes eine aufgeschnittene Ballonhülle - als Modell für das Trommelfell des Ohrs - über einen grossen, leeren Joghurtbecher.

Mit Klebstreifen klebst du einen kleinen Papierrand um die aufgespannte Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Gummimembran. Brenne mit einem heissen Nagel seitlich ein Loch in den Becher und vergrössere es mit einer Schere. Halte das Trommelfellmodell waagrecht und

c) Trommelfellmodell 2 Beschreibung: Spanne mit Hilfe eines Bürogummibandes eine aufgeschnittene Ballonhülle – als Modell für das Trommelfell des Ohrs – über einen grossen, leeren Joghurtbecher. Mit Klebstreifen klebst du einen kleinen Papierrand um die aufgespannte Gummimembran. Brenne mit einem heissen Nagel seitlich ein Loch in den Becher und vergrössere es mit einer Schere. Halte das Trommelfellmodell waagrecht und streue Salz oder Maisgriess darauf. Was stellst du fest, wenn du durch das Loch sprichst oder singst? Für die Beobachtung kann es hilfreich sein, wenn du mit jemandem zusammenarbeitest. Während eine Person in einen Becher singt kann die andere beobachten was oben passiert.

Material: Joghurtbecher, Ballone, Gummibänder, Papier, Klebstreifen, Schere, Salz, Nagel Theorie: Kapitel 4.3.1., 4.2.5. und 4.2.7. bes. Hinweise: Dieses Experiment ist vom experimentellen Aufbau herSchalllabor eng verwandt mit dem Experiment 2.1.5.a).

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2.3.2 Hörleistung

2.3.2 Hörleistung

a) Experiment: Frequenzhörtest Beschreibung: Suche im Internet einen Hörtest und führe ihn für dich aus. Halte die Ergebnisse schriftlich fest.

a) Experiment: Frequenzhörtest

Beschreibung: einen Hörtest und führe ihn für dich aus. Internetzugang Halte die Ergebnisse schriftlich fest.

Material: Suche im PCInternet mit Lautsprechern (oder Kopfhörern ) und Material: Kopfhörern ) und Internetzugang Theorie: PC mit Lautsprechern Kapitel 4.3.1.,(oder 4.3.4. und 4.2.9.

Theorie: Kapitel 4.3.1., 4.3.4. und 4.2.9.

Methode: Posten für Lernen an einer Station bes. Hinweise: auch 2.2.6 Hörtest.

Methode: Posten Siehe für Lernen anVersuch einer Station Interessant ist der Vergleich mit der Lehrperson, die bei hohen Frequenzen bes. Hinweise: Siehe auch Versuch 2.2.6 Hörtest. altersbedingt wohl Mühe Da oft Lautsprecher Frequenzen am Rand der

Interessant ist der Vergleich mit derhat.

Lehrperson, die bei hohenbei Frequenzen altersbedingt wohl Wahrnehmbaren Frequenzen nicht optimal arbeiten sollte man vorher testen, Mühe hat. Da oft Lautsprecher bei Frequenzen am Rand der wahrnehmbaren Frequenzen nichtob die Töne wirklich in der richtigen Höhe gesendet werden. Hörtests gibt es an optimal arbeiten, sollte man vorher testen, ob die Töne wirklich in der richtigen Höhe gesendet verschiedenen Orten, so unter http://www.auricilla.de/hoertest.htm werden. Hörtests gibt es an verschiedenen Orten, so unter http://www.auricilla.de/hoertest.htm http://www.kind.de/hoertest_de.html, oder http://www.kind.de/hoertest_de.html, oder http://www.hoerbild.de/hoertest/hoertest.php http://www.hoerbild.de/hoertest/hoertest.php b) Experiment: Richtungshören 1 b) Experiment: Richtungshören 1

Beschreibung: Halte die beiden Enden eines Schlauchs Beschreibung: Halte die beiden Enden eines Schlauchs von 1 m von 1 m Länge wie im Bild an deine Länge – wie im Bild – an deine Ohren und lege den Ohren und lege den Schlauch hinter dir Schlauch hinter dir auf einen Tisch. Jemand aus auf einen Tisch. Jemand aus deinem deinem Team drückt die mit Filzstift bezeichnete Team drückt die mit Filzstift bezeichnete Schlauchmitte leicht auf die Tischoberfläche und Schlauchmitte leicht auf die klopft mit einem Bleistiftund abwechselnd und Tischoberfläche klopft mit links einem rechts Bleistift von der Mitte sanft auf den Schlauch.

Duvon abwechselnd links und rechts sagst jedes Mal, mit welchem OhrSchlauch. du das Geräusch der Mitte sanft auf den Du sagst hast. jedesWie Mal, mitistwelchem Ohrindu das zuerst gehört gross der Bereich, dem Geräusch zuerst gehört hast.

Wie gross du es nicht genau sagen kannst? Wo liegt er? Miss ist derWie Bereich, indem der du Schall, es nicht seine Länge! lange braucht umgenau diesagen kannst?

Wo liegt er?

Miss seine ses kurze Stück zu durchlaufen (SchallgeschwindigLänge! Wie lange braucht der Schall, um Quelle: http://www.kontexis.de keit 340 m/s)? Was bedeutet diese Zeit? dieses kurze Stück zu durchlaufen Material: Schlauch, 2 Trichter, Klebeband (Schallgeschwindigkeit 340 m/s)? Was bedeutet diese Zeit?

Material: Theorie: Methode: bes. Hinweise:

Schlauch, 2 Trichter, Klebeband Kapitel 4.3.2. und 4.2.6.

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 33 Tischteam Wenn die Testperson die Enden des Schlauchs genau ans Ohr setzt, funktioniert

Theorie: Kapitel 4.3.2. und 4.2.6.

Methode: Tischteam bes. Hinweise: Wenn die Testperson die Enden des Schlauchs genau ans Ohr setzt, funktioniert das Experiment auch ohne Trichter. Der Schlauch muss neben der Klopfstelle gut festgehalten werden, damit er nicht auf dem Tisch aufspringt und Störgeräusche entstehen. Die berechnete Zeit entspricht der Verzögerung beim Eintreffen des Signals auf die Ohren. Nicht alle Menschen hören bei diesem Experiment symmetrisch.

c) Experiment: Richtungshören 2 Beschreibung: Verbinde deine Augen und halte ein Ohr zu. Versuche jedes Mal herauszufinden, wo dein Partner/deine Partnerin «psst» gemacht hat. Wiederhole den Versuch mit beiden Ohren offen und/ oder mit verformten Ohrmuscheln. Mache die gleichen Versuche mit einem gesprochenen «Hallo». Die Partnerin/der Partner protokolliert jeweils.

Was bedeuteten die Versuchsergebnisse für das Hören mit Hörgeräten und Kopfhörer?

Methode: Tischteam, Posten für Lernen an einer Station Theorie: Kapitel 4.3.2. und 4.2.6. bes. Hinweise: Wenn nur der Lautsprecher, nicht aber das schallsendende Mikrofon im Ohr liegt, geht die Modulation am Ohr verloren, und die Töne werden als «falsch» oder unecht empfunden. Mit Hörgeräten wird das Richtungshören erschwert – bei grösseren Modellen, die hinter dem Ohr getragen werden, stärker als bei solchen im Ohrkanal. Teilweise werden Musikaufnahmen für Kopfhörer mit Mikrofonen in den Ohren eines Wachskopfes gemacht, um die Modulierung der Ohrmuschel bereits in der Aufnahme zu haben.

2.3.3 Echoortung der Fledermäuse a) Aufgabe: Spallanzanis Experimente Beschreibung: Lest (oder hört) aufmerksam den Text über Versuche des Fledermausforschers Lazaro Spallanzani. Diskutiert im Tischteam die einzelnen Schritte des Experiments und notiert – jedes für sich – die Antworten auf folgende Fragen: 1) Welchen Einfluss hat das Zukleben a) der Ohren? b) des Mundes?

2) Wozu dienen die Kontrollexperimente mit den verschliessbaren Röhrchen?

3) Weshalb könnten und würden diese Experimente heute nicht mehr so durchgeführt? Wenn Ihr Ideen habt für Alternativen, schreibt sie auf.

Wenn die für diese Arbeit vorgegebene Zeit abgelaufen ist, werden die Ergebnisse mit den anderen Teams verglichen und vervollständigt.

Material: Papier, Text Methode: Tischteam Theorie: Kapitel 4.3.6. und 4.2.18.

34 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Das Rätsel der Orientierung im Dunkeln Wie Fledermäuse nachts fliegen können, ohne dauernd gegen Objekte zu stossen, hat die Menschen schon seit langem fasziniert. Der italienische Naturforscher Lazaro Spallanzani hat im 18. Jahrhundert versucht, dem Geheimnis auf die Spur zu kommen. Er hängte in einem Zimmer Schnüre mit Glocken auf, und liess Fledermäuse in vollständiger Dunkelheit fliegen. Er hörte die Fledermäuse zwar fliegen, aber keine der Glocken läutete. Daraus schloss er, dass die Fledermäuse einen zusätzlichen Sinn haben mussten.

Eulen, mit denen er den Versuch wiederholte, flogen von sich aus gar nicht im Dunkeln, und wenn er sie aufscheuchte, kollidierten sie mit den Schnüren.

Bei den Fledermäusen stellte er in weiteren Versuchen fest, dass sie nicht mehr in der Lage waren, sich zu orientieren, wenn er ihnen die Ohren oder den Mund zugeklebt hatte. Er ging sogar soweit, den Fledermäusen Röhrchen in die Ohren zu kleben, die er wahlweise öffnen oder schliessen konnte. So konnte er sichergehen, dass das Ergebnis von der Hörfähigkeit der Fledermäuse abhing, und nicht von einer sonstigen Beeinträchtigung durch den Eingriff.

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 35

3. DIDAKTISCHE UND METHODISCHE HINWEISE In der Folge werden einige Methoden, die im Kapitel 2 nur als Schlagworte aufgeführt sind, genauer beschrieben.

Evidenzen sammeln 3.3.1Didaktische und methodische Hinweise

Diese Methode eignet sich als längerfristige Vorbereitung eines geplanten Unterrichtsthemas. Das so entstandene Portfolio kann durch die Lehrperson beurteilt und benotet werden.

In der Folge werdenkann einigenach Methoden, im der Kapitel 2 nur als Schlagworte aufgeführt genauer Jede Evidenz einemdie von Lehrperson vorgegeben Raster sind, z.B. mit 0 bisbeschrieben. maximal 4 Punkten bewertet werden.

Hinweis: Diese Unterrichtsform wird beschrieben in "Physikdidaktik", Kircher et al., Springer, ISBN-10 3-540-34089-0. Pg. 370 ff

3.1 Evidenzen sammeln

3.2 Arbeiten im Tischteam Tafel/Projektor Diese Methode eignet sich als längerfristige Vorbereitung eines geplanten Unterrichtsthemas. Das so entstandene Portfolio kann durch die Lehrperson beurteilt und benotet werden.

Jede Evidenz kann nach einem von der Team-Tisch-Organisation nach Tischseite A Lehrperson vorgegebenen Raster z.B. mit 0 bis maximal 4 Punkten bewertet werden.

Spencer Kagen

Unterlagen zur Nachbearbeitung Vakuumlabor iLab

Hinweis: Diese Unterrichtsform wird beschrieben in

4 Gesichtspartner HE UND METHODISCHE HINWEISE

«Physikdidaktik», Kircher et al., Springer, ISBN-10 3-540-34089-0. S. 370 ff

1

die im Kapitel Beispiel 2.1.1. a) aufgeführt sind, einige Methoden, 2 nur siehe als Schlagworte .

mmeln

3.2 Arbeiten im Tischteam

Schulterpartner links

t sich als längerfristige Vorbereitung eines geplanten Unterrichtsthedene Portfolio kann durch die Lehrperson beurteilt und benotet werden. ach einem von der Lehrperson vorgegeben Raster z.B. mit 0 bis ewertet werden.

Team-Tisch-Organisation nach Spencer Kagan

ichtsform wird beschrieben in http://ednet.kku.ac.th/~paisan/tld/kaganher et al., Springer, struct.html ISBN-10 3-540-34089-0. Pg. 370 ff

san/tld/kagan-

Gesichtspartner

Schulterpartner rechts

2

http://ednet.kku.ac.th/~paisan/tld/kagan-struct.html

Tischseite B

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ation nach

3

Tischnummer

Tafel/Projektor Tischseite A

Teamarbeit ist weit mehr als Gruppenarbeit.

Damit eine zum Team wird, 1 Gesichtspartner 4 Ad-hoc-Gruppe braucht es gut durchdachte Strukturen und dauernde Übung damit.

TischSchulterpartner nummer Eine Tischeinteilung, wie links

Tafel/ Projektor

Tafel/ Projektor

Schulterpartner

sie rechts Spencer und Kagen vorgeschlagen hat kann dabei sehr hilfreich sein.

Die Ausrichtung der Achsen aller Teamtische erlaubt allen Schülerinnen und Schülern den Blick 2 3 Gesichtspartner auf Wandtafel oder Projektor. Je nach örtlichen Möglichkeiten kann das durch eine in Sekunden zu errichtende Tischseite V-Anordnung noch optimiert B werden.

Teamarbeit ist weit mehr als Gruppenarbeit. Damit eine Ad-hoc-Gruppe zum Team wird, braucht es gut durch-

mehr als Gruppenarbeit.

Tafel/ Tafel/ dachte und dauernde Übung damit.

Projektor Gruppe zum Team wird,StrukturenProjektor 20 hdachte Strukturen und Eine Tischeinteilung, wie sie Spencer Kagan vorgeschlagen hat, kann dabei sehr hilfreich sein. Die Ausrichtung der mit.

Achsen aller Teamtische erlaubt allen Schülerinnen und Schülern den Blick auf Wandtafel oder Projektor. Je nach

Möglichkeiten kann das durch eine in Sekunden zu errichtende V-Anordnung noch optimiert werden. wie sie Spencerörtlichen und Kagen nn dabei sehr hilfreich sein.

Achsen aller Teamtische nnen und Schülern den Blick rojektor. Je nach36 örtlichen Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor as durch eine in Sekunden rdnung noch optimiert

Aufträge lassen sich so rasch zuteilen und die Abläufe über ein vorgegebenes Zeitmanagement gut überwachen.

Es empfiehlt sich, die Teamzuteilung nach (evtl. nach einem Quartal) wechselnden Kriterien durch die Lehrperson machen zu lassen. Bei Teamaufgaben sind die Aktivitäten innerhalb der Teams rotierend zu gestalten.

Beispiel Alle falten ein A4 Blatt einmal längs und dreimal quer, und falten es dann wieder auf. In der linken Kolonne dieser (2x8)-Liste werden gemeinsam im Team Schallgeber, d.h. «Dinge, die tönen und auch benannt werden können» aufgelistet. Teammitglied 1 beginnt mit einem Vorschlag, 2 beschreibt eine Art und Weise, wie dieser Schallgeber zum Tönen gebracht werden kann, 3 sucht dafür einen kurzen sprachlichen Ausdruck, 4 schaut, dass alle das Beispiel richtig (mit «Autorenname») in ihre Liste schreiben, dann wird permutiert, d.h. es folgt der Vorschlag von 2 ...

Es werden 25 Minuten Arbeitszeit veranschlagt.

Die Lehrperson könnte solche Listen bekommen: 4er-Tisch-Team Nr.1 Schallgeber (vorgeschlagen...)

Anregungsart (Lösungsvorschlag...)

Stimmgabel (von Hans)

Anschlagen oder durch Resonanz (von Maja)

Lautsprecher, Kopfhörer (Maja)

Elektromagnetische Anregung einer Membran (von Marc)

Saite (Marc)

Zupfen oder streichen mit «klebrigem» Bogen (mit Kolofoniumharz einreiben) (von Brigi – Violinistin)

Glocke, Schelle (Brigi)

Anschlagen, Schütteln einer Kugel, Klöppelschlag (Hans)

Klingel (Hans)

Klöppel mit elektrischem Unterbrecher bewegen und damit eine Schelle anschlagen (von Maja)

Klingendes Glas (Maja)

«Haften und Gleiten» mit feuchter Fingerbeere oder Anschlagen (Marc)

Gong (Marc)

Anschlagen (Brigi)

oder: 3er-Tisch-Team Nr. 2 Schallgeber (von..)

Anregungsart (Lösungsvorschlag von...)

Stimmbänder (Therese)

Luftstrom durch Unterbrechen zum Schwingen bringen (Rudi)

Klatschen (Rudi)

Luft komprimieren (Therese)

Zeitung (Therese)

reiben, knicken, zerknüllen (Vali)

Glasrohr (Vali)

anblasen, leichtes Klopfen, durch Resonanz (Rudi)

Harte Kreide auf Tafel (Rudi)

«Haften und Gleiten» auf einer Wandtafel (Therese)

Motoren (Therese)

Rotation und Vibrationen beweglicher Teile (Vali)

Musikinstrumente (Vali)

(Zeit reichte nicht mehr)

Beispiele: 2.1.1. b) oder 2.1.3. a)

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 37

zur Nachbearbeitung Vakuumlabor iLab 3.3 ExperimentierenUnterlagen im Tischteam

3.3 Experimentieren im Tischteam

Teamfördernd ist das Experimentieren in festen Teams (statt in variierenden Gruppen).

Teamfördernd ist das Experimentieren in festen (statt in insbesonUnterlagen zur Nachbearbeitung Vakuumlabor iLab Wichtig ist, dass von der Lehrperson das Rollenverhalten derTeams Teammitglieder Gruppen).

Wichtig ist, dassbeobachtet von der Lehrperson daswird. Die dere variierenden auch im Hinblick auf die Genderproblematik und beeinflusst Rollenverhalten der Teammitglieder insbesondere auchWelche im Hinblick auf Klasse kann von Teamspeakern über den Verlauf orientiert werden.

Teams dabei 3.3 Experimentieren im Tischteam die Genderproblematik beobachtet und beeinflusst wird.

Die Klasse zum Zuge kommen, und wer Teamspeaker ist, entscheidet unmittelbar vor der Präsentakann von Teamspeakern über den Verlauf orientiert werden. Welche tion z.B. der «Zufallsgenerator» der Lehrperson.

Teams dabei zum Zuge kommen, und in wer Teamspeaker ist, in Teamfördernd ist das Experimentieren festen Teams (statt (Siehe dazu «Student Selector» unter http://www.kaganonline.com/Catalog/index.html)

www.kaganonline.com

www.kaganonline.com

entscheidet unmittelbar vor der ist, Präsentation z.B.Lehrperson der "Zufallsgenerator" variierenden Gruppen). Wichtig dass von der das der Lehrperson.der Teammitglieder insbesondere auch im Hinblick auf Rollenverhalten Beispiel 1 siehe b) Selector" (Siehe dazu2.1.2.

"Student unter und beeinflusst wird. Die Klasse die Genderproblematik beobachtet Die Lehrperson könnte diesen Text bekommen: http://www.kaganonline.com/Catalog/index.html) kann von Teamspeakern über den Verlauf orientiert werden. Welche dabei zum ist Zuge kommen, werWir Teamspeaker ist, (Hans, Krista, Jacques, Wolf) «DieTeams Schattenbewegung in beiden Fällenund gleich. finden das cool.»

Beispiel 1: unmittelbar vor der Präsentation z.B. der "Zufallsgenerator" entscheidet Die2Lehrperson.

Lehrperson der Beispiel siehe 2.1.1. c)könnte diesen Text bekommen: "Die Schattenbewegung ist in beiden Fällen gleich. Wir finden das cool." (Hans, Krista, (Siehe dazu "Student Selector" unter Zwei von der Lehrperson als erfolgreich eingeschätzte Teams dürfen präsentieren. Die Speakerin/der Speaker Jacques, Wolf) http://www.kaganonline.com/Catalog/index.html) eines Problemteams berichtet über die Schwierigkeiten beim Üben.

Beispiel 1: 2: Beispiel Zwei von der Lehrperson als erfolgreich eingeschätzte Teams dürfen präsentieren. Die Die Lehrperson könnte diesen Text bekommen: Speakerin / der Speakerist eines Problemteams berichtet über die beim Üben.

"Die Schattenbewegung in beiden Fällen gleich.

Wir finden dasSchwierigkeiten cool." (Hans, Krista, Wolf) 3.4Jacques, Experimente für Schulterpaare im Tischteam Beispiel 2: 3.4 Experimente für Schulterpaare im Tischteam Zwei von der Lehrperson als erfolgreich eingeschätzte Teams dürfengut präsentieren.

Die Schulterpaare sitzen im Team besonders nah beieinander und eignen sich deshalb als Untergruppe des Teams.

Speakerin / der Speaker eines Problemteams berichtet über die Schwierigkeiten beim Schulterpaare sitzen im Team besonders nah beieinander und eignen sich deshalb gutÜben. alsNach In 3er-Tischteams entfällt in der Regel diese Möglichkeit (ausser es gibt zwei 3er-Tischteams in der Klasse).

Untergruppe des Teams.

In 3er-Tischteams entfällt in der Regel diese Möglichkeit (ausser es der Durchführung des Experiments besteht die Möglichkeit, dass sich die GesichtspartnerInnen austauschen. gibt zwei 3er-Tischteams in der Klasse). Nach der Durchführung des Experiments besteht 3.4 Experimente fürsich Schulterpaare im Tischteam die Möglichkeit, dass die GesichtspartnerInnen austauschen.

Beispiel siehe 2.1.1.g) 1 Buch lenkt 4 mm aus, zwei im 8 mm.

Diebesonders Punkte liegen aufbeieinander einer Geraden.

Dieeignen Auslenkung proportional zur AnSchulterpaare sitzen Team nah und sich ist deshalb gut als zahl Untergruppe der angehängten (Zita, desBücher.

Teams.

In Ulf) 3er-Tischteams entfällt in der Regel diese Möglichkeit (ausser es

gibt 3er-Tischteams in der Klasse). Nach der Durchführung des Experiments besteht 3.5 zwei Die Methode "GiveOne-GetOne" die Möglichkeit, dass sich die GesichtspartnerInnen austauschen.

Diese Methode aktiviert gleichzeitig sehr viele Schülerinnen und zum Mitdenken und fördert bei häufiger Anwendung die 3.5Schüler Die Methode «GiveOne – GetOne» Teambildung. Die Austauschphase bringt zielgerichtete physische 3.5 Die Methode "GiveOne-GetOne" Bewegung in den Unterricht.

Dabei wird das Wissenspotenzial der ganzen Klasse genutzt. Die Kurzpräsentationsphase hilft Diese am Beispiel 2.1.1. b) gezeigte Methode aktiviert gleichzeitig sehr viele Hemmungen Sprechen vor "vielen abbauen.

Diese Methodebeim aktiviert gleichzeitig sehr Menschen" viele Schülerinnen und Schülerinnen und Schüler zum Mitdenken und fördert bei häufiger Anwendung Schüler zum Mitdenken und fördert bei häufiger Anwendung die die Teambildung.

Austauschphase zielgerichtete physische Bewegung Wichtig beiDie dieser Methode istbringt ein gutes Zeitmanagement durch die Teambildung.

Die Austauschphase bringt zielgerichtete physische in den Unterricht.inz.B. Dabei wird das Wissenspotenzial der ganzen Klasse genutzt.

Lehrperson eines Gongs oder eines digitalen Bewegung denmittels Unterricht.

Dabei wird das Wissenspotenzial der www.kaganonline.com Die Kurzpräsentationsphase hilft, Hemmungen beim Sprechen vor «vielen Menganzen Klasse genutzt.(Siehe Die Kurzpräsentationsphase hilft "Unterrichtsweckers". dazu "TeachTimer" unter http://www.kaganonline.com/Catalog/index.html).

Hemmungen schen» abzubauen. beim Sprechen vor "vielen Menschen" abbauen.

Wichtig bei dieser Methode ist ein gutes Zeitmanagement durch die Lehrperson In der eines Bewegungsphase immer darauf geachtet werden, dass beiGongs dieseroder Methode ist ein gutes Zeitmanagement durch die sich alle bewegen und z.B. Wichtig mittels einesmuss digitalen «Unterrichtsweckers». zwar weg von den eigenen Stühlen.

Lehrperson z.B. mittels eines Gongs oder eines digitalen www.kaganonline.com (Siehe dazu «TeachTimer» unter http://www.kaganonline.com/Catalog/index.

"Unterrichtsweckers".

(Siehe dazu "TeachTimer" unter html) http://www.kaganonline.com/Catalog/index.html).

In der Bewegungsphase muss immer darauf geachtet werden, dass sich alle bewegen weg von den eigenen Stühlen.

In und der zwar Bewegungsphase muss immer darauf geachtet werden, dass sich alle bewegen und Beispiel siehe 2.1.1. b) zwar weg von den eigenen Stühlen.

38 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

22

3.6 Begriffsnetz In Begriffsnetzen werden mehrere vorgegebene und im Unterricht behandelte Begriffe grafisch sinnvoll angeordnet. Je zwei Begriffe können mit einem einfachen Pfeil oder mit einem Doppelpfeil dazwischen zueinander in Beziehung gesetzt werden. Die Pfeile werden direkt beschriftet oder mit Nummern versehen, zu denen dann eine Legende erstellt wird. Wenn Begriffsnetze zuerst an Beispielen geübt werden, können sie auch zur Leistungsbeurteilung herangezogen werden. Gewertet wird dabei der Inhalt der Beziehungsbeschreibungen, z.B. 0 bis maximal 1 Punkte pro Pfeilrichtung. Beispiel siehe 2.1.7. b) Hinweis: Diese Unterrichtsform wird beschrieben in

«Physikdidaktik», Kircher et al., Springer, ISBN-10 3-540-34089-0. S. 281 ff

3.7 Schreiben einer Versuchsanleitung Wer eine Versuchsanleitung schreiben will, muss sich mit der hinter dem Versuch stehenden Theorie intensiv auseinandersetzen, sich über die Versuchsanordnung im Klaren sein, sie optimieren und beschreiben können.

Die Anleitung muss gut lesbar und verständlich sein. Das im Versuch angestrebte Lehrziel zu formulieren und die zu erwartende Lösung darzulegen, kann durchaus sinnvoll sein. Je nach Zeitgefäss kann die Aufgabe sogar darin bestehen, eine eigene Versuchsanordnung entwickeln zu lassen. Beispiel siehe 2.1.7. a)

3.8 Lernen an einer Station Stationen sind dann sinnvoll, wenn der Inhalt einer ganzen Lernsequenz handelnd mit Experimenten erarbeitet oder dargestellt werden soll. Während einer vorgegebenen Zeit muss eine bestimmte Anzahl von Stationen in freier Wahl – natürlich im Rahmen der Verfügbarkeit – durchlaufen werden. Das Zeitmanagement für die einzelnen Stationen ist Sache der Lernenden. Manchmal ist es sinnvoll, kleine «Jokerstationen» oder Spezialaufgaben (z.B. eine kleine Internetrecherche) bereit zu halten, um Engpässe sinnvoll überbrücken zu können. Beim Lernen an Stationen wird ein Thema nicht «Versuch nach Versuch» aufbauend behandelt, da die Stationen ja in unterschiedlicher Reihenfolge durchlaufen werden.

Beispiel siehe 2.1.1.d) 2.1.1.e) 2.1.3.b) etc.

2.2.3.a) 2.2.3.b) 2.2.7.a) 2.2.7.b)

Joker: 2.1.3.e)

3.9 Demonstrationsversuch Demonstrationsversuche sind sinnvoll, wenn spezielle, eventuell langwierige und exakte Vorbereitungen für einen Versuch nötig sind, wenn dafür gefährliches, wertvolles oder sonst besonderes Material verwendet wird, wenn besonderes Geschick für das Gelingen vorausgesetzt werden muss, wenn mehrere oder sogar viele Assistierende bei der Durchführung helfen müssen, wenn aus dem Alltag selbstverständliche und gut bekannte

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 39

Phänomene diskutiert werden, wenn ein spezieller Einstieg geplant ist. Demonstrationsversuche der Lehrperson können auch als Lernanlass für exaktes Beobachten (z.B. bei Einstiegsexperimenten) und Beschreiben (z.B. zum Einüben und Durcharbeiten bereits bekannter Begriffe) dienen. Beispiel siehe 2.2.1. d)

3.10 Ein Forschungsvorhaben Forschungsvorhaben eignen sich besonders gut für Projektwochen, schulhausinterne Spezialtage oder für langfristige Arbeiten. Wichtig ist: • das vorherige Erarbeiten einer verbindlichen Fragestellung (evtl. verbunden mit einer Hypothese) und die Darlegung der persönlichen Motivation, • das Setzen von «Meilensteinen» zur Kontrolle des Arbeitsfortschrittes und zum Informationsaustausch mit der Lehrperson, der Klasse oder anderen Teams und aller sonstiger Termine, • die Absprachen zu Inhalt und Form der Dokumentation (Arbeitsjournal mit allen Irrungen und Ideenwandlungen, Fotos und andere Medien, Arbeitsskizzen, «Werkskizzen», Finanzielles) und der Präsentation.

Beispiel siehe 2.2.6. c)

3.11 Projekte Projekte lassen ein breites inhaltliches und formales Spektrum zu. Sie eignen sich je nach dem durch die Lehrperson vorgegebenen oder durch die Beteiligten (z.B. die Klasse) entwickelten Rahmen auch für grössere Gruppen oder für die ganze Klasse. Es ist sinnvoll ähnlich vorzugehen wie unter «Forschungsvorhaben» beschrieben. Bei der Organisation von grösseren Projekten muss Platz sein für Einzelarbeit, Partnerarbeit, Teamarbeit und Arbeit mit der ganzen Klasse. Verbinden mit Projekten lassen sich Lehrausflüge, Kontaktaufnahmen mit ausserschulischen Experten und Expertinnen oder eine auf spezielle Projekte bezogene Zusammenarbeit mit Behörden, aber auch Umfragen und politisch sinnvolles Handeln. Beispiel siehe 2.2.9. b) Wichtig: Echte Projekte entwickeln sich nur im gemeinsamen Tun aller Beteiligten und aus einer möglichst offenen Fragestellung. Leider sind dafür nur selten schulische Gefässe vorhanden. Solche lassen sich aber in Zusammenarbeit mit Kollegen und Kolleginnen des Schulhauses durchaus schaffen. Immer möglich sind aber thematisch und formal bereits eingegrenzte Projektschritte.

3.12 Ausserschulische Lernorte Lernprozesse lassen sich an ausserschulischen Lernorten besonders gut initiieren (iLab-Besuch), mit dem gesellschaftlichen Umfeld verbinden (Besuch eines Instrumentenbauers), mit einer speziellen Thematik (Museen) beladen oder operativ (im Schulhaus unmögliche Experimente) erweitern. Es ist wichtig, solche Anlässe in das reguläre Unterrichtsgeschehen einzubinden, entsprechend gut vor- und nachzubereiten. Immer sollen damit explizite und später überprüfbare Lernziele verbunden sein. Die Abteile der Züge lassen sich übrigens sehr gut als Team-Arbeitsplätze gestalten. Beispiel siehe 2.2.3. c)

40 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

4. Theoretische Grundlagen und Hintergrund-Informationen 4.1. Schallerzeugung

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

4. THEORETISCHE GRUNDLAGEN UND HINTERGRUND-

4.1.1. Schwingungen als Alltagsphänomen INFORMATIONEN 4.1. Schallerzeugung

«Ein periodisch wiederkehrender heisst Schwingung.»

4.1.1.

SchwingungenBewegungsablauf als Alltagsphänomen "Ein periodisch wiederkehrender Bewegungsablauf heisst Schwingung."

Diese Definition ist sehr offen und unpräzis.

Muss der Bewegungsablauf immer genau gleich ablaufen? Sind periodische Ereignisse wie das Ticken einer Schwingungen?

Sicher genügt diese weitgehend den Diese Definition ist sehr offen undUhr unpräzis.

Muss der Bewegungsablauf immer Definition genau gleich ablaufen?

Sind periodische Ereignisse das Ticken einer Uhr Schwingungen? genügt Systemen Anforderungen der Sek I. Trotzdem ist es reizvoll,wie Unterschiede zwischen verschiedenen Sicher schwingenden diese Definition weitgehend den Anforderungen der Sek I. Trotzdem ist es reizvoll, Unterschiede herauszuarbeiten. zwischen verschiedenen schwingenden Systemen herauszuarbeiten.

Kugel

Ewiges Hin und Her in der Zelle

Hin und her rollende Kugel

Feder

Kippschwingung

Gekoppelte Schwingungen

4.1.2. Physikalische Definition

4.1.2. Physikalische Definition Schwingungen sind zeitlich periodische Bewegungen. Sie lassen sich durch Funktionen, die von der Zeit abhängig sind, beschreiben.

Ein wichtiger Spezialfall ist die harmonische Schwingung:

Schwingungen sind periodische Bewegungen.

Sie lassen sich durch Funktionen, von der Zeit abhänWenn einzeitlich Körper sich so bewegt wie die Projektion einer Kreisbewegung, schwingt die er harmonisch.

Harmonische Schwingungen lassen sich mathematisch einfach beschreiben. gig sind, beschreiben.

Ein wichtiger Spezialfall ist die harmonische Schwingung: Wenn ein Körper sich so bewegt wie die Projektion Mathematische Darstellung harmonischer Schwingungen mit Hilfe der Differentialrechnung: einer Kreisbewegung, schwingt erSpektrum harmonisch.

Harmonische Schwingungen lassen sichff.mathematisch einfach "Physik", Paul A. Tipler, akademischer Verlag Heidelberg), 1994, S.379 beschreiben.

Einfache mathematische Darstellung harmonischer Schwingungen (ohne Differentialrechnung): Mathematische Darstellung harmonischer Schwingungen eines mit Hilfe der Differentialrechnung: «Physik», Paul A. Es soll gezeigt werden, dass die Schwingungszeit harmonisch schwingenden Körpers mit einfacher Algebra berechnet werden kann.1994, S.379 ff.

Tipler, Spektrum akademischer Verlag Heidelberg, 42

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 41

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Ein Körper Kanmit der Unterlagen Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Ein Körper K mitSchraube der Mass zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Ein Körper K mit der Masse ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Ein Körper Kder mit der Masse m ist einer reibungslos auf einem Tisch Schraubenfeder Ein Körper Kmit mit der Masse mist istm an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Ein Körper K mit der Masse m liegenden ist an einer reibungslos auf einem Tisch li Ein Körper K der Masse m an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Ein Körper K mit der Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Ein Körper K mit Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Ein Körper K mit der Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in(Fede der s mit der Richtgrösse Einfache mathematische Darstellung harmonischer Schwingungen (ohne Differentialrechnung) mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper KK befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) Dbefestigt. befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befinde mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen Gleichgewichtslage.

Wird er rechts nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt in Gleichgewichtslage.

Wird Es soll gezeigt werden, dass die Schwingungszeit eines harmonisch schwingenden Körpers mit einfacher Algebra Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt in beiden Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach aus der Ruhelage entfernt, wirkt in beiden Gleichgewichtslage.

Wird ernach nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt inbeiden beiden Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach rechts aus der Ruhela Gleichgewichtslage.

Wird er links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt in Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt in die beiden Gleichgewichtslage.

Wird erFällen nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt inFeder beiden Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach rechts aus der Ruhelage entfernt, wirkt in beiden Ein Körper K mit der Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder die rücktreibende Kraft F = Dx auf ihn.

Einmal, weil die gespannt, im anderen Fällen rücktreibende K Fällen die rücktreibende Kraft = -auf Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder im anderen, weil berechnet werden kann.

Ein Körper KKraft mit der Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch Schraubenfeder Fällen die rücktreibende Kraft =FDx -=auf Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil Fällen die rücktreibende Kraft F-= =F ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil Fällen die rücktreibende Kraft Fgespannt, = im -liegenden auf ihn.

Einmal, weil die Feder ge Fällen die rücktreibende F - -F Dx ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil Fällen die rücktreibende -ihn.

Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil Fällen die rücktreibende Kraft Fgestaucht =Kraft - Dx Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, imDx anderen, weil Fällen die rücktreibende Kraft F = auf Einmal, weil die Feder gespannt, anderen, weil mit der Richtgrösse (Federkonstanten) D befestigt.

Der Körper K befindet sich bei O in der stabilen sie ist. sie gestaucht ist. mit Richtgrösse D befestigt.

Körper K befindet sich bei O in mit der der stabilen sie gestaucht sie gestaucht ist.ist.

Ein Körper K der mit der Masse m(Federkonstanten) ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfeder Richtsie gestaucht ist. sie gestaucht ist.Dernach gestaucht ist. sie gestaucht ist. siesie gestaucht ist. sie gestaucht ist.

Gleichgewichtslage.

Wird erdass nach links oder rechts aus derentfernt, Ruhelage entfernt, wirkt inbringt beiden Daszum Minuszeichen bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren F und x entgegengesetzt gerich Das Minuszeichen z Gleichgewichtslage.

Wird er nach links oder nach rechts aus der Ruhelage wirkt in beiden Das Minuszeichen bringt zum Ausdruck, die Vektoren F und x entgegengesetzt gerichtet Das Minuszeichen bringt Ausdruck, dass die Vektoren F und x entgegengesetzt gerichtet Körper Kzum mit der Masse m ist an einer reibungslos auf einem Tisch liegenden Schraubenfede Das Minuszeichen bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren Fund und xund entgegengesetzt gerichtet grösse (Federkonstanten) D Ausdruck, befestigt.

Der Körper KMinuszeichen befindet bei der Gleichgewichtslage.

Wird erF und x entg Das bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren Das Minuszeichen bringt zum dass die Vektoren F x in entgegengesetzt gerichtet DasEin Minuszeichen bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren F xstabilen entgegengesetzt gerichtet Das Minuszeichen bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren Fsich und xO entgegengesetzt gerichtet Das Minuszeichen bringt Ausdruck, dass die Vektoren F und x entgegengesetzt gerichtet Fällen die rücktreibende Kraft F = Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil sind. sind.

Fällen die rücktreibende Kraft F = Dx auf ihn.

Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil sind. sind. sind. sind. sind. mit der Richtgrösse (Federkonstanten) Dwirkt befestigt.

Der Körper K befindetKraft sichF =bei Oauf in der stabile nach links nach rechts der Ruhelage entfernt, in beiden Fällen die rücktreibende – Dx sind. sind. sind. sie gestaucht sieoder gestaucht ist. ausist.

Wirdzum er links oder nach aus der Ruhelage entfernt, wirkt in beide ihn.Gleichgewichtslage.

Einmal, dieMinuszeichen Feder gespannt, imnach anderen, weil siedie gestaucht ist.FVektoren Das Minuszeichen zum Ausdruck, Dasweil Minuszeichen bringt Ausdruck, dass Vektoren und x entgegengesetzt gerichtet Das bringt zum Ausdruck, dassrechts die F und xbringt entgegengesetzt gerichtet diesind. rücktreibende Kraft Fgerichtet = - Dx sind. auf ihn. Einmal, weil die Feder gespannt, im anderen, weil dassFällen die sind.

Vektoren F und x entgegengesetzt

sie gestaucht ist.

Das Minuszeichen bringt zum Ausdruck, dass die Vektoren F und x entgegengesetzt gerichtet sind.

1 2 12 121 2 der An einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Feder 2 An einer Stelle 1 = E p = beliebigen Dx .

1EEnergie An einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder .

1 An einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder .

Dx 1 E = Dx 2 An einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder .

2 An einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder . 1Dx 2. p2 Dx =Dx p EDx E=E 2 der Feder E p An einerbeliebigen beliebigen Stelle xdie beträgt die potentielle Energie derEEFeder AnAn einer beliebigen Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder . = p p=Dx = An einer beliebigen Stelle x beträgt potentielle Energie der Feder .

An einer Stelle x beträgt die potentielle Energie der Feder 2 p 2 p p Feder An einer beliebigen Stelle x Energie beträgt die potentielle Energie der .

22E p =2 Dx Energie Die gesamte des Systems ist gleich der potentiellen den Umkehrpunkten Die in gesamte Energie des 22 2gleich der Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also Die gesamte Energie des Systems ist potentiellen Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also Energie in d Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also 1 Die gesamte1Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also 1 1 Die gesamte Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also 2 2 An einer beliebigen x beträgt die Energie der Federalso 12gesamte E p E= = DxDa.2 , mit der Amplitu mit der Amplitude = potentielle x0.

1 Die Energie des potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, E Systems = Da 1 2a 2 2 , mit 1E 21Da der Amplitude a.,ist = gleich xStelle . der , mit Amplitude ax. 0x= = 1=1E = Da 2 der ,mit mit Amplitude ax= = 1der , mit der Amplitude a = x0. , der Amplitude a 22 E = 0.x=0.x00.

22Da E = Da E Da 2 2 , mit der Amplitude a , mit der Amplitude a = x E = Da E = Da , mit der Amplitude a = .

0 , mit der Amplitude a = x .

2 E = aDa E = Da 0 0 der2Amplitude = xgesamte 2 2 0.

2 2 Die Energie des Systems ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also 2 2 Besitzt der Körper K an der Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Ene Besitzt der Körper K an de 2 Besitzt Besitzt der Körper K an der Stelle xGeschwindigkeit die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Energie der Körper K Körper an der Stelle xGeschwindigkeit die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Energie Besitzt der Körper K an Stelle xder die Geschwindigkeit v,beträgt beträgt dort seine kinetische Energie Besitzt der Körper Kdort an der Stelle xseine die Geschwindigkeit v, beträgt dort s Besitzt der Körper K an der Stelle x die v, dort seine kinetische Energie Besitzt der Körper mit der Masse m an der Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Energie Besitzt der Körper Kder an der Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Energie Besitzt der Körper K an der Stelle x die v, beträgt dort seine kinetische Energie Besitzt der K an Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt dort kinetische Energie Besitzt der Körper K an der Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt seine kinetische Energie 1 1 1 2 2 2 1 2 2 E = Da , =mitgilt der aStelle =1 x0. gilt .Amplitude An dieser nach dem Energiesatz: 1= 1 EStelle mv EKin = mv . An dieser Ste An dieser gilt nach dem Energiesatz: 1dieser 2 KinStelle 2mv . dieser An nach dem E1Kin = mv 2 Stelle E 11= An gilt nach dem Energiesatz: 2.dieser . An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: .21.An Stelle gilt dem Energiesatz: mv 22 2 EKinEnergiesatz: = mv . An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: EE mv 2 nach 2 .

An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: E = mv .

An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: Kin=Kin E = mv Kin .

An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: = mv Kin 2 EEKin = mv 2 Kin Kin 2 2 x 1die Geschwindigkeit 2 2 1 Besitzt der Körper K an der Stelle v, beträgt dort seine kinetische Energie 1 1 22 2 2 2 1 12 p1 1 1E = 12E1k2Stelle +1 E ,221also . 2 1der 2Feder Ek2 + An einer beliebigen x+221beträgt die potentielle Energie . Ep, also E = 1 Da EDx mv 2 + Dx 12mv 1 1 1 2 E p =E =Dx 22 =2 .1 Da 1E1 21Da 21 2 = E = E E , also 2 Da 2 Dx 1 E = E + E , .

1 1 E = = mv + k,p+ palso 1 1 1 E = = k p E = E + E , also .

E = E + , also .

2 2 1 E = E + E , also .

2 2 2 E = E + E also .

An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: E = Da = mv + Dx E = Da = mv + Dx k p k 2 2 2 E = Da = mv + Dx Da 2=mv +Dx Dx Stelle 2.giltk nach 2p dem 2Energiesatz: 2 mv+ palso 2 2 Da mv Dx 2 k + E EE == EEkk ++kEEE= also Da mv Dx . An EEp,=E=also Da + pp,,E E=Kin 2= 2 2dieser 2 ..2+2 2 2 2 2 2=E=2=mv 22 2

2 22 Energie 222 Systems 2 22 Die gesamte des ist gleich der potentiellen Energie in den Umkehrpunkten, also 1 2 1 2 D1 2 D 2 2 = Ek Daraus + EDpD , also 1 2E ergibt D D 2E22=sich: =22D mv + 2 (a D ergibt 2D D 2Da 2D v = − .x 2 ) = y .D 2 v= D 2 Daraus ergibt sich: 2 2 D Daraus sich: . Dxsich: 2 , mit der Amplitude a = x .

Daraus ergibt sich: . v (a − = y 2 (a 2=−2x 2x.0)y D D Daraus ergibt sich: .

D D E = Da v = (a − x ) = y 2 2 2 D D Daraus ergibt sich: . v = ) = 2 2 Daraus ergibt 2 2 2 Daraus ergibt sich: v = (a − x ) = y 2(a 2 x (a 2) y v = (a − x 2 ) = y .

Daraus ergibt sich: v = − ) = m m Daraus ergibt sich: .

Daraus ergibt ergibt sich: sich: . m m v = − x = y Daraus . v = (a − x ) = y m m v= (a − x ) = y 2 m m m m m m m m mm mm m Besitzt der Körper K an der m Stelle x die Geschwindigkeit v, beträgt dort seine kinetische Energie

D 2D 2 D 2 D Daraus ergibt sich: vD = DD (a − x. ) = y .

10 ist 2v amBei Bei grössten, nämlich 0 ist v am grössten, nämlich . v = a D Bei 0 ist v am grössten, nä v =a D .

An dieser Stelle gilt nach dem Energiesatz: max m m D max Bei 0 ist v am grössten, nämlich .

E = mv D v = a Bei 0 ist v am grössten, nämlich .

D v = a Bei 0 ist v am grössten, nämlich .

Kin Bei 0 ist v am grössten, nämlich .

Bei 0 ist v am grössten, nämlich m v = a Bei 0 ist v am grössten, nämlich . max v = a v = a max m 0 ist v2am grössten, . max Bei 00 ist istBei am grössten, nämlichnämlich . v = a max max v = a Bei vvam grössten, nämlich . vmax max = a maxmm mm m m m 1 2 Kmkann 1 2als 1 Die Bewegung des Körpers Projektion einer E =E Ep, Körpers also .kann D Projektion E = Da mv + einer DxK2Kreisbewegung k + Die Bewegung des Körpers als Die Bewegung des Körper Die Bewegung des m kann als= Projektion eines einer Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Bei 0 ist v am grössten, nämlich .Körpers vmax =m' ades Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer 2 2 2 Die Bewegung K kann als Projektion einer Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse um 0 mit Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse m' um 0 mit m Kreisbewegung eines Kör Körpers mit der Masse m' umK'0K'mit mit dem Radius am' aufgefasst Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse m' 0eines mitvonKörpers K' mit der Masse Kreisbewegung eines mit der Masse m' um 0werden. mit Kreisbewegung eines Körpers mit der Masse m'um um 0um mit dem Radius aKörpers aufgefasst werden. ym' kann mit dem Satz Kreisbewegung m' um 0 mit Kreisbewegung eines Körpers der Masse 0 mit Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse um 0kann mit mit dem Satz von Kreisbewegung eines Körpers K'Radius mitK' der Masse m' um 0m' mit Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse um 0 mit dem a aufgefasst werden. y dem Radius a aufgefasst w dem Radius a aufgefasst werden. y kann mit dem Satz von dem Radius a aufgefasst werden. y kann mit dem Satz von 2 2kann dem Radius a aufgefasst werden. y kann mit dem Satz von dem Radius a aufgefasst werden. y kann mit dem Satz von dem Radius a aufgefasst werden. y mit dem Satz von demaa Radius aDie aufgefasst yDkann mit dem von Pythagoras als (awerden. x ) geschrieben dem Radius Radius aufgefasst werden. kann mit dem Satz von DSatz dem aufgefasst werden. yy−kann mit dem von Bewegung des Körpers kann als Projektion einer 22 KSatz 22werden.

2 .

2Pythagoras Daraus ergibt sich: 2von 2 2 als (a x ) geschrieben werden.

Pythagoras als (a 2 − x 2 ) y kann mit dem Satz Pythagoras als geschrieben werden. v = − x ) = y 2 (a 2 2 2 2 2 Pythagoras als − x ) geschrieben werden.

2x 2geschrieben Pythagoras als (a − ) werden.

2 (a 2x x 2(a 2− Pythagoras als ) geschrieben werden.

Pythagoras als (a − x ) geschrieben werden.

Pythagoras als − ) geschrieben werden.

Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse m' um 0 mit m Pythagoras − x ) geschrieben werden. m Pythagoras als (a (a als ) geschrieben geschrieben werden.

Pythagoras als −−xx )(a werden.

Der rotierende Körper mit der Masse m' undyder schwingende Körper dem Radius a aufgefasst werden. kann mit dem Satz vonmit der Masse m sollen Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der m solle Der rotierende Körper mit immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp.

B sein.

Damit das soMasse Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse mMasse Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse m sollen Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der m sollen 2 und 2 Der Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse msollen sollen rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mi Der rotierende Körper mit der Masse m' der schwingende Körper mit der Masse m Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse m sollen Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse m sollen Pythagoras als (a − x ) geschrieben werden.

Der rotierende Körper mit der Masse m' und der schwingende Körper mit der Masse m sollen immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp.

B sein.

Damit immer auf der gleichen ved ist,der muss diegleichen horizontale Geschwindigkeitskomponente von v'in immer gross sein wie die Dgleichzeitig sollen immer auf der Linie CD parallel zuliegen OE liegen und gleichzeitig inA, A,gleich resp. sein. immer auf vertikalen Linie CD und gleichzeitig in resp. sein.

Damit das immer auf gleichen vertikalen Linie CD liegen und A, resp.

BB sein.

Damit das soso immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig invertikalen A,resp. resp.

B sein.

Damit das so immer auf der gleichen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, re immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, B sein.

Damit das so Bei 0der ist vgleichen am grössten, nämlich . v = a immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp.

B sein.

Damit das so immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp.

B sein.

Damit das so immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp.

B sein.

Damit das so max ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich gross sein wie G d ist, muss die horizontale v ′gross asein ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich gross sein wie die Damit das so ist, muss die x-Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich gross sein wie ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich sein wie die m ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich gross wie die ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von v' immer gleich gross sein wie die Geschwindigkeit v des schwingenden K,v'v'und es muss gelten =Körper (ähnliche Dreiecke!). ist, muss die Der horizontale Geschwindigkeitskomponente von v'gleich immer gleich gross wie die a m sollen glei ist, muss muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente von immer gleich gross sein wiesein die ist, die horizontale Geschwindigkeitskomponente von immer gross sein wie die rotierende Körper mit der Körpers Masse m' und der schwingende mit der Masse v ′ ′avva′′v=aesaaymuss v′ ′agleichzeitig Geschwindigkeit vvertikalen des schwingenden Körpers gelten = (ähnliche Geschwindigkeit v des sch vund av=und immer auf der gleichen Linie CD liegen in A, resp.

B sein.

Damit dasDrei so ′vv′K, vgelten Geschwindigkeit vschwingenden des schwingenden Körpers K, und es muss (ähnliche ′ Geschwindigkeit v des schwingenden Körpers K, und es muss gelten =(ähnliche (ähnliche Dreiecke!).

Geschwindigkeit v des schwingenden Körpers K, und es muss gelten (ähnliche Dreiecke!).

Geschwindigkeit v des schwingenden Körpers K,Dreiecke!). und esymuss gelten Geschwindigkeit v des Körpers K, und es muss gelten = Dreiecke!). v Geschwindigkeit v schwingenden Körpers K, und es muss gelten = (ähnliche Dreiecke!). die Geschwindigkeit vdes des schwingenden Körpers, und es muss gelten (ähnliche Dreiecke!).

D Geschwindigkeit des schwingenden Körpers K, und es muss gelten = (ähnliche Dreiecke!).

D D Die Bewegung des Körpers K kann als Projektion einer Geschwindigkeit vvdes schwingenden Körpers K, und es muss gelten = (ähnliche Dreiecke!).

2 2 2 v y ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente v vvon y yv' immer gleich gross sein wie die

Mit v = v = konst. (a − x ) = y von oben wird v ′ = a vv 0v mit yy yv y m m 2 m m' um Kreisbewegung eines Körpers K' mit der Masse D D D D D 2 2 2 2 avD = D D 2= 2 D DD2oben2 wird Dv ′ =2 a D Mit D von 22 22 2 2DD = konst. v ′Mit (a − xwird ) = vyDD (a −Dreiecke!) x )= DD=2 D2 Radius 2D (a 2 2v Mit oben wird Mit vm =− konst. v= −D xD =yvon yvon voben des schwingenden K, und es muss (ähnliche Mit von oben wird D =v′=Da=y a=aD=konst. =Körpers konst. werden. kann mit dem Satz von vDdem (a −)Geschwindigkeit )xa2=))2aufgefasst yD 2)x 2von Mit von oben wird 2 ′va Mit vonm obengelten wird v ′ = = Mit von oben wird v = konst. v = (a x = y 2(a 22− a = konst. (a x ) = y v = a ′ v = − x = m m m ′ Mit von oben wird Mit oben wird = konst. v = (a − = y v = a = konst. v = (a − x ) = y Mit von oben wird ′ ′ v′ = a =mkonst. m v= (a −mxm) = y m mm v y m m m m m m m m m m2 m 2 m m m m m m Pythagoras als (a − x ) geschrieben werden.

43

D D 2 D 2 = konst. (a − x 2 ) = y von oben wird v ′ = a m m m 43 4343 Der rotierende Körper mit der Masse m' und 43 43Masse m sollen 43 der schwingende Körper mit der 4343 43 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Mit v =

42

immer auf der gleichen vertikalen Linie CD liegen und gleichzeitig in A, resp. B sein. Damit das so ist, muss die horizontale Geschwindigkeitskomponente 43 von v' immer gleich gross sein wie die

Der Körper mit der Masse m' bewegt sich also gleichförmig mit der Geschwindigkeit vmax.

Die Schwingungszeit der Feder stimmt also mit der Umlaufszeit T des Körpers mit der Masse m' überein. Aus der kinematischen Formel "Geschwindigkeit = Weg geteilt durch Zeit" folgt für die Bewegung des Körpers mit derzur Masse m' Unterlagen Nachbearbeitung Schalllabor Unterlagenzur Nachbearbeitung Schalllabor iLabiLab

2aπ

Körper mit der Masse m' bewegt sich also gleichförmig gleichförmig mit der .. vKörper = mit Kreisumfang geteilt durch sich die T, also vder =Geschwindigkeit .

Der mit der Masse m'bewegt bewegt sichUmlaufszeit also mit Geschwindigkeit vmaxv.max max DerDer Körper der Masse m' also gleichförmig mit der Geschwindigkeit vmax T DieSchwingungszeit Schwingungszeitder Feder stimmt stimmt also T Tdes Körpers mitmit derder m' m' überein. Aus der Feder alsomit mitder derUmlaufszeit Umlaufszeit Körpers Masse DieDie Schwingungszeit derder Feder stimmt also mit der Umlaufszeit Tdes des Körpers mitMasse der Masse m' überein. Aus der kinematischen Formel "Geschwindigkeit = Weg mgeteilt durch Zeit" folgt für die überein.

Aus der kinematischen Formel "Geschwindigkeit = Weg geteilt durch Zeit" folgt für die Die Schwingungszeit der Feder beträgt also T = 2π .

Sie ist unabhängig von der Amplitude kinematischen Formel «Geschwindigkeit = Weg geteilt durch Zeit» folgt für die Bewegung des Körpersa.mit der Bewegung des Körpers mit der Masse m' D Bewegung des Körpers mit der Masse m' Masse m' 2aπ Die hier aufgestellte Beziehung gilt nicht v = Kreisumfang geteilt durch die Umlaufszeit T, nur alsofür vmaxdas = Beispiel 2a.π mit der schwingenden Feder, sondern für jede Schwingung um eine Gleichgewichtslage, = Kreisumfang geteilt durch die Umlaufszeit T, also also vmaxwenn v = vKreisumfang geteilt durch die Umlaufszeit T, =T die. rücktreibende Kraft proportional zur T Auslenkung aus der Ruhelage ist, also für alle harmonischen Schwingungen.

Beispiele: elastisch befestigte Körper (Körper m an einer Schraufbenfeder, ein eingespannter Stab, DieSchwingungszeit Schwingungszeitder derFeder Federbeträgt beträgt also also T = 2π . Sie der Amplitude a. a.

Die Sieist istunabhängig unabhängigvon von der Amplitude eine Flüssigkeitsschwingung in einem U-Rohr).

DmFür kleine Amplituden gilt das auch für Die Schwingungszeit der Feder beträgt also T = 2π .

Sie ist unabhängig von der Amplitude a.

Pendelschwingungen.

D DieIdee hierdieser aufgestellte Beziehung giltauf nicht nur für das Beispiel mit der der schwingenden Feder, sondern Polygraphischer Die Herleitung basiert Ausführungen im Lehrbuch Physik, Seiler/Hardmeier, für jede Schwingung eine Gleichgewichtslage, wenn die rücktreibende zur Die Idee dieser um Herleitung basiert auf Ausführungen im LehrbuchKraft der proportional Physik, Seiler/Hardmeier, Verlag Zürich.

Die hier aufgestellte Beziehung gilt nicht nur fürharmonischen das BeispielSchwingungen. mit der schwingenden Feder, sondern Auslenkung aus der Ruhelage ist, also für alle Polygraphischer Verlag Zürich. für jede Schwingung eine Gleichgewichtslage, wenn die rücktreibende Kraft proportional Beispiele: elastischum befestigte Körper (Körper an einer Schraufbenfeder, ein eingespannter Stab, zur eine Flüssigkeitsschwingung in einem U-Rohr).

Für kleine Amplituden gilt das auch für Auslenkung aus der Ruhelage ist, also für alle harmonischen Schwingungen.

Visualisierung der harmonischen Schwingung durch Projektion einer Kreisbewegung Pendelschwingungen.

Beispiele: elastisch befestigte Körper (Körperwird andurch einer Schraufbenfeder, einPendelkörper eingespannter Stab, Visualisierung harmonischen Schwingung Projektion einer Kreisbewegung Ein an derder Decke hängendes Pendel so angestossen, dass der von oben eineEin Flüssigkeitsschwingung in einem U-Rohr).

Für kleine Amplituden gilt das auch für betrachtet einen Kreis beschreibt.

Die Bewegung des Pendelkörpers wird als Schatten auf einen einen an der Decke hängendes Pendel wird so angestossen, dass der Pendelkörper von oben betrachtet Die Idee dieser Herleitung basiert auf Ausführungen im Lehrbuch der Physik, Seiler/Hardmeier, Pendelschwingungen.

Schirm projiziert.

Dieser Schatten schwingt hin und her.

Eine Schwingung mit dieser Polygraphischer Verlag Zürich. des Pendelkörpers wird als Schatten auf einen Schirm projiziert. Dieser Schatten Kreis beschreibt. Die Bewegung Gesetzmässigkeit heisst "harmonisch". schwingt hin und her.

Eine Schwingung mit dieser Gesetzmässigkeit heisst «harmonisch».

Die Idee dieser Herleitung basiert aufSchwingung Ausführungen im Lehrbuch Physik, Seiler/Hardmeier, Visualisierung der harmonischen durch Projektionder einer Kreisbewegung Polygraphischer Verlag Zürich.

Ein an der Decke hängendes Pendel wird so angestossen, dass der Pendelkörper von oben betrachtet einen Kreis beschreibt. Die Bewegung des Pendelkörpers wird als Schatten auf einen

Visualisierung der harmonischen Schwingung Projektion einer Kreisbewegung SchirmProjektionsschirm projiziert.

Dieser Schatten schwingt hin und her.

Schwingung mit dieser Pendel vondurch obenEine betrachtet.

Licht Gesetzmässigkeit heisst "harmonisch".

Ein an der Decke hängendes Pendel wird so angestossen, dass der Pendelkörper von oben betrachtet einen Kreis beschreibt. Die Bewegung des Pendelkörpers wird als Schatten auf einen Schirm projiziert. Dieser Schatten schwingt hin und her. Eine Schwingung mit dieser Gesetzmässigkeit heisst "harmonisch".

Projektionsschirm Pendel von oben betrachtet.

Licht

Projektionsschirm

Pendel von oben betrachtet.

Schatten des Pendelkörpers

Licht Decke mit Pendelaufhängung

Schatten des Pendelkörpers

Decke mit Pendelaufhängung

Das gleiche Pendel von der Seite betrachtet.

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Schatten des Decke mit Das gleiche Pendel der Seite betrachtet.

Pendelkörpers Harmonische Schwingungen entstehen, wenn dievon Rückstellkraft proportional zur Auslenkung des schwingenden Pendelaufhängung

Körpers aus der Ruhelage, also proportional zur Elongation ist. Für solche Systeme gilt das lineare Kraftgesetz. Im Harmonische Schwingungen entstehen, wenn die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung des Zusammenhang mit elastischen Körpern handelt es also sich dabei um das Gesetz von Hooke. z.B. ein Systeme Körper schwingenden Körpers aus der Ruhelage, proportional zur Elongation ist.Wenn Für solche durch ortsunabhängige Kraft in die Ruhelage wird, schwingt er nicht harmonisch, gilteine daskonstante lineare Kraftgesetz.

Im Zusammenhang mitzurückgezogen elastischen Körpern handelt es sich dabei um wenn er losgelassen wird.

Das gleiche Pendel von der Seite betrachtet. das Gesetz von Hooke. Wenn z.B. ein Körper durch eine konstante ortsunabhängige Kraft in die

Ruhelage zurückgezogen wird, schwingt er nicht harmonisch, wenn er losgelassen wird.

44 44

Die Kugel bewegt sich nicht harmonisch, da die Hangabtriebskraft immer den gleichen Betrag hat.

Wird für eine harmonische Schwingung die Elongation versus die Zeit grafisch dargestellt, entsteht

Wirdeine für eine harmonische Schwingung Elongationentsteht, versus diewenn Zeit grafisch dargestellt, entsteht eineeiner SinuskurSinuskurve.

Ebenfalls einedie Sinuskurve die y-Koordinate eines auf ve. Kreisbahn Ebenfalls eine Sinuskurve entsteht, wenn die y-Koordinate eines auf einer Kreisbahn um den Koordinatenurum den Koordinatenursprung rotierenden Punktes versus Phasenwinkel abgetragen sprung rotierenden Punktes versus Phasenwinkel abgetragen Der Phasenwinkel ist der Winkel zwischen wird.

Der Phasenwinkel ist der Winkel zwischen derwird. x-Achse und dem zum rotierenden Punktder 44 Radiusvektor der Kreisbahn. x-Achse und dem zum rotierenden gehörigen gehörigen Radiusvektor derPunkt Kreisbahn.

Wenn im Unterricht das Gesetz von Hooke schon behandelt worden ist, kann darauf hingewiesen werden, dass elastische Körper, deren Auslenkung aus deriLab Ruhelage zurSchalllabor 43 Schülerlabor :: Unterlagenproportional zur Nachbearbeitung Rückstellkraft ist, harmonisch schwingen. Das ist so bei Blattfedern und Schraubenfedern. Beim Fadenpendel gilt das lineare Kraftgesetz nur für kleine Amplitude hinreichend genau.

Wenn im Unterricht das Gesetz von Hooke schon behandelt worden ist, kann darauf hingewiesen werden, dass elastische Körper, deren Auslenkung aus der Ruhelage proportional zur Rückstellkraft ist, harmonisch schwingen.

Das ist so bei Blattfedern und Schraubenfedern oder einer Flüssigkeit in einem U-Rohr. Beim Fadenpendel gilt das lineare Kraftgesetz nur für kleine Amplitude hinreichend genau.

Schallerzeugende Körper schwingen harmonisch. Sie heissen deshalb auch harmonische Oszillatoren.

Bezug zur Wissenschaft und Forschung Schwingungen sind wichtig in fast allen physikalischen Gebieten. Der harmonische Oszillator ist eines der wichtigsten Modelle in der Physik. Mit ihm können z.B. auch Probleme aus der Quantenwelt (Atome, Moleküle) angegangen werden.

4.1.3. Einige wichtige Begriffe Frequenz f: Anzahl Schwingungen pro Sekunde gemessen in Hertz (1 Hertz = 1 pro Sekunde = 1/s = s–1).

Schwingungsdauer T (auch Periode genannt): Zeit für eine Schwingung (einmal hin und her). T wird in Sekunden (s) gemessen.

Es gilt f = 1/T. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen f und T verlangt etwas Abstraktionsvermögen. Schwierigkeiten treten meistens dann auf, wenn T > 1 s ist.

Amplitude a: Weg eines schwingenden Körpers von der Nulllage (Lage, als er noch ruhte) bis zu seiner grössten Abweichung von dieser Lage.

Hinweis: Es geht hier um die Länge des zurückgelegten Weges und nicht um die Distanz des oszillierenden Körpers (Schwinger) zur Nulllage. In vielen Fällen genügt es aber, diese Distanz zu messen (z.B. bei Fadenpendeln mit kleiner Amplitude).

Die Frequenz f und die Amplitude a sind bei harmonischen Schwingungen unabhängig von einander. Das ist auch der Grund dafür, dass sich die Frequenz bei schwach gedämpften Schwingungen nur wenig ändert.

Im Unterricht auf Stufe Sek I kann auf Begriffe wie «Phasenwinkel», «Phasenverschiebung», «Elongation» verzichtet werden.

44 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

4.1.4. Schallerzeugung und Eigenschwingungen Schall entsteht, wenn ein schwingender Körper in einem elastischen (fest, flüssig oder gasförmig) Medium wellenartige sich ausbreitende Störungen erzeugt, die durch ein Messinstrument oder im Falle von Hörschall über ein biologisches Organ wahrgenommen werden können.

Anregung schwingfähiger Systeme Schall ist mit mechanischen Schwingungen von Schallerzeugern verbunden. Diese werden angeregt, wenn die Moleküle eines Schallerzeugers, durch eine äussere Kraft aus ihrer Gleichgewichtslage herausbewegt und dann sich selbst überlassen werden. Die dabei entstehenden Druckschwankungen durchlaufen den Schallerzeuger, werden an seiner Grenze reflektiert und können sich durch gegenseitige Überlagerung zu einer stehenden Welle ausbilden. Der Schallerzeuger schwingt dann «im Takte» dieser Welle mit einer von seiner Geometrie abhängigen «Eigenschwingung». Weil dabei Energie an die Umgebung abgegeben wird, sind die Schwingungen gedämpft und müssen dauernd neu angeregt werden, damit der Körper weiter schwingt.

In solche «Eigenschwingung» versetzen lassen sich feste Körper, Flüssigkeiten und Gase mit begrenztem Volumen.

Eigenschwingung eines schwingenden Systems Die Frequenzen eines schwingenden Systems sind durch die Anordnung und Beschaffenheit seiner einzelnen Teile bestimmt. Jedes System hat seine charakteristischen Schwingungsfrequenzen, wenn es frei und ungezwungen schwingen kann. In der Regel besitzt eine solche Anordnung mehrere diskrete Eigenschwingungsfrequenzen.

Wenn Pendel oder andere schwingfähige Körper kurz angestossen werden, beginnen sie in ihrem eigenen «Takt» zu schwingen. Solche freie, nicht erzwungene Schwingungen heissen Eigenschwingungen. Die Eigenschwingungsfrequenz entspricht der Anzahl Schwingungen pro Sekunde, die eine Eigenschwingung besitzt.

Die Eigenschwingungsfrequenz eines Fadenpendels ist durch die Fadenlänge, nicht aber durch die Amplitude (sofern diese hinreichend klein ist) und auch nicht durch die Masse des Pendelkörpers (Schwinger) bestimmt.

Streng genommen muss auch die Geometrie und Masse des Fadens oder der Aufhängung berücksichtigt werden Die Eigenschwingungsfrequenz einer Schraubenfeder wechselt je nach Federhärte und Masse des Schwingers, der durch die Feder bewegt wird. Auch hier muss die Masse der Feder und die Art ihrer Befestigung berücksichtigt werden.

Schraubenfedern können • longitudinal (längs), • transversal (quer) und • torsal (drehend) schwingen.

Bei Stäben (Blattfedern, Zungen) hängt die Grund-Eigenschwingungsfrequenz der Biegeschwingung vom Material und der Länge des schwingenden Teils des Stabes ab. Eine wichtige Rolle spielt die Art der Einspannung (einseitig, beidseitig oder in einem Schwingungsknoten zwischen den Enden).

Stäbe können angeregt werden zu: • Biegeschwingungen (Transversalschwingung), • Dehnschwingungen (in Längsrichtung, also Longitudinalschwingung) • Drehschwingungen (Torsionsschwingung).

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 45

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Biegeschwingung einer Blattfeder Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Biegeschwingung einer Blattfeder

Biegeschwingung einer Blattfeder Bild oben: leifi.physik.uni-muenchen.de

Anregung eines an Fäden aufgehängten Stabes zu Dehnschwingungen

Bild oben: leifi.physik.uni-muenchen.de

Anregung eines an Fäden aufgehängten Stabes zu Dehnschwingungen

Bild oben: leifi.physik.uni-muenchen.de Bilder Links: Technische Akustik,

Bilder Links: Ivar Veit, Vogel-Verlag Technische Akustik, Ivar Veit, Vogel-Verlag Anregung eines einseitig eingespannten Stabes zu einer Torsionsschwingung durch Ausüben eines Anregung eines an Fäden aufgehängten Stabes Drehmomentes um die Stabachse. zu Dehnschwingungen Anregung eines einseitig eingespannten Stabes zu einer Torsionsschwingung durch Ausüben eines Drehmomentes um die Bei Saiten hängt dieStabachse.

Grundschwingungsfrequenz

Bilder Links: Technische Akustik, Ivar Veit,Biegeschwingung Vogel-Verlageiner Blattfeder Bild oben: leifi.physik.uni-muenchen.de

(die kleinste existierende Eigenschwingungsfrequenz) von der Länge, der Zugspannung und der Dichte ab. Die Frequenz ist indirekt Bilder Links: Technische Akustik, Bei Saiten dieLänge Grundschwingungsfrequenz (die kleinste existierende Eigenschwingungsproportional und proportional zur(die Wurzel des Quotienten aus Zugspannung und von Dichte Bei Saiten hängt hängtzur die Grundschwingungsfrequenz kleinste existierende Eigenschwingungsfrequenz) der Ivar Veit, Vogel-Verlag frequenz) von der Länge, der Zugspannung und der Dichte ab.

Die Frequenz ist indirekt des Saitenmaterials.

Länge, der Zugspannung und der Dichte ab. Die Frequenz ist indirekt proportional zur Länge und proportional zur proportional zur LängeAnregung und proportional zur Wurzel des Quotienten aus Zugspannung und Dichte eines einseitig eingespannten zu Wurzel des Quotienten aus Zugspannung und DichteStabes des Saitenmaterials. desOberschwingungen Saitenmaterials. einer Torsionsschwingung durch Ausüben eines Drehmomentes um die Stabachse.

Oberschwingungen Bei der Biegeschwingung vondieStäben und bei Saiten können neben der Grundschwingung auch Bei Saiten hängt Grundschwingungsfrequenz (die kleinste existierende EigenschwingungsOberschwingungen Oberschwingungen auftreten.

Diese ebenfalls aber eine frequenz) von der Länge, der sind Zugspannung und Eigenschwingungen, der Dichte ab. Die Frequenzweisen ist indirekt proportional zurStäben Länge und proportional zur Wurzel desneben Quotienten Zugspannung Dichteauch Bei derBiegeschwingung Biegeschwingung Stäben und bei Saiten können neben der Grundschwingung auchund OberschwingunBei der von und bei Saiten können deraus Grundschwingung höhere Frequenz auf von als die Grundschwingung. des Saitenmaterials.

Oberschwingungen auftreten.

Diese sind ebenfalls Eigenschwingungen, weisen aber eine gen auftreten. Diese sind ebenfalls Eigenschwingungen, weisen aber eine höhere Frequenz auf als die Grundhöhere Frequenz auf als die Grundschwingung.

Oberschwingungen schwingung.

Bei der Biegeschwingung von Stäben und bei Saiten können neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen auftreten. Diese sind ebenfalls Eigenschwingungen, weisen aber eine höhere Frequenz auf als die Grundschwingung.

Schwingungsformen eingespannten Schwingungsformen einer einer einseitig einseitig eingespannten Blattfeder Blattfeder Schwingungsformen einer einseitig eingespannten Schwingungsformen einer einseitig eingespannten Bildnachweis: http://www.kip.uniBlattfeder Blattfeder heidelberg.de/ungeordnete_fk/Bilder/reed_modes1-3.gif Bild oben:

Seitenansicht einer transversal schwingenden Saite.

Bildnachweis: http://www.kip.unihttp://www.kip.uni-heidelberg.de/ungeordnete_fk/ Bildnachweis: http://www.kip.uniheidelberg.de/ungeordnete_fk/Bilder/reed_modes1-3.gif oben: Grundschwingung Seitenansicht einer transversal schwingenden Saite. heidelberg.de/ungeordnete_fk/Bilder/reed_modes1-3.gif Mitte: erste Oberschwingung Bilder/reed_modes1-3.gif Bild rechts: Technische Akustik, Seitenansicht Seitenansicht einer transversal schwingenden oben: Grundschwingung einer transversal schwingenden Saite.

Ivar Veit, Vogel-Verlag Bild rechts: Technische Akustik, unten: zweite Oberschwingung Mitte: erste Oberschwingung Saite. oben: Grundschwingung oben: Grundschwingung Ivar Veit, Vogel-Verlag unten: zweite Oberschwingung Bild rechts: Technische Akustik, Mitte: erste Oberschwingung Bild rechts: Mitte: erste Oberschwingung Ivar Veit, Vogel-Verlag unten: zweite Oberschwingung

Technische Akustik, Ivar Veit, Vogel-Verlag

unten: zweite Oberschwingung

47 46 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

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Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab iLab

Stimmgabelschwingung Stimmgabelschwingung Physikalisch gesehen istStimmgabel die Stimmgabel einbeiden auf beiden Seiten offener Physikalisch gesehen ist die ein auf Seiten offener Stimmgabelschwingung Biegeschwinger, der in einem Schwingungsbauch aufgestützt ist. Die Biegeschwinger, der in einem Schwingungsbauch aufgestützt ist.

Die Physikalisch gesehen ist die Stimmgabel ein auf beiden Seiten offener BieGrundschwingung (rechts im Bild) ist sehr frequenzstabil.

Grundschwingung im Bild) ist sehr frequenzstabil. geschwinger,(rechts der in einem Schwingungsbauch aufgestützt ist. Die GrundOberschwingungen (wie links im Bild) werden rasch gedämpft.

Oberschwingungen (wie links im Bild) werden sehrsehr rasch gedämpft.

Mit Mit schwingung (rechts im Bild) ist sehr frequenzstabil.

Oberschwingungen (wie Stimmgabeln kann deshalb ein fast reiner Sinuston erzeugt werden.

Stimmgabeln kann deshalb ein fast reiner Sinuston erzeugt werden. links im Bild) werden sehr rasch gedämpft. Mit Stimmgabeln kann deshalb ein fast reiner Sinuston erzeugt werden.

Bild: Technische Akustik,

Einige Formeln Einige Formeln

Bild: Technische Akustik, Bild: Technische Akustik, IvarVogel-Verlag Veit, Vogel-Verlag Ivar Vogel-Verlag Veit, Ivar Veit,

Einige Formeln

1 1 T = 2Tπ= 2πl T = 2π g g g

Fadenpendel der Länge g = 9.81 Fadenpendel der Länge l undl und mit gmit = 9.81 m/s: m/s: Fadenpendel der Länge l und mit g = 9.81 m/s:

m m = 2mπD T =T2T=π2π D D l2 l 2 T ∝TlT2 ∝

Schraubenfeder derMasse Masse m Ferderkonstante Schraubenfeder der mund und Federkonstante Schraubenfeder der Masse m und Federkonstante D:D: D:

Blattfeder der Länge l,l einseitig einseitig fest: Blattfeder der Länge Blattfeder der Länge l, einseitig fest:fest:

l2l 2l Stabpendel der ll (fester (fester Stab an einem Ende Stabpendel der Länge l (fester Stab an an einem Ende Stabpendel derLänge Länge Stab einem Ende aufgehängt): T =T2T=π2π = 22π3g aufgehängt: aufgehängt: 3g 3g Anregung von Schwingungen

Anregung von Schwingungen Anregung von Schwingungen Durch periodische Energiezufuhr im Takte der Eigenfrequenz kann eine Schwingung angeregt werden. Eine KinderDurch periodische Energiezufuhr im Takte der Eigenfrequenz kann eine Schwingung angeregt Durch periodische Energiezufuhr imimTakte derTakt Eigenfrequenz kann einedie Schwingung angeregt schaukel wird durch Anstossen richtigen aufgeschaukelt.

Stimmt Anregungsfrequenz mit der Eigenfrewerden.

Eine Kinderschaukel wird durch Anstossen im richtigen Takt aufgeschaukelt.

Stimmt werden.

Eine Kinderschaukel wird durch Anstossen im richtigen Takt aufgeschaukelt.

Stimmt die die quenz überein, wird von Resonanz gesprochen: «Der angeregte schwingende Körper resoniert.» Im Resonanzfall Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz überein, wird von Resonanz gesprochen: "Der Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz überein, wird von Resonanz gesprochen: "Der wird die Amplitude der Schwingung immer grösser, bis zur Resonanzkatastrophe.

Die der Resonanzkatastrophe tritt angeregte schwingende Körper resoniert."

Im Resonanzfall die Amplitude Schwingung angeregte schwingende Körper resoniert."

Im Resonanzfall wird wird die Amplitude der Schwingung ein, wenn diezur zugeführte Energie so gross wird, ursprüngliche Schwingungssystem zerstört immer grösser, bisResonanzkatastrophe. zur Resonanzkatastrophe.

Diedas Resonanzkatastrophe tritt wenn ein, wenn die wird, ausser immer grösser, bis Diedass Resonanzkatastrophe tritt ein, die es werde durch die Energiezufuhr so verändert, dass es «aus dem Takt fällt».

Diese mildere Form «Zerstörung» zugeführte Energie so gross das ursprüngliche Schwingungssystem zerstört wird, zugeführte Energie so gross wird,wird, dassdass das ursprüngliche Schwingungssystem zerstört wird,der ist nicht so wie derso Einsturz der Tacoma-Hängebrücke, die wegen Windstösse ausser es werde durch die Energiezufuhr so verändert, es "aus Takt fällt".

Diese mildere ausser es natürlich werde durch diespektakulär Energiezufuhr verändert, dassdass es "aus demdem Takt fällt".regelmässiger Diese mildere derResonanzkatastrophe "Zerstörung" ist natürlich so spektakulär wie Einsturz der Einsturz der Tacomain der endete.

Siehe: FormForm der "Zerstörung" ist natürlich nichtnicht so spektakulär wie der der TacomaHängebrücke, die wegen regelmässiger Windstösse in Resonanzkatastrophe der Resonanzkatastrophe endete.

Siehe: Hängebrücke, die wegen regelmässiger Windstösse in der endete.

Siehe: http://www.bernd-nebel.de/bruecken/4_desaster/tacoma/tacoma.html http://www.bernd-nebel.de/bruecken/4_desaster/tacoma/tacoma.html und http://www.bernd-nebel.de/bruecken/4_desaster/tacoma/tacoma.html und und http://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw http://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw http://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw Resonanz spielt in Technik und Umwelt eine grosse Rolle: Fahrende Lastwagen oder Züge lassen Häuser reso-

Resonanz in Technik Umwelt grosse Rolle: Fahrende Lastwagen lassen Resonanz spieltspielt in Technik und und Umwelt eine eine grosse Rolle: Fahrende Lastwagen oderoder ZügeZüge lassen nieren.

Motoren, insbesondere wenn sie schlecht ausgewuchtet sind, erzeugen Erschütterungen.

Dabei spielen Häuser resonieren.

Motoren, insbesondere sie schlecht ausgewuchtet erzeugen Häuser resonieren.

Motoren, insbesondere wennwenn sie schlecht ausgewuchtet sind,sind, erzeugen auch Kreiselprobleme eine Rolle.auch versetzen Masten und Bäume in Schwingungen.

Eine starke WindErschütterungen.

Dabei spielen Kreiselprobleme Rolle.

Sturmböen versetzen Masten Erschütterungen.

Dabei spielen auch Sturmböen Kreiselprobleme eine eine Rolle.

Sturmböen versetzen Masten böe kann eine durch Schwingung aus der Vertikalen stark Baumspitze beider maximaler Amplitude Bäume in Schwingungen. starke Windböe kann eine durch Schwingung aus der und und Bäume in Schwingungen.

EineEine starke Windböe kann eineausgelenkte durch Schwingung aus erfassen und den Baumstamm ausdrehen, wenn nicht schon vorher eine Resonanzkatastrophe durch Vertikalen stark ausgelenkte Baumspitze bei maximaler Amplitude erfassen und den Baumstamm Vertikalen stark ausgelenkte Baumspitze bei maximaler Amplitude erfassen und den BaumstammBruch des ausdrehen, schon vorher eine Resonanzkatastrophe durch Bruch desüberein, Stammes Stammes eingetreten ist.

Stimmt die Anregungsfrequenz nicht mit der Eigenfrequenz handelt es sich ausdrehen, wennwenn nichtnicht schon vorher eine Resonanzkatastrophe durch Bruch des Stammes eingetreten ist. Stimmt die Anregungsfrequenz nicht mitschwächer, der Eigenfrequenz überein, handelt eingetreten ist. erzwungene Stimmt dieSchwingung.

Anregungsfrequenz nichtist mit der Eigenfrequenz überein, handelt es es mit der um eine Ihre Amplitude umso je weniger die Anregungsfrequenz um eine erzwungene Schwingung.

Amplitude ist umso schwächer, je weniger sich sich umEigenfrequenz eine erzwungene Schwingung.

Ihre Ihre Amplitude ist umso schwächer, je weniger die die übereinstimmt.

Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt.

Anregungsfrequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt.

Grafisch lässt sich das mit einer Resonanzkurve darstellen:

Grafisch daseiner mit einer Resonanzkurve darstellen: Grafisch lässtlässt sich sich das mit Resonanzkurve darstellen: Amplitude Amplitude der der angeregten angeregten Schwingung Schwingung

Erregungsfrequenz Erregungsfrequenz Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz

48 48 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 47

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Chladnifiguren Eigenschwingungen treten auch auf Flächen und bei Körpern auf. Bekannt sind Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab die Chladnifiguren auf Metallplatten, die Chladnifiguren Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab durch einen Geigenbogen oder mit einem Eigenschwingungen treten auch auf Flächen und bei Körpern auf. Bekannt sind die Chladnifiguren auf Metallplatan einen Tonfrequenzgenerator Chladnifiguren ten, die durch einen Geigenbogen angeregt oder mit einem an einen Tonfrequenzgenerator angeschlossenen Lautsprecher angeschlossenen Lautsprecher Eigenschwingungen treten auch auf Chladnifiguren angeregt werden können. werden können.

Flächen und bei Körpern auf. Bekannt sind Eigenschwingungen treten auch auf die Chladnifiguren Flächen auf Metallplatten, die und bei Körpern auf. Bekannt sind durch einen Geigenbogen oder mit einem die Chladnifiguren auf Metallplatten, die an einen Tonfrequenzgenerator durch einen Geigenbogen oder mit einem angeschlossenen Lautsprecher angeregt an einen Tonfrequenzgenerator werden können. angeschlossenen Lautsprecher angeregt werden können.

Quelle: Quelle:http://leifi.physik.unimuenchen.de/web_ph12/versuche/10chl http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/ adni/chladni.htm

Quelle: http://www.weltderphysik.de/_img/article_large/20081102_Ch ladnischeKlangfiguren_Stoeckmann_rdax_240x300_80.jpg

versuche/10chladni/chladni.htm

Quelle:

Wittenberg geboren. Nach dem Schulbesuch in Grimma studierte er Ernst Florenz Friedrich Chladni wurde 1756 in Quelle: http://www.weltderphysik.de/_img/article_large/ in Wittenberg und Leipzig. Nach dem Tode des auf Drängen des Vaters Philosophie und Rechtswissenschaften http://www.weltderphysik.de/_img/article_large/20081102_Ch Quelle: Quelle: http://leifi.physik.uniVaters wandte er sich den NaturwissenschaftenladnischeKlangfiguren_Stoeckmann_rdax_240x300_80.jpg zu und strebte eine Mathematik-Professur in Wittenberg an. Dieses 20081102_ChladnischeKlangfiguren_Stoeckmann_ http://www.weltderphysik.de/_img/article_large/20081102_Ch muenchen.de/web_ph12/versuche/10chl Ziel erreichteQuelle: er nicht.http://leifi.physik.uniIn der Folge machte er sich durch selbständige wissenschaftliche Leistungen einen Namen. Er ladnischeKlangfiguren_Stoeckmann_rdax_240x300_80.jpg rdax_240x300_80.jpg adni/chladni.htm begründete die experimentelle Akustik und entdeckte die nach ihm benannten chladnischen Klangfiguren. Auf muenchen.de/web_ph12/versuche/10chl Vortragsreisen erzeugte er Töne mit dem von ihm entwickelten Musikinstrument Euphon (Glasstäbe unterschiedlicher adni/chladni.htm Länge). Außerdem erkannte Chladni, dass Meteoriten keine irdischen atmosphärischen Erscheinungen, sondern wurde 1756 in Wittenberg geboren.

Nach dem in Grimma studierte er starb Ernst Florenz Friedrich Chladni Ernst Florenz Friedrich Chladni wurde 1756 inBuch Wittenberg geboren.

Nach dem Schulbesuch in Grimma studierte er auf Drängen des am Vaters Himmelskörper sind. 1819 erschien sein "Über Feuermeteore".

ErSchulbesuch gilt als Begründer der Meteoritik.

Er Rechtswissenschaften in Wittenberg Nach dem desNaturwissenschaften auf Drängen des Philosophie Philosophie und Rechtswissenschaften inChladni Wittenberg und Leipzig. demund TodeLeipzig. des Vaters wandte erTode sich den 1827 in Vaters Breslau.

Ernst Florenzund Friedrich wurde 1756 inNach Wittenberg geboren.

Nach dem Schulbesuch in Grimma studierte er Vaters wandte er sich den Naturwissenschaften zu und strebte eine Mathematik-Professur in Wittenberg Dieses Rechtswissenschaften in In Wittenberg und an.

Leipzig.

Nach dem Tode des aufeine Drängen des Vaters Philosophie zu und strebte Mathematik-Professur in Wittenbergund an. Dieses Ziel erreichte er nicht. der Folge machte er sich durch selbständige Ziel erreichte er nicht. In der Folge machte er sich durch selbständige wissenschaftliche Leistungen einen Namen.

ErWittenberg an. Dieses Vaters wandte er sich den Naturwissenschaften zu und strebte eine Mathematik-Professur in wissenschaftliche Leistungen einen Namen.

Er begründete die experimentelle Akustik und entdeckte die nach ihm benannten Die Bedeutung für die Atomphysik: Klangfiguren. Auf Leistungen chladnibegründete die experimentelle Akustik und entdeckte die nach ihmerbenannten chladnischen Ziel erreichte er Verhalten nicht.

Inerzeugte der Folge machte sich durch selbständige wissenschaftliche einen Namen. Er Mit Chladnifiguren kann das von Wellen in einem abgegrenzten mehr als eindimensionalen Raum unterschiedgezeigt schen Klangfiguren.

Auf Vortragsreisen er Töne mit dem von ihm entwickelten Musikinstrument Euphon (Glasstäbe Vortragsreisen erzeugte er Töne mit dem von ihm entwickelten Musikinstrument Euphon (Glasstäbe unterschiedlicher Klangfiguren.

Auf begründete die experimentelle Akustik und entdeckte die nach ihm benannten chladnischen werden.

Die Klangbilder lassen sich mit sich zweidimensionale Wellen erklären. In Analogie licher Länge).

Außerdem erkannte Chladni, dass überlagernde Meteoriten keine irdischen atmosphärischen Erscheinungen, sondern zu Himmelskörper Länge). Außerdem erkannte Chladni, dass Meteoriten keine irdischen atmosphärischen Erscheinungen, sondern Vortragsreisen erzeugte er Töne mit und dem von ihm entwickelten Musikinstrument Euphon (Glasstäbe unterschiedlicher akustischen Eigenschwingungen besitzen Atome andere Quantenobjekte Energie-Eigenwerte, die ebenfalls von Himmelskörper erschien sein Buch "ÜberChladni, Feuermeteore".

Er gilt als BegründerErder Meteoritik. starb am sind.sind.

1819 1819 erschien sein Buch «Über Feuermeteore».

Er gilt als Begründer der Meteoritik. starb am 1827 inEr Breslau.

Länge).

Außerdem erkannte den räumlichen Randbedingungen abhängig sind. dass Meteoriten keine irdischen atmosphärischen Erscheinungen, sondern 1827 in Breslau.

Himmelskörper sind. 1819 erschien sein Buch "Über Feuermeteore". Er gilt als Begründer der Meteoritik. Er starb am 1827 in Breslau.

Die Bedeutung für die Atomphysik: AuchDieGlocken können zu Schwingungen angeregt werden, die nur Teile ihres Volumens in Bedeutung für die Atomphysik: Mit Chladnifiguren kann das Verhalten von Wellen in einem abgegrenzten mehr als eindimensionalen Raum gezeigt Die Bedeutung für die Atomphysik: Bewegung versetzen. werden. Die Klangbilder lassen sich mit sich überlagernde zweidimensionale Wellen erklären. In Analogie zu Mit Chladnifiguren kann das Verhalten vonabgegrenzten Wellen in einem abgegrenzten mehr als gezeigt eindimensionalen Raum gezeigt Chladnifiguren kann das Verhalten von Wellen in einem mehr als eindimensionalen Raum werden. Die Klangakustischen Mit Eigenschwingungen besitzen Atome und andere Quantenobjekte Energie-Eigenwerte, die ebenfalls von In Analogie zu werden.

Die Klangbilder lassen sich mit sich überlagernde zweidimensionale Wellen erklären. bilder lassen sich mit sich abhängig überlagernden zweidimensionalen Wellen erklären. In Analogie zu akustischen Eigenschwingungen besitzen den räumlichen Randbedingungen sind.

Bilder aus und weitere Erklärungen unter: akustischen Eigenschwingungen besitzen Atome und andere Quantenobjekte Energie-Eigenwerte, die ebenfalls von Atome und andere Quantenobjekte Energie-Eigenwerte, die ebenfalls von den räumlichen Randbedingungen abhängig sind. http://www.kirchenglocken.de/Kirchenglocken_de/Glocken/Grundlagen/Schwingung/schwingung.html den räumlichen Randbedingungen abhängig sind.

Auch Glocken können zu Schwingungen angeregt werden, die nur Teile ihres Volumens in Bewegung versetzen.

Auch Glocken können zu Schwingungen angeregt werden, die nur Teile ihres Volumens in Auch Glocken können versetzen. zu Schwingungen angeregt werden, die nur Teile ihres Volumens in Bewegung versetzen.

Bewegung Bilder aus und weitere Erklärungen unter: http://www.kirchenglocken.de/Kirchenglocken_de/Glocken/Grundlagen/Schwingung/schwingung.html Bilder ausBilder und weitere Erklärungen aus und weitere unter: Erklärungen unter:

http://www.kirchenglocken.de/Kirchenglocken_de/Glocken/Grundlagen/Schwingung/schwingung.html http://www.kirchenglocken.de/Kirchenglocken_de/Glocken/Grundlagen/Schwingung/schwingung.html

49

48 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

49

Lautsprechermembrane Im iLab wird Schall von 17000 Hz mit Piezokristallen erregt. Schall kann auch mit dynamischen Lautsprechern erzeugt werden. Ein Lautsprecher wandelt niederfrequente elektrische Signale in Schall um. Dazu wird eine Spule beweglich über einen Magnetpol gelegt. An ihr wird eine Membran (meistens ein trichterförmiger, konzentrisch zulaufender dünner Karton oder ein weiches Polymer mit ringförmigem Wulst am äusseren Rand und nach aussen gewölbtem Zentrum) befestigt. Der Rand der Membran wird an der Lautsprecherbox befestigt. Die elektrischen Wechselstromsignale aus dem Verstärker bewegen die «Tauchspule» mit der «Musikfrequenz» (hier im Bild) auf und ab. Dadurch wird die Membran in Schwingungen versetzt. Die Membran sollte möglichst bei jeder Frequenz so in Schwingung versetzt werden können, dass nicht einzelne Töne bevorzugt oder benachteiligt werden. Es sollten also keine frequenzabhängigen Teilschwingungen (Schwingungsmuster) auf der Membran entstehen. Der Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab abgestrahlte Schall ist hauptsächlich von der Membranschnelle abhängig, der Schnelligkeit, mit der die Membran (oder Teile davon) schwingen und Luftdruckschwankungen hervorrufen. prechermembrane Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

b wird Schall von Hz mit Piezokristallen sprechermembrane Schall kann auch mit Lab wirdLautsprechern Schall von ischen 00 Hz mit Piezokristallen t werden.

Ein gt.

Schall kann auch mit recher wandelt mischen Lautsprechern requente elektrische ugt EinDazu e in werden.

Schall um. sprecher wandelt ne Spule beweglich erfrequente elektrische nen Magnetpol gelegt. ale ineine Schall um. Dazu wird Membran eineein Spule beweglich ens einen Magnetpol gelegt. förmiger, konzentrisch hr wird eine Membran ender dünner Karton Suchbegriffe: wikipedia Suchbegriffe: wikipedia Suchbegriffe: wikipedia Datei Suchbegriffe: wikipedia stens ein Polymer mit dynamischer Lautsprecher Lautsprecher n weiches Datei dynamischer Lautsprecher LautsprecherSchema SchemaFront Front terförmiger, migem Wulstkonzentrisch am ufender Karton Suchbegriffe: Datei Suchbegriffe: wikipedia en Randdünner und nach aussen gewölbtem Zentrum)wikipedia Mitteilung im Handelsblatt vom 31.12.04: dynamischer Lautsprecher Lautsprecher Schema Front einDer weiches mit wird an der gt.

Rand Polymer der Membran Höchster Wolkenkratzer der Welt eingeweiht. In örmigem am Die elektrischen dem 1,8 Milliarden US-Dollar teuren Wolkenkratzer recherboxWulst befestigt.

4.1.5.

Gedämpfte Schwingungen soll ein 660 Tonnen schweres Pendel, das an eren Rand und nach aussen gewölbtem Zentrum) elstromsignale aus dem Verstärker bewegen die Mitteilung im Handelsblatt vom 31.12.04: im Handelsblatt vom 31.12.04: armdicken Stahlseilen zwischen Mitteilung dem 87. und 91. stigt.

Der Rand der Membran wird an der hspule" mit der "Musikfrequenz" (hier im Bild) auf Höchster Wolkenkratzer der Welt eingeweiht. In Stock aufgehängt ist, starke Schwankungen Höchster Wolkenkratzer der Welt ein­ dem 1,8 Milliarden US-Dollar teuren Wolkenkratzer sprecherbox befestigt.

Die elektrischen . Dadurch wird die Membran in Schwingungen dämpfen.

Wie Bambus im Wind soll „Taipeh 101“ dem 1,8 Milliarden US-Dollar Schwingende Körper können ihre Energie an die Umgebung abgeben. ein 660 Tonnen schweresgeweiht.

Pendel,Indas an hselstromsignale aus dem Verstärker bewegen die mitsoll zt.

Die Membran sollte möglichst bei jeder dem größten Schwingungsdämpfer der Welt teuren Wolkenkratzer armdicken Stahlseilen zwischen dem 87. und 91.soll ein 660 Tonnen dann werden immer ohneNaturgewalten dass sich die Frequenz chspule" mitSie derschwingen "Musikfrequenz" (hierschwächer, im Bild) auf trotzen und dabei mehr als einen enz so in Schwingung versetzt können, Stock aufgehängt ist, starke Schwankungen schweres Pendel, das an armdicken schwanken können.

Die Insel, deren Erde einzelnen Eigenschwingungen dabei starkMeter ändert.

WirWie nennen dasim ab. wird die Membran in Schwingungen icht Dadurch einzelneder Töne bevorzugt oder benachteiligt dämpfen.

Bambus Wind soll „Taipeh 101“dem 87. und 91.

Stahlseilen zwischen rund «verklingen» 200 Mal im Jahr der Nahtstelle etzt.

Membran sollte möglichst bei Oberschwingungen jeder Dämpfung der Schwingung. inbebt, der liegt an mit dem größten Schwingungsdämpfer der Welt n.

EsDie sollten also keine frequenzabhängige Stock aufgehängt ist, starke Schwankunder eurasischen und philippinischen Naturgewalten und dabei mehr als einen uenz so in Schwingung werden Regel rascherversetzt als die Grundschwingung. die Dämpfung trotzen nicht hwingungen (Schwingungsmuster) auf derkönnen,WennKontinentalplatten. gen einem dämpfen.

Wie Bambus im Wind soll 1999zu kamen bei schweren Meter schwanken können. Die Insel, deren Erde nicht einzelne Töne bevorzugt oder benachteiligt Erdbeben in Taiwan 2400 Menschen ums Leben. an entstehen.

Der Schall ist beim «Verklingen» stark ist,abgestrahlte ändert sich die Tonhöhe merklich.

«Taipeh 101» mit dem größten Schwinrund nicht 200 Mal im Jahr bebt, liegt an der Nahtstelle en. Es sollten keine frequenzabhängige ächlich von deralso Membranschnelle abhängig, der gungsdämpfer der Welt Naturgewalten der eurasischen und philippinischen Siehe auch: chwingungen (Schwingungsmuster) auf davon) der ligkeit, mit der die Membran (oder Teile trotzen und dabei mehr als einen Meter Kontinentalplatten.

1999 kamen bei einem schweren Die mathematische Behandlung gedämpfter Schwingungen setzt http://www.abenteuerwissen.zdf.de/ZDFde/inhalt/15/ Erdbeben in Taiwan 2400 Menschen ums Leben. mbran entstehen.

Der abgestrahlte hervorrufen.

Schall ist schwanken können.

Die Insel, deren Erde gen und Luftdruckschwankungen 0,1872,3986447,00.html Kenntnisse im Umgang mit Differenzialgleichungen voraus. Am einptsächlich von der Membranschnelle abhängig, der rund 200 Mal im Jahr bebt, liegt an der Siehe auch: behandeln ist der Fall, wenn sich die Reibungskraft proNahtstelle der eurasischen und philip­ nelligkeit, mitfachsten der die zu Membran (oder Teile davon) http://www.abenteuerwissen.zdf.de/ZDFde/inhalt/15/ portional zur Geschwindigkeit des oszillierenden Körpers verhält. Die pinischen Kontinentalplatten. 1999 kamen wingen und Luftdruckschwankungen hervorrufen.

0,1872,3986447,00.html

der Schwingung nimmt dann exponentiell mit der Zeit ab, GedämpfteAmplitude Schwingungen

bei einem schweren Erdbeben in Taiwan 2400 Menschen ums Leben.

d.h. die Amplitude halbiert sich immer nach gleich langen Zeiträumen.

Beikönnen der so genannten kritischen Dämpfung kehrt das System ohne Siehe ngende Körper ihre Energie an die Umgebung abgeben.

Sie schwingen dannauch: immer 5.

Gedämpfte Schwingungen http://www.abenteuerwissen.zdf.de/ Schwingungen in den Ruhezustand zurück.Eigenschwingungen dabei stark cher, ohne dass sich die Frequenz der einzelnen ändert. nnen das Dämpfung derGebäuden Schwingung . Oberschwingungen "verklingen" in der ZDFde/inhalt/15/0,1872,3986447,00.html Regel In sehr hohen werden zur kritischen Schwingungsdämpfung wingende Körper können ihre Energie an die Umgebung abgeben.

Sie schwingen dann immer r als die Grundschwingung.

Wenn die Dämpfung nicht zu stark ist, ändert sich die Tonhöhe riesige Tilgerpendel eingebaut.

wächer, ohnenicht dassmerklich. sich die Frequenz der einzelnen Eigenschwingungen dabei stark ändert.

Verklingen" nennen das Dämpfung der Schwingung. Oberschwingungen "verklingen" in der Regel her als die Grundschwingung.

Wenn die Dämpfung nicht zuKenntnisse stark ist, ändert sich diemit Tonhöhe athematische Behandlung gedämpfter Schwingungen setzt im Umgang "Verklingen" nicht merklich. nzialgleichungen voraus. Am einfachsten zu behandeln ist der Fall, wenn sich die Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 49 ngskraft umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit des oszillierenden Körpers verhält. Die mathematische Behandlung gedämpfter Schwingungen im Umgang mitsich ude der Schwingung nimmt dann exponential mit der Zeitsetzt ab, Kenntnisse d.h. die Amplitude halbiert renzialgleichungen voraus. Am einfachsten zu behandeln ist der Fall, wenn sich die

4.2 Schallausbreitung – vom Schallerzeuger zum Schallempfänger 4.2.1 Zur Wellenlehre in einem Trägermedium Eine lokale «Störung», d.h. die zeitliche Veränderung physikalischer Grössen an einem Ort kann sich im Raum fortpflanzen. Handelt es sich dabei um eine periodische Veränderung, entsteht eine Welle, deren Front sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit vom Entstehungsgebiet weg bewegt.

Das gilt sowohl für elektromagnetische Schwingungen, die sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, als auch für mechanische Schwingungen, die auf ein Trägermedium angewiesen sind. In einem solchen Medium (Kontinuum) sind mehrere (harmonisch) schwingende Systeme (Materieteilchen) elastisch miteinander gekoppelt. Wird eines davon aus der Ruhelage ausgelenkt und losgelassen, überträgt sich seine Schwingung verzögert auf die angekoppelten Systeme. Je weiter ein Materieteilchen vom Erreger entfernt ist, desto später wird es von dieser Bewegung erfasst. Dabei wird Energie, aber keine Materie transportiert.

Wellen können sich als Längswellen (Longitudinalwellen) und als Querwellen (Transversalwellen) ausbreiten.

Siehe dazu die Animation unter http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/welle01.html, sowie die folgenUnterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab de Abbildung. In Festkörpern können sich Längswellen auch als Torsionswellen ausbilden.

Modellvorstellung Modellvorstellung

a) Ruhelage

b) Querschwingung (Transversalwelle): Die Teilchen schwingen quer zur Ausbreitungs­ richtung x.

a) Ruhelage

c) Längsschwingung (Longitudinalwelle): Die Teilchen schwingen vor und zurück in der Ausbreitungsrichtung x.

b) Querschwingung (Transversalwelle): Die Teilchen schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung x.

c) Längsschwingung (Longitudinalwelle): Die Teilchen schwingen vor und zurück in der Ausbreitungsrichtung x.

Bei einer Querwelle entsteht aufgrund der Schwingung der Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung eine Wellenlinie mit Bergen und Tälern (in y-Richtung), bei einer Längswelle kommt es aufgrund der Schwingung der Teilchen in Längsrichtung (in x-Richtung) zu Dichteschwankungen.

50 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass beide Wellenarten weitgehend mit den gleichen Begriffen

Bei einer Querwelle entsteht aufgrund der Schwingung der Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung eine Wellenlinie mit Bergen und Tälern (in y-Richtung), bei einer Längswelle kommt es aufgrund der Schwingung der Teilchen in Längsrichtung (in x-Richtung) zu Dichteschwankungen.

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass beide Wellenarten weitgehend mit den gleichen Begriffen charakterisiert werden können. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c ist die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Wellenfront in Richtung der x-Achse fortbewegt.

Die Wellenlänge λ entspricht dem Abstand benachbarter Orte mit gleicher Phase (Elongation oder Auslenkung aus der Ruhelage).

Frequenz f heisst die Anzahl Schwingungen pro Sekunde an einem Ort, den die Welle durchläuft. Sie wird durch die Erregerfrequenz bestimmt.

Nach jeder Schwingung des Erregers hat sich die Welle um eine Wellenlänge weiter bewegt. Schwingt der Erreger mit der Frequenz f bewegt sich die Welle (pro Sekunde) um f · λ, also mit der Geschwindigkeit c = f · λ oder wegen f = 1/T mit der Geschwindigkeit c = λ/T. zur Nachbearbeitung T heisst Schwingungsdauer (auchUnterlagen Periode) des Erregers einer Schalllabor Welle. iLab x

Start

Die durch eine einmalige harmonische Schwingung erzeugte Störung des schwingenden Teilchens bei x=0 wandert in der Zeit T um die Strecke λ weiter.

Die durch eine einmalige harmonische Schwingung erzeugte Störung des schwingenden Teilchens bei x=0 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der wandert in der Zeit T um die Strecke λ weiter. Welle beträgt also λ/T Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c c = λ/T = λf der Welle beträgt also λ/T

c = λ/T = λf

nach der Zeit T

λ Beispiele für Schwingungen

Beispiele für Schwingungen Trägermedium

Kopplung

schwingendes Wellenart System unelastisches Seil Moleküle transversal Trägermedium KopplungMolekularkräfte schwingendes System Wellenart elastische Saite Molekularkräfte Moleküle transversal und unelastisches Seil Molekularkräfte Moleküle transversal longitudinal Luft Molekularkräfte Moleküle longitudinal (Druckwelle, elastische Saite Molekularkräfte Moleküle transversal und longitudinal Schall) Flüssigkeiten Kohäsion Moleküle Im Innern longitudinal (Druckwelle, Schall) Luft Molekularkräfte Moleküle longitudinal Oberflächenspannung transversal nur als Flüssigkeiten Kohäsion Moleküle Im Innern longitudinal Oberflächenwellen Festkörper Gitterkräfte Atome und transversal und Oberflächenspannung transversal nur als Oberflächen(Stab, Platte ...)

Moleküle des longitudinal wellen Kristallgitters Festkörper Gitterkräfte Atome transversal und longitudinal Vakuum elektromagnetische Felderund Moleküle transversal Kräfte (Stab, Platte ...) des Kristallgitters (Licht, Radiowellen...)

VakuumMechanische Wellen elektromagnetische (Licht, entstehen also, Kräfte wenn einFelder "Kontinuum" (Wasser, Lufttransversal oder Festkörper) anRadiowellen...) einer Stelle während einer gewissen Zeit periodisch gestört wird, und sich diese Störungen in ihm oder auf ihm ausbreiten.

Beispiel: Das Kontinuum kann Wasser sein, auf dessen Oberfläche wir einen Stein werfen. Die kurze Störung erzeugt einige Kreiswellen, die sich ausbreiten. Natürlich "verdünnt" sich dabei die ursprüngliche Energie immer mehr.

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 51

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Mechanische Wellen entstehen also, wenn ein Stein wird «Kontinuum» (Wasser, Luft oder Festkörper) an zur Nachbearbeitung Schalllabor Unterlagen iLab ins Wasser einer Stelle während einer gewissen Zeit periogeworfen Stein wird disch gestört wird, und sichins diese Störungen in Wasser ihm oder auf ihm ausbreiten. geworfen Stein wird Wasser Beispiel: Das Kontinuum ins kann Wasser sein, geworfen auf dessen Oberfläche wir einen Stein werfen.

Die kurze Störung erzeugt einige Kreiswellen, die sich ausbreiten. Natürlich «verdünnt» sich jetzt... dabei die ursprüngliche Energie immer mehr.

...später

Die Störung (z.B. von einem ins Wasser geworfenen ...später Stein) breitet sich auf der Wasseroberfläche aus.

jetzt...

Die Störung (z.B. von einem ins Wasser geworfenen jetzt... ...später Stein) breitet sich auf der Wasseroberfläche aus.

Die Störung (z.B. von einem ins Wasser geworfenen 4.2.2 Stein) breitet sich auf der Wasseroberfläche aus.

4.2.2 Darstellung von Wellen

Darstellung von Wellen

Darstellung von Transversalwellen Wir wählen in regelmässigen Abständen auf der x-Achse je einen 4.2.2 Darstellung von Wellen Kontinuums und zwar zum exakt gleichen Zeitpunkt. Auf der y-Ac Darstellung von Transversalwellen Darstellung von Transversalwellen diesem Augenblick von seiner Ruhelage entfernt (Elongation).

Wir wählen in regelmässigen Abständen auf der x-Achse je einen der schwingenden Körper des Kontinuums und Wir wählen in regelmässigen Abständen auf der x-Achse je einen der schwingenden Körperist des Darstellung von Transversalwellen Momentanbild der Welle.

Dieses Bild sieht normalerweise und zwar zum Auf exakt Zeitpunkt. tragen wir ein,von wie weitRuer in in jede zwarKontinuums zum exakt gleichen Zeitpunkt. dergleichen y-Achse tragen wir ein,Auf wieder weity-Achse er in diesem Augenblick seiner Wir wählen regelmässigen Abständen auf x-Achse jeder einen derDieses schwingenden Körper des wir solche Momentanbilder rasch nacheinander, die We diesem Augenblick von seiner Ruhelage entfernt ist (Elongation).

Wir erhalten dadurch ein "wandert helage entfernt ist in (Elongation).

Wir erhalten dadurch einder Momentanbild Welle.

Bild sieht normalerweiKontinuums und zwar zum exakt Bild gleichen Zeitpunkt.

Auf der y-Achse tragen wiranders ein, wie weitZeigen er in Momentanbild der Welle.

Dieses sieht normalerweise in jedem Augenblick aus. se in jedem Augenblick anders aus. Zeigen wir solche Momentanbilder rasch «wandert die Welle». y nacheinander, diesem Augenblick von seiner Ruhelage entfernt"wandert ist (Elongation).

Wir erhalten dadurch ein wir solche Momentanbilder rasch nacheinander, die Welle".

Momentanbild der Welle. Dieses Bild sieht normalerweise in jedem Augenblick anders aus. Zeigen y wir solche Momentanbilder rasch nacheinander, "wandert die Welle".

4.2.2 Darstellung von Wellen

y x x Darstellung von Longitudinalwellen Darstellung von Longitudinalwellen

Ruhelag

Darstellung von Longitudinalwellen

Darstellung von Longitudinalwellen

Ruhelage

momen

y momentane Ruhelage Lage y

momentane Lage

momen versetzt

y momentane Lage (nach unten versetzt gezeichnet). x momentane Lage (nach unten versetzt gezeichnet).

x

x

Der momentane Abstand von der Ruhelage wird für jede schwing über ihrer Ruhelage eingezeichnet. Longitudinale Wellen können Wellen dargestellt werden. Masse als x-Koordinate Der momentane Abstand von der Ruhelage wird für jede schwingende Der momentane Abstand voneingezeichnet. der Ruhelage wird für jede schwingende alsalso x-Koordinate über ihrer Ruhelage über ihrer Ruhelage Longitudinale Wellen Masse können wie die transversalen Der momentane Abstand von der Ruhelage wird für jede schwingende Masse als x-Koordinate Wenn die einzelnen Teilchen harmonisch schwingen und die Kop Wellen dargestellt werden. eingezeichnet. Longitudinale Wellen können also wie die transversalen Wellen dargestellt werden. über ihrer Ruhelage eingezeichnet. Longitudinale Wellen können also sinusförmig. wie die transversalen Momentanbilder von Wellen Wellendie dargestellt Wenn einzelnenwerden.

Teilchen harmonisch schwingen und die Kopplung elastisch ist, sind die Momentanbilder von Wellen sinusförmig.

Wenn die einzelnen Teilchen harmonisch schwingen und die Kopplung elastisch ist, sind die 52 Schülerlabor iLab :: Unterlagen Nachbearbeitung Schalllabor 54 Momentanbilder von zur Wellen sinusförmig.

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Wenn die einzelnen Teilchen harmonisch schwingen und die Kopplung elastischiLab ist, sind die Momentanbilder von Wellen sinusförmig.

In der Umgebung nicht ausgelenkter Teilchen entsteht abwechselnd eine "Verdichtung" oder eine

In"Verdünnung". der Umgebung nicht ausgelenkter Teilchen entsteht abwechselnd eine «Verdichtung» oder eine «Verdünnung».

Verdichtung heisst Druckerhöhung, Verdünnung bedeutet Unterdruck im Vergleich Verdichtung heisst Druckerhöhung, bedeutet Unterdruck Vergleich zur ungestörtenTeilchen Situation.am Der zur ungestörten Situation. DerVerdünnung Druck ist da am kleinsten, woim sich die schwingenden Druck ist da am bewegen, kleinsten, wo sich diedort, schwingenden Teilchen nämlich dort, wo sie sich schnellsten nämlich wo sie sich durcham dieschnellsten Ruhelagebewegen, bewegen. durch die Ruhelage bewegen.Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

4.2.3 Stehende Wellen

In der Umgebung nicht ausgelenkter Teilchen entsteht abwechselnd eine "Verdichtung" oder eine "Verdünnung".

Verdichtung heisst Druckerhöhung, Verdünnung bedeutet Unterdruck Vergleich Wird ein Kontinuum dauernd und periodisch an der gleichen Stelle gestört, entstehtimeine sich von 4.2.3 Stehende Wellen zur ungestörten Situation.

Der Druck ist da am kleinsten, wo sich die schwingenden Teilchen am diesem Ort immer weiter ausbreitende Welle. schnellsten bewegen, nämlich dort,zurwo sie sich durch die Ruhelage bewegen.

Unterlagen Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Beispiel: Das Ende eines Seils wird an einer Mauer

Wird ein Kontinuum dauernd und periodisch an der gleichen Stelle gestört, entsteht eine sich von diesem Ort In der Umgebung nicht ausgelenkter Teilchen entsteht abwechselnd eineeinem "Verdichtung" oder wird eine das freie Ende befestigt. An Handgriff immer weiter ausbreitende "Verdünnung".

Verdichtung heisst Druckerhöhung, Verdünnung bedeutet Unterdruck im Vergleich 4.2.3 Stehende WellenWelle. nun rasch hin und her bewegt.

Dabei entstehen zur ungestörten Situation. Der Druck ist da am kleinsten, wo sich die schwingenden Teilchen am "Berge und Täler", die vom Erreger schnellsten bewegen, nämlich dort, wo sie sich durch die Ruhelage bewegen.

weglaufen. Die Beispiel: Das Ende eines Seils wird einer Mauer An einem Handgriff wird das freie Ende nun rasch Wird ein Kontinuum dauernd und an periodisch an befestigt. der gleichen Stelle gestört, entsteht eine sich von Welle wird am festen Ende gespiegelt und läuft auf diesem Welle. hin undOrt herimmer bewegt.weiter Dabeiausbreitende entstehen «Berge und Täler», vom ErregerDie weglaufen.

Dierücklaufenden Welle wird am festen demdie Seil zurück. weg- und überlagern Wellen sich (linkes Bild).sich (linkes Bild).

4.2.3 Stehende Ende gespiegelt undWellen läuft auf dem Seil zurück. Die weg-Wellen und rücklaufenden überlagern Beispiel: Das Ende eines Seils wird an einer Mauer Wird ein Kontinuum dauernd und periodisch an der gleichen Stelle eine sich befestigt.

Angestört, einementsteht Handgriff wirdvon das freie Ende diesem Ort immer weiter ausbreitende Welle. nun rasch hin und her bewegt. Dabei entstehen "Berge und Täler", diewird vom Erreger weglaufen. Die Beispiel: Das Ende eines Seils an einer Mauer befestigt.

An einem Handgriff wird das freie Ende Welle wird am festen Ende gespiegelt und läuft auf nun rasch undzurück. her bewegt. demhin Seil DieDabei weg-entstehen und rücklaufenden "Berge und Täler", die vom Erreger weglaufen. Die Wellen überlagern sich (linkes Bild).

Welle wird am festen Ende gespiegelt und läuft auf dem Seil zurück. Die weg- und rücklaufenden Wellen überlagern sich (linkes Bild).

Die Länge eines vollständigen Wellenzuges heisst Wellenlänge und wird vielfach mit λ bezeichnet (rechtes Bild).

Stehende Wellen gibt es nur, wenn die Wellenfrequenz so gewählt wird, dass der Abstand zwischen einem Knoten und einem Bauch der Welle auf dem Wellenträger (Seil, Blattfeder,...) mehrmals genau hineinpasst.

Die Länge eines vollständigen Wellenzuges Die einesvollständigen vollständigen Wellenzuges heisst und wird vielfach mit λ heisst Wellenlänge und wird vielfach mit λ bezeichnet (rechtes Bild).

DieLänge LängeWellenlänge eines Wellenzuges bezeichnet (rechtesund Bild).wird heisst Wellenlänge mit λ Stehende Welle eines an vielfach beiden Enden bezeichnet (rechtes Bild). befestigten Seils: Stehende Wellen gibt es nur, wenn die Wellenfrequenz so gewählt wird, dass der Abstand zwischen einem Knoten Stehende Wellen gibt es nur, wenn die Wellenfrequenz so gewählt wird, dass der Abstand

einemder Knoten und einem der Welle auf dem Wellenträger (Seil, Blattfeder,...) undzwischen einem Bauch Welle auf demBauch Wellenträger (Seil, Blattfeder,...) mehrmals genau hineinpasst.

Stehende Wellen es nur, wenn die Wellenfrequenz so gewählt wird, dass der Abstand mehrmals genaugibt hineinpasst. zwischen einem Knoten und einem Bauch der Welle auf dem Wellenträger (Seil, Blattfeder,...)

Stehende Welle eines ananbeiden Stehende Welle eines beidenEnden Enden mehrmals genau hineinpasst. befestigten Seils: befestigten Seils:

Stehende Welle eines an beiden Enden befestigten Seils:

Bauch

Bauch

Knoten

Knoten

Bauch

Knoten

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 53

Oberschwingungen (vgl. auch Kapitel 4.1.4) Wellen, welche sich auf einem (wie auf4.1.4) dem Seil oder auf der unten skizzierten Blattfeder) Oberschwingungen (vgl.Körper auch Kapitel Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab ausbreiten, auf ihm Sie bewegen sichSeil vonoder einem zum anderen.

BeiBlattfeder) der Wellen,sind welche sichwie auf gefangen. einem Körper (wie auf dem aufEnde der unten skizzierten "richtigen" Frequenz sich eine Welle mit stehenden undEnde "Bäuchen", also eine ausbreiten, sindbildet auf ihm wie gefangen.

Siestill bewegen sich"Knoten" von einem zum anderen.

Bei der stehenden Welle.

Der Körper schwingt dann gerade mit einer seiner Eigenfrequenzen.

Im "richtigen" Frequenz bildet sich eine Welle mit still stehenden "Knoten" und "Bäuchen", also eine Oberschwingungen (vgl. auch Kapitel 4.1.4) Folgenden werden zwei Eigenschwingungen einer Blattfeder beschrieben, die Grundschwingung stehenden Welle.

Der Körper schwingt mitauf einer Im Oberschwingungen (vgl. auch Kapitel 4.1.4) Wellen, welche sich auf einem Körper (wie aufdann demgerade Seil oder derseiner untenEigenfrequenzen. skizzierten Blattfeder) und die erste Oberschwingung: Folgenden werden zwei Eigenschwingungen einer Blattfeder beschrieben, die Grundschwingung ausbreiten, sind auf ihm gefangen.

Sie auf bewegen sich von Ende zum anderen.

Bei ausbreiten, der Wellen, welche sich aufwie einem Körper (wie dem Seil oder aufeinem der unten skizzierten Blattfeder) und die erste Oberschwingung: "richtigen" Frequenz bildet sich eine Welle mit still stehenden "Knoten" und "Bäuchen", also eine sind auf ihm wie gefangen. Sie bewegen sich von einem Ende zum anderen. Bei der «richtigen» Frequenz bildet

stehenden Körper schwingt dann und gerade mit einer seiner sich eineWelle.

Welle Der mit still stehenden «Knoten» «Bäuchen», also eine Eigenfrequenzen. stehenden Welle. DerImKörper schwingt Auch auf Blattfedern können bei Folgenden werden zwei Eigenschwingungen einer Blattfeder beschrieben, die Grundschwingung dann gerade mit einer seiner Eigenfrequenzen. Im Folgenden werden zwei Eigenschwingungen einerbei Blattfeder gewissen Erregungsfrequenzen Auch auf Blattfedern können und die erste Oberschwingung: niedrige beschrieben, die Grundschwingung und die erste Oberschwingung: Knoten und Bäuche entstehen. Im gewissen Erregungsfrequenzen Frequenz niedrige Unterschied Knotenzur undSeilwelle Bäuche oben, entstehen. Im Frequenz die anUnterschied beiden Enden zurbefestigt Seilwelleist, oben, Auch auf Blattfedern können bei ist hierdie dieanBlattfeder auf der beiden Enden befestigt ist, gewissen Erregungsfrequenzen niedrige rechten lose.

Sie besitzt ist Seite hier die Blattfeder auf der Knoten und Bäuche entstehen. Im Frequenz also ein festesSeite Endelose. linksSie undbesitzt ein rechten höhere Unterschied zur Seilwelle oben, loses also Endeein rechts.

Am losen Ende festes Ende links und ein Frequenz höhere die an beiden Enden befestigt ist, bildet loses sich immer ein Bauch, am Ende Ende rechts.

Am losen Frequenz ist hier die Blattfeder auf der festenbildet Endesich immer ein ein Knoten. immer Bauch, am Bauch Knoten rechten Seite lose. Sie besitzt festen Ende immer ein Knoten.

Bauch Knoten also ein festes Ende links und ein höhere loses Ende rechts. Am losen Ende Frequenz bildet sich immer ein Bauch, am festen Ende immer ein Knoten.

Bauch Knoten

Im unteren Bild schwingt die Blattfeder schneller als im oberen Bild. Auf dieser ImIm unteren BildBild schwingt die weiteres Blattfeder schneller als im stehende oberen Auf dieser Blattfeder Blattfeder können sich ohne auch mehrere Knoten undAuf unteren schwingt die Blattfeder schneller als imBild. oberen Bild. dieser Bäuche bilden, wenn sie stark genug oder mit einer noch höheren Frequenz Blattfeder können sich auch ohnemehrere weiteres auch mehrere stehende und sie können sich ohne weiteres stehende Knoten und Bäuche Knoten bilden, wenn zum Schwingen angeregt Bäuche sie stark genug oder mit noch angeregt höherenwird.

Frequenz stark genug bilden, oder mitwenn einer wird. noch höheren Frequenz zumeiner Schwingen zum Schwingen angeregt wird. schneller als im oberen Bild. Auf dieser Im unteren Bild schwingt die Blattfeder Hinweis: In der Akustik heisst der Ton, der mit der langsamsten Eigenfrequenz eines Hinweis: In der sich Akustik heisst der Ton, der mehrere mit der langsamsten Eigenfrequenz Blattfeder können ohne weiteres auch stehende Knoten und eines Schallerzeugers erzeugt Schallerzeugers erzeugt wird, Grundton (entspricht der Grundschwingung).

Die schnelleren Hinweis: In der Akustik heisst der Ton, der mit der langsamsten Eigenfrequenz eines Bäuche wenn sie stark oder mit einer noch höherenEigenschwingungen Frequenz wird,bilden, Grundton (entspricht dergenug Grundschwingung).

Die schnelleren produzieren Obertöne Eigenschwingungen produzieren Obertöne (entsprechen Oberschwingungen).

Schallerzeugers erzeugt wird, Grundton (entspricht der Grundschwingung).

Die schnelleren zum(entsprechen Schwingen Oberschwingungen). angeregt wird.

Eigenschwingungen produzieren Obertöne (entsprechen Oberschwingungen).

Auch eine beiden Seiten eingespannte Saite kann zu "höheren" Eigenschwingungen angeregt Hinweis: Inauf der Akustik heisst der Ton, der mit der langsamsten Eigenfrequenz eines Auch eineeine auf beiden SeitenSeiten eingespannte Saite kann zu «höheren» Eigenschwingungen angeregt werden: werden: Auch auf beiden eingespannte Saite kann zu "höheren" Eigenschwingungen angeregt Schallerzeugers erzeugt wird, Grundton (entspricht der Grundschwingung). Die schnelleren werden: Eigenschwingungen produzieren Obertöne (entsprechen Oberschwingungen).

Die Grundschwingung erzeugt den Grundton (z.B. die angeregt Note c).

Auch eine auf beiden Seiten eingespannte Saite kann zu "höheren" Eigenschwingungen Die Grundschwingung erzeugt den Grundton (z.B. die Note c). werden: Diese Schwingung erzeugt den Die Grundschwingung erzeugt ersten Oberton c'. Er ertönt eine den Diese Schwingung erzeugt den Grundton (z.B. die Grundton.

Note c).

Oktave höherOberton als der ersten c'. Er ertönt eine Oktave höher als der Grundton.

Diese Schwingung erzeugt den Zweiter Oberton. c' wird um ersten Oberton c'. g') Er erhöht. ertönt eineum eine Quinte (auf Zweiter Oberton. c' wird Oktave eine höherQuinte als der Grundton. (auf g') erhöht.

Zweiter Oberton. c' wird um eine Quinte (auf g') erhöht.

4.2.4 Schallwellen in der Luft

Mit einem Paukenschlag lässt sich eine kurze Folge von periodischen Druckstössen erzeugen. Diese breiten sich in der Luft aus und können mit dem Gehör wahrgenommen werden. Auf eine ähnliche Art und Weise breitet sich ein Knall in der Luft aus. Im Gegensatz zum Paukenschlag handelt es sich bei einem Knall um ein Gemisch aus 56 sehr vielen Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen 56 und Amplituden.

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54 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

4.2.4 Schallwellen in der Luft Mit einem Paukenschlag lässt sich eine kurze Folge von periodischen Druckstössen erzeugen.

Diese breiten sich in der Luft aus und können mit dem Gehör wahrgenommen werden. Auf eine ähnliche Art und Weise breitet sich ein Knall in der Luft aus. Im Gegensatz zum Paukenschlag handelt es sich bei einem Knall um ein Gemisch aus sehr vielen Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden.

Hinweis: Die Membran einer Pauke erzeugt beim kräftigen Anschlagen neben der sich mit Schallgeschwindig-

Hinweis: Die Membran einer Pauke erzeugt beim kräftigen neben der sich mit keit ausbreitenden Druckstörung auch einen Luftstrom mitAnschlagen kreisförmigen Luftwirbeln («Zigarettenringe»). ExpeSchallgeschwindigkeit ausbreitenden Druckstörung auch einen Luftstrom mit kreisförmigen rimentell lassen sich solche Wirbel zeigen, wenn auf den Boden einer mit Rauch gefüllten offenen Petflasche ein Luftwirbeln ("Zigarettenringe"). Experimentell lassen sich solche Wirbel zeigen, wenn auf den Hammerschlag geführtgefüllten wird. Mitoffenen diesem Luftstrom, viel langsamer ist als dieMit Schallgeschwindigkeit, kann Boden einer mit Rauch Petflasche einder Hammerschlag geführt wird. diesem Luftstrom, der viel langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit, kann tatsächlich eine weit entfernte tatsächlich eine weit entfernte Kerze gelöscht werden oder dort ein kurzer Luftstoss auf der Haut erzeugt werden.

Kerze gelöscht werden oder dort ein kurzer Luftstoss auf der Haut erzeugt werden.

Modellversuch zur Schallübertragung durch Luft

Modellversuch zur Schallübertragung durch Luft Das Pendel stösst auf die Folie Der ankommende Schall bewegt das Pendel Die Störung bewegt sich von links nach rechts durch die Luft.

Störungen in der Luft breiten sich bei Zimmertemperatur mit etwa 340 m/s aus. (vgl. Kapitel 4.2.6)

beidseitig mit Folie bespannte Büchse ohne Boden und Deckel Störungen in der Luft breiten sich bei Zimmertemperatur mit etwa 340 m/s aus. (vgl. Kapitel 4.2.6.)

Wir können durch rasches Hin- und Herbewegen eines Gegenstandes mehr oder weniger rasche periodische Druckschwankungen in der Luft erzeugen (z.B. durch Anschlagen der Zinken einer Stimmgabel, durch Schlagen auf können eine aufgespannte Haushaltfolie oder eine Trommel, durch Zupfen einer eingespannten Saite). Solche in raWir durch rasches Hin- und Herbewegen eines Gegenstandes mehr oder weniger rasche periodische Druckschwankungen in der Luft erzeugen (z.B. durch Anschlagen der Zinken einer scher Folge erzeugte Druckschwankungen können sich in der Luft in allen Richtungen ausbreiten und eine DruckStimmgabel, durch Schlagen auf eine aufgespannte Haushaltfolie oder eine Trommel, durch welle bilden. Hörbare Druckwellen heissen Schallwellen.

Zupfen einer eingespannten Unterlagen Saite). Solche rascher Folge erzeugte Druckschwankungen können zur in Nachbearbeitung Schalllabor iLab sich in der Luft in allen Richtungen ausbreiten und eine Druckwelle bilden. Hörbare Druckwellen heissen Schallwellen.

4.2.5 Resonanz durch Schallübertragung in Luft

4.2.5 Resonanz durch Schallübertragung in Luft

Schallwellen lassen sich in allen Gasen, in festen Körpern oder in Flüssigkeiten erzeugen. Im Vakuum kann sich der Schall hingegen nicht ausbreiten.

Schallwellen lassen sich in allen Gasen, in festen Körpern oder in Flüssigkeiten erzeugen. Im Vakuum kann sich der Schall hingegen nicht ausbreiten.

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4.2.6 Schallgeschwindigkeit

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Schallwellen laufen unterschiedlich schnell in unterschiedlichen Kontinua. In Wasser beträgt die

4.2.6 Schallgeschwindigkeit Schallwellen laufen unterschiedlich schnell in unterschiedlichen Kontinua. In Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit ca. 1500 m/s, in Stahl etwa 6000 m/s, in Helium 1000 m/s, in trockener Luft bei 20 Grad Celsius 344 m/s.

4.2.6 Schallgeschwindigkeit Pro Grad nimmt die Schallgeschwindigkeit in der Luft um 0,6 m/s zu.

Schallwellen laufen unterschiedlich schnell in unterschiedlichen Kontinua. In Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit ca. 1500 m/s, in Stahl etwa 6000 m/s, in Helium 1000 m/s, in trockener Luft 4.2.7 zum bei 20Bemerkungen Grad Celsius 344 m/s.

ProHören Grad nimmt die Schallgeschwindigkeit in der Luft um 0,6 m/s zu.

4.2.7 Bemerkungen zum Hören Das menschliche Ohr reagiert auf im Schall imder Bereich der Hörfrequenzen , der mit Das menschliche Ohr reagiert nur aufnur Schall Bereich Hörfrequenzen, der mit Longitudinalwellen übertraLongitudinalwellen übertragen wird.

Auf Oberflächenschwingungen oder auf Ultraschall spricht gen wird. es beispielsweise nicht direkt an.

Lautsprecher

Wellenlänge

Trommelfell als Empfänger von Druckschwankungen

Dichte- resp. Druckschwankungen Das Gehirn interpretiert die über die Luft (oder unsere Knochen) im Ohr eintreffenden Schallwellen

Das interpretiert die die Luft (oder(Für unsere Knochen) im OhrBeschreibung eintreffenden Schallwellen als 4.3.).

SchalleralsGehirn Schallereignisse, wirüber "hören etwas" eine ausführliche siehe Kapitel eignisse, wir «hören etwas» (Für eine ausführliche Beschreibung siehe Kapitel 4.3.).

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4.2.8 Einteilungsmöglichkeiten für die Schallwahrnehmungen Schallformen in Bezug auf Musik und Kommunikation a) Musik Es handelt sich dabei um beabsichtigte Kombinationen von Schallereignissen zur Befriedigung fremder oder eigener ästhetischer Hörbedürfnisse. b) Sprache Schallereignisse, welche der mündlichen Kommunikation dienen (Definition variiert je nach Wissenschaftsdisziplin). c) Geräusche Vage, ungeordnete, angenehme oder unerwünschte Schallereignisse.

Laute Geräusche bezeichnen wir als Lärm, explosionsartige als Knall, andere als Klang.

56 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Schallformen im Hinblick auf schallerzeugende Objekte (Schallerreger, Klangkörper) a) Sinustöne Ein Sinuston entsteht durch einen Klangkörper, der exakt harmonisch (siehe harmonische Schwingung Kap. 4.1.2.) und ohne Obertöne schwingt. Das macht z.B. eine Stimmgabel, wenn sie nur leicht angeschlagen wird. Die dabei in der Luft entstehende Schallwelle ist ganz regelmässig. Das Ohr empfindet diesen Ton als eher langweilig oder gar als leicht schmerzhaft. b) Klänge Wenn ein einzelner Klangkörper, der zum Schwingen angeregt wurde, gleichzeitig mehrere Eigenschwingungen ausführt (z.B. eine Trommel oder eine Saite mit angeregten Grund- und Obertönen), gibt er ein Gemisch von reinen Tönen ab. Ein solches Gemisch heisst Klang. Nicht jeder Klang wird als angenehm empfunden (z.B. Quietschen).

Jeder Klang lässt sich als Gemisch unterschiedlicher Sinustöne analysieren.

Der Knall ist ein sehr rasch abnehmender «Klang», der aus unzähligen Sinustönen unterschiedlicher Lautstärke und Frequenz besteht.

Ein Klanggemisch entsteht aus mehreren gleichzeitig ertönenden Klängen. Alle Geräusche sind gemäss dieser Definition Klänge oder Klanggemische.

Schallformen in der Musik a) Ein einzelner Klang heisst «Ton». b) Ein Gemisch aus mehreren Tönen wird als «Klang» bezeichnet.

Klangfarbe Wenn zwei unterschiedliche Instrumente die gleiche Musiknote spielen, empfinden wir die beiden Klänge in der Regel zwar als gleich hoch. Da aber die beiden Klänge aus einer unterschiedlichen Mischung von Sinustönen bestehen, tönen sie nicht gleich in unseren Ohren. Die beiden Klänge haben eine andere «Klangfarbe». Die Klangfarbe wird auch wesentlich mitgeprägt durch das Ein- und Ausklingen der einzelnen Klänge, die ein Instrument produziert.

Tonhöhe (Höhen oder Bass) in der Musik Sie wird in der Regel bestimmt durch die Frequenz der am intensivsten abgestrahlten Schwingung eines Klangkörpers, wobei hohe Frequenzen in der Regel als «hohe Töne» empfunden werden. Der Zusammenhang zwischen der auf das Ohr treffenden Schallfrequenz und der von uns wahrgenommenen Tonhöhe ist nicht linear und kann ausserdem von der Lautstärke, von der Klangfarbe und vom hörenden Individuum abhängen. Das menschliche Ohr kann ein breites Spektrum an Frequenzen wahrnehmen – von ungefähr 20 Hz bis 20'000 Hz. Im Alter sinkt die obere Hörschwelle beträchtlich.

4.2.9 Schalldruck und Lautstärke Als Schalldruck werden die bei der Schallausbreitung auftretenden Druckschwankungen/Dichteschwankungen (siehe Kapitel 4.2.1 und 4.2.4) bezeichnet. Diese Druckschwankungen werden via Trommelfell und Gehirn in Hörempfindungen (siehe Kapitel 4.3) oder vom Mikrofon in elektrische Signale umgesetzt.

Der auf eine Fläche A auftreffende Schall übt eine Kraft F auf sie aus. Der Quotient p = F/A heisst Schalldruck und wird in N/m2 d.h. in Pascal (Pa) angegeben. Der Schalldruck ist verglichen mit dem Luftdruck meistens um viele Grössenordnungen kleiner. Bei reinen Sinustönen bestimmt die Amplitude der Schwingung den Schalldruck. Er

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ist proportional zur Schwingungsamplitude und dann am grössten, wenn die Amplitude der sich ausbreitenden Schallwelle maximal ist. Der Schalldruck nimmt proportional zur Entfernung der Schallquelle ab.

Der Schalldruck – und damit die Schwingungsamplitude – bestimmt weitgehend die Lautstärke. Ihr Wert nimmt proportional zur Entfernung von der Schallquelle ab.

Die Lautstärke wird also bei gleicher Frequenz stark durch die Amplitude der Schallwelle bestimmt. Je grösser sie ist, desto lauter empfinden wir in der Regel das Schallereignis. Einfacher gesagt: Je grösser die Amplitude ist, desto lauter tönt es. Die Wahrnehmung der Lautstärke hängt aber auch von der Schallleistung ab und wird ausserdem von der Tonhöhe, der Klangfarbe, vom hörenden Individuum und von seinem Umfeld bestimmt.

Dämpfung von Wellen Je weiter sich eine Schallwelle in der Luft vom Entstehungsort entfernt, desto mehr «Raum» nimmt sie ein. Ihre räumliche Energiedichte nimmt mit dem Quadrat ihrer Entfernung von der Schallquelle ab. Für die Lautstärke ist aber in erster Linie der Schalldruck (Amplitude) massgebend, nicht die (zum Quadrat der Amplitude proportionale) Energie.

Situation bzw. Schallquelle

Entfernung von Schallquelle bzw. Messort

Schalldruck p in Pascal

unbewerteter Schalldruckpegel Lp in Dezibel

Düsenflugzeug

30 m

630 Pa

150 dB

Gewehrschuss

1m

200 Pa

140 dB

Schmerzschwelle

am Ohr

100 Pa

134 dB

Gehörschäden bei kurzfristiger Einwirkung

am Ohr

ab 20 Pa

120 dB

Kampfflugzeug

100 m

6,3–200 Pa

110–140 dB

1 m / am Ohr

2 Pa

100 dB

am Ohr

ab 0,36 Pa

85 dB

Hauptverkehrsstrasse

10 m

0,2–0,63 Pa

80–90 dB

Pkw

10 m

0,02–0,2 Pa

60–80 dB

Fernseher auf Zimmerlautstärke

1m

0,02 Pa

ca. 60 dB

Sprechender Mensch (normale Unterhaltung)

1m

2 · 10–3 – 6,3 · 10–3 Pa

40–60 dB

Sehr ruhiges Zimmer

am Ohr

2 · 10–4 – 6,3 · 10–4 Pa

20–30 dB

Blätterrauschen, ruhiges Atmen

am Ohr

6,32 · 10–5 Pa

10 dB

Hörschwelle bei 2 kHz

am Ohr

2 · 10–5 Pa (20μPa)

0 dB

Presslufthammer/ Diskothek Gehörschäden bei langfristiger Einwirkung

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Schalldruckpegel

Bei der Überlagerung unabhängiger Schallquellen ergibt sich der korrekte Summenpegel durch energetische Addition der beteiligten Schallquellen. Pegelwerte in Dezibel können deshalb nicht einfach addiert werden. Beispiel: Wird zu einer Schallquelle eine zweite genau gleiche hinzugefügt (doppelte Leistung), wächst der Schalldruckpegel um 3 dB. Die subjektive Lautstärkewahrnehmung oder «Lautheit» ist eine psychoakustische Empfindungsgrösse.

58 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Bei der Überlagerung unabhängiger Schallquellen ergibt sich der korrekte Summenpegel durch energetische Addition der beteiligten Schallquellen. Pegelwerte in Dezibel können deshalb nicht einfach addiert werden. Beispiel: Wird zu einer Schallquelle eine zweite genau gleiche hinzugefügt (doppelte Leistung), wächst der Schalldruckpegel um 3 dB. Die subjektive Lautstärkewahrnehmung oder "Lautheit" ist eine psychoakustische Empfindungsgrösse.

Über den Zusammenhang zwischen Schallpegel und Lautheit gibt es verschiedene Theorien. Nach der Theorie des Psychoakustikers Stanley Smithzwischen Stevens entspricht der Verdopplung oder Halbierung der LautheitTheorien. eine PegelÜber den Zusammenhang Schallpegel und Lautheit gibt es verschiedene differenz vonder 10 Theorie dB. Nach des Psychoakustikers Stanley Smith Stevens entspricht der Verdopplung oder Untersuchungen M. eine Warren («Elimination of Biases in Loudness Judgments for Tones») kommen zu Halbierungvon derRichard Lautheit Pegeldifferenz von 10 dB. von6Richard M. Warren ("Elimination of Biases in Loudness for einerUntersuchungen Pegeldifferenz von nur dB. Das heisst, dass doppelter Schalldruck als doppelt so laut Judgments empfunden wird.

Tones") kommen zu einer Pegeldifferenz vonGehör nur 6fürdB. Das heisst, dass doppelter ist Schalldruck Der Psychologe John G. Neuhoff fand heraus, dass das ansteigende Pegel empfindlicher als für ab- als doppelt empfunden wird. ist die Lautheitsänderung von leise nach laut stärker als von laut nach fallende Pegel.so Beilaut gleicher Pegeldifferenz Der Psychologe John G. Neuhoff fand heraus, dass das Gehör für ansteigende Pegel leise.

empfindlicher ist als für abfallende Pegel. Bei gleicher Pegeldifferenz ist die Lautheitsänderung von leise nach laut stärker als von laut nach leise.

Kurz: Die Verdopplung der Lautstärke entspricht einer Pegeländerung zwischen 6 und 10 dB.

Kurz: Die Verdopplung der Lautstärke entspricht einer Pegeländerung zwischen 6 und 10 dB.

4.2.10 Schwebung

4.2.10 Schwebung

MitStimmgabel der Stimmgabel A erzeugen wir der einen Ton der 440 Hertz.

Mit der A erzeugen wir einen Ton Frequenz 440Frequenz Hertz.

Mit der Stimmgabel B erzeugen wir gleichzeitig einen Ton der Frequenz 445 Hertz.

Mit der Stimmgabel B erzeugen wir gleichzeitig einen Ton der Frequenz 445 Hertz.

Gehört wird jetzt ein Klang, der aus zwei Tönen zusammengesetzt ist. Dabei stellen wir fest, dass

Gehört wird jetzt ein Klang, der aus zwei Tönen zusammengesetzt ist. Dabei stellen wir fest, dass sich die Lautsich die Lautstärke dieses Klanges fünf Mal in der Sekunde von laut zu leise ändert (das tönt etwa stärkewie dieses Klanges fünf Mal in der Sekunde von laut zu leise ändert (das tönt etwa wie wou-wou-wou-wou-…). wou-wou-wou-wou-...).

Genauere Untersuchungen zeigen: Wenn A mitWenn der Frequenz f1 und B mit der f1 Frequenz erklingt, erhalten wir Genauere Untersuchungen zeigen: A mit der Frequenz und Bf2 mit der Frequenz f2 für die Lautstärkeänderung Frequenz von f2 – f1. Im obigeneine Beispiel finden wir: Hz = 5 Hz. erklingt, erhalten eine wir für die Lautstärkeänderung Frequenz von445 f2 -Hzf1.– 440 Im obigen Beispiel

finden wir: 445 Hz - 440 Hz = 5 Hz. Diese Erscheinung heisst Schwebung.

Diese Erscheinung heisst Schwebung.

Erklärung

Erklärung Auf das Trommelfell des Ohres kommen von A und von B periodische Luftdruckstörungen (in Form Auf das Trommelfell des Ohres kommen von A und von B periodische Luftdruckstörungen (in Form von Schallwelvon Schallwellen). Da B die Druckstörungen in rascherer Folge (z.B. wie - - - - -) sendet, A len). hingegen Da B die Druckstörungen in rascherer Folge (z.B. sendet, es A hingegen in langsamerer Folge (z.B. in langsamerer Folge (z.B. wie - -wie - -- - -- - ),-) kommt in regelmässigen Abständen zum wie - gleichzeitigen - - - - ), kommt Eintreffen es in regelmässigen Abständen zum gleichzeitigen Eintreffen einer Störung von A und einer Störung von A und B auf das Ohr. Das Gehirn nimmt das alsB auf das Ohr. Das Gehirn nimmt das als periodische Zunahmeals (respektive dazwischen als Abnahme) periodische Zunahme (respektive dazwischen Abnahme) der Lautstärke war. der Lautstärke war.

A B

Ans Ohr von A in von einerder Sekunde neun Schwingungsmaxima, von B nurneun sechs.

Das Ohr hört eine SchweAnsgelangen Ohr gelangen oberen Stimmgabel in einer Sekunde Schwingungsmaxima, von der unteren sechs.

Das also Ohr 3hört Schwebungsfrequenz von minus 6drei Hertz, also Hz. bungsfrequenz vonnur 9 minus 6 Hertz, Hz. eine Das heisst die Lautstärke nimmt pro9Sekunde Mal zu und3ab.

Das heisst die Lautstärke nimmt pro Sekunde drei Mal zu und ab.

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Wenn eine Welle an eine Grenzfläche stösst, an welcher sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit verändert, wird die Welle ganz oder teilweise zurückgeworfen. Dieses Phänomen heisst Reflexion. Für Schallwellen oder auch Lichtwellen verändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit, wenn die Welle von einem Material (Medium) auf ein anderes trifft.

Bei Oberflächenwellen von Flüssigkeiten hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Höhe der 4.2.11 Übergang Welle Medium ins andere Oberfläche über dem einer Grund ab.

Viele von diesereinem Phänomene sind aus dem Alltag bekannt. Eine Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Schallwelle wird von einer Wand als Echo Quelle: Suchbegriff in Google Bilder: Reflexion und zurückgeworfen. Das Licht einer Lampe wird von Brechung http://www.chemgapedia.de/ einem Spiegel oder einem Fenster reflektiert.

Trifft Wenn eine Welle an eine Grenzfläche stösst, an welcher sich die 4.2.11 einer Welle vonauf einem eine WelleÜbergang in einem beliebigen Winkel die Medium ins andere Ausbreitungsgeschwindigkeit verändert, wird die Welle ganz Grenzfläche zwischen zwei Medien, wird ein Teil der oder teilweise zurückgeworfen.

Dieses Phänomen heisst Wenn WelleWinkel an eine Grenzfläche stösst, anReflewelcher sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit Welle imeine gleichen zurückgeworfen mit welchem verändert, wird die Welle ganz oder teilweise zurückgeworfen.

Dieses Phänomen heisst xion.

Für Schallwellen oder auch Lichtwellen sich die sie auf die Grenzfläche getroffen ist, einverändert Teil dringt Reflexion Für Schallwellen auchvon Lichtwellen verändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Welle einem Matemeistens ins. neue Mediumwenn ein.oder Ausbreitungsgeschwindigkeit, wenn die Welle von einem Material (Medium) auf ein anderes trifft. rial (Medium) auf ein anderes trifft. Bei Oberflächenwellen von Bei Oberflächenwellen von Flüssigkeiten hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Höhe der Beispiel: Diehängt rotendie Linien stehen für die Wellenfronten Flüssigkeiten Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Oberfläche über dem Grund ab.

Viele dieser Phänomene sind aus dem Alltag bekannt.

Eine (Zonen erhöhter Dichte) der einfallenden Welle.

Der Höhe der Oberfläche über dem Grund ab. Viele dieser PhänomeSchallwelle wird von einer Wand als Echo Einfallswinkel i beträgt 30° (zum Lot gemessen).

Nach Quelle: Suchbegriff in Google Bilder: Reflexion und ne sind aus dem Alltag bekannt.

Eine Schallwelle wird von einer zurückgeworfen.

Das Licht einer Lampe wird von der Reflexion verlässt die Welle (schwarze Linien = Brechung http://www.chemgapedia.de/ Wand als Echo zurückgeworfen.

Licht einer Lampe wird einem Spiegel einemDas Fenster reflektiert.

Trifftvon Wellenfronten deroder zurückgeworfenen Welle) in einem einem Spiegel einem beliebigen Fenster reflektiert.

Trifft in eine Welleoder in einem Winkel aufeine die Welle Ausgangswinkel i' von 30° (vom Lot gemessen) die Grenzfläche.

Quelle: Suchbegriff in Google Bilder: einem beliebigen Winkel auf die Grenzfläche zwischen zweider MeGrenzfläche zwischen zwei Medien, wird ein Teil Reflexion und Brechung gleichen Winkel zurückgeworfen mitkann welchem dien, wird im ein Teil der Welle im gleichen Winkel zurückgeworfen JeWelle nach Eigenschaften der beteiligten Medien, ein Teil der Welle ins neue Medium sie auf die Grenzfläche getroffen ist, ein Teil dringt http://www.chemgapedia.de/ mit welchem sie auf diePhänomen Grenzflächeheisst getroffen ist, ein Teil eindringen.

Dieses Brechung . dringt meistens ins neue Medium meistens ins neue Medium ein. ein.

Beispiel: Die roten Linien stehen für die Wellenfronten

4.2.12 Die Schallreflexion Beispiel: roten Linien stehen für die Wellenfronten (Zonen erhöhter Dichte) der einfallenden Welle. Der Ein(Zonen erhöhter Dichte) der einfallenden Welle. Der fallswinkel i beträgt 45° (zum Lot gemessen). Nach der Reflexion verlässt die Welle (schwarze Linien = WellenEinfallswinkel i beträgt 30° (zum Lot gemessen). Nach Schallder kann wie andere Wellen beim Übergang in ein neues Medium zum Teil reflektiert oder vom fronten zurückgeworfenen Welle) in einem Ausgangswinkel der Reflexion verlässt die Welle (schwarze Linien = i' von 45° (vom Lot gemessen) die Grenzfläche. neuen Medium verschluckt (absorbiert) werden. Wie gross der Anteil der Übertragung auf das Wellenfronten der zurückgeworfenen Welle) in einem neue Medium ist hängt von den Stoffeigenschaften und vom Aggregatzustand ab. Dies ist im Je nach Eigenschaften i'der beteiligten Medien, kann ein Teil Welle ins neue Medium eindringen. Dieses PhäAusgangswinkel von 30° (vom Lot gemessen) dieder Grenzfläche.

Zusammenhang mit Schalldämmung und Schalldämpfung wichtig. Wenn der Schall aus einem nomen heisst Brechung. gasförmigen Medium auf eine Flüssigkeit oder einen Feststoff trifft, findet praktisch vollständige Je nach Eigenschaften der beteiligten Medien, kann ein Teil der Welle ins neue Medium Reflexion statt. eindringen. Dieses Phänomen heisst Brechung.

4.2.12 Echo Schallreflexion 4.2.12 Schallreflexion

Echo

stark

Schall kann wie andere Wellen beim Übergang in ein neues Medium zum Teil reflektiert oder vom

Schall kannMedium wie andere Wellen beim Übergang inwerden. ein neuesWie Medium zum reflektiert oder vom neuen neuen verschluckt (absorbiert) gross derTeil Anteil der Übertragung aufMedium das Lot verschluckt (absorbiert) werden. der Anteil der Übertragung das neue Medium istDies hängtistvon neue Medium ist hängt vonWie dengross Stoffeigenschaften und vom auf Aggregatzustand ab. imden Stoffeigenschaften und vom Aggregatzustand ab.

Dies ist im Zusammenhang mit Schalldämmung und SchallZusammenhang mit Schalldämmung und Schalldämpfung wichtig. Wenn der Schall aus einem Echo e Wenn derauf dämpfung wichtig.Medium Schall aus einem gasförmigen Medium auf eine Flüssigkeit oder einenvollständige Feststoff trifft, gasförmigen eine Flüssigkeit oder einen Feststoff findet praktisch etrifft, Ruf Reflexion findet praktischstatt. vollständige Reflexion statt.

Ruf

glatte Fläche

rauhe Fläche

Echo

Echo Echo stark schwach

Echo

Lot von glatten Wänden ist am stärksten dort hörbar, wo der auf die Wand einfallende Das Echo "Schallstrahl" e am Lot gespiegelt wird. An rauen Flächen Echo wird der auf die Wand einfallende Schall e in alle Richtungen zurückgeworfen.

e

Ruf

glatte Fläche

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Echo schwach

Ruf rauhe Fläche

Echo

Das Echo von glatten Wänden ist am stärksten dort hörbar, wo der auf die Wand einfallende Flächen wird der auf die Wand einfallende Schall in alle Richtungen zurückgeworfen.

60 "Schallstrahl" Schülerlabor iLab :: eUnterlagen Nachbearbeitung Schalllabor am Lotzurgespiegelt wird.

An rauen

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Flüstergalerien verwenden ebenfalls das Prinzip der Schallreflexion.

Das Echo von glatten Wänden ist am stärksten dort hörbar, wo der auf die Wand einfallende «Schallstrahl» e am Lot gespiegelt wird. An rauen der aufauf die eine WandFlüssigkeit einfallende Schall in alle Richtungen Trifft eine Schallwelle vonFlächen einemwird Feststoff oder ein Gas, kommt zurückgeworfen. es sowohl zu

Reflexion als auch zur Übertragung des Schalls auf das neue Medium.

Flüstergalerien verwenden ebenfalls das Prinzip der Schallreflexion.

Totalreflexion von Schall Schall kann an unterschiedlich warmen totalGas, reflektiert werden.

Explosion Trifft eine Schallwelle von einem Feststoff aufLuftschichten eine Flüssigkeitsogar oder ein kommt es sowohlEine zu Reflexion als kann deshalb in nahen Gebieten sogar weniger gut ("Zone des Schweigens") gehört werden als in auch zur Übertragung des Schalls auf das neue Medium. entfernten (siehe auch unter 4.2.19 Brechung).

Totalreflexion von Schall Schall kann an unterschiedlich warmen Luftschichten sogar total reflektiert werden. Eine Explosion kann deshalb in nahen Gebieten sogar weniger gut («Zone des Schweigens») gehört werden als in entfernten (siehe auch unter 4.2.19 Brechung). wärmere Luftschicht

Schall durch gebogene Röhren geleitet werden, weil er an den Rohrwänden total reflektiert wird. Mit "Sprechtüten" (Megaphon) kann der Schall durch Reflexion "gebündelt" werden.

Explosion

still

kann

laut

Luftschallwellen in Röhren (Pfeifen) können an einem offenen Rohrende reflektiert werden und sich beim Zurücklaufen mit der auslaufenden Welle überlagern. Bei der "richtigen" Frequenz Schall kann gebogene Röhren geleitet werden,und weil er an den Rohrwänden totalKapitel reflektiert wird.Die Mit «Sprechbleiben diedurch dabei entstehenden Wellenkoten -bäuche stehen (siehe 4.2.3). tüten» (Megaphon) kann der Schall durch Reflexion «gebündelt» werden. schwingende Luft resoniert dann mit der Erregungsfrequenz und bildet eine stehende Welle.

Beispiel: Durch eine sehr starke punktförmige Wärmequelle kann - z.B. mit einem von unten in das vertikal gestellte eingeführten mitRohrende langem reflektiert Brennerhals - in und einem Luftschallwellen in RöhrenRohr (Pfeifen) können anGasbrenner einem offenen werden sich dünnen Pappoder Glasrohr (mindestens 1 m lang) eine sehr laute, gut tönende stehende beim Zurücklaufen mit der auslaufenden Welle überlagern. Bei der «richtigen» Frequenz bleiben die daSchallwelle (sogar mit Oberschwingungen) werden. bei entstehenden Wellenkoten und -bäuche stehenangeregt (siehe Kapitel 4.2.3). Die schwingende Luft resoniert dann mit der Erregungsfrequenz und bildet eine stehende Welle.

Beispiel: Durch eine sehr starke punktförmige Wärmequelle kann – z.B. mit einem von unten in das vertikal gestellte Rohr eingeführten Gasbrenner mit langem Brennerhals – in einem dünnen Papp- oder Glasrohr (mindestens 1 m lang) eine sehr laute, gut tönende stehende Schallwelle (sogar mit Oberschwingungen) angeregt werden.

4.2.13 Raumakustik Begibt man sich in einen Raum, sorgen unsere Sinne dafür, dass wir sofort eine Vorstellung von diesem Raum gewinnen. Natürlich spielt dabei der Sehsinn eine zentrale Rolle. Wir könnten uns 4.2.13 Raumakustik aber auch mit verbundenen Augen in einen uns völlig unbekannten Raum führen lassen und trotzdem gewisse Aussagen über diesen Raum machen - dank des Hörsinns, respektive der Wahrnehmung der Raumakustik. Achten Sie sich mal, wenn Sie einen stillen Raum betreten, wie Begibt man sich in einen Raum, sorgen unsere Sinne dafür, dass wir sofort eine Vorstellung von diesem Raum Sie ihn durch Ihr Gehör wahrnehmen. Sie werden grosse Unterschiede feststellen. Eine Kirche gewinnen. Natürlich spielt dabei der Sehsinn eine zentrale Rolle. Wir könnten uns aber auch mit verbundenen oder eine Turnhalle "tönen" anders als das Schulzimmer, Ihre Stube oder das Badzimmer.

Augen in einem einen uns völligein unbekannten lassenerzeugt, und trotzdem gewisse Aussagen Wird in Raum Ton, KlangRaum oderführen Geräusch breitet sich dieser mit über diesen Raum machen – dank des Hörsinns, deraus Wahrnehmung Raumakustik.

Achten Sie sich mal, oder wennspäter Sie eiSchallgeschwindigkeit vonrespektive der Quelle und wird, jeder nach Raumgrösse, etwas früher nen stillen Raum betreten, wie Sie ihn durch Ihr Gehör wahrnehmen.

Sie werden grosse Unterschiede feststellen. an eine Wand treffen und dort reflektiert. Das heisst: Personen, die sich in diesem Raum befinden, Eine Kirche odernur eineden Turnhalle «tönen» anders als das Schulzimmer, Ihre Stubeauch oder den das Badzimmer. werden nicht Direktschall wahrnehmen, sondern zusätzlich Schall, der von den Wänden (Decke, z. Teiloder sogar mehrfach reflektiert worden istmit (Nachhall ). In einem grossen Wird in einem Raum Boden) ein Ton, Klang Geräusch erzeugt, breitet sich dieser Schallgeschwindigkeit von der Raum kann der Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen des Direktschalls und dem letzten Quelle aus und wird, je nach Raumgrösse, etwas früher oder später an eine Wand treffen und dort reflektiert. Das wahrnehmbaren Nachhall einige Raum Sekunden betragen. heisst: Personen, die sich in diesem befinden, werden nicht nur den Direktschall wahrnehmen, sondern zusätzlich auch den Schall, der von den Wänden (Decke, Boden) zum Teil sogar mehrfach reflektiert worden ist (Nachhall). In einem grossen Raum kann der Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen des Direktschalls und dem letzten wahrnehmbaren Nachhall einige Sekunden betragen.

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Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 61

Unterlagen zur Nachbearbeitung Scha

Schallreflexion an Wänden führt zu Nachhall.

Quelle: www.ecophon.ch/templates/webpuffpage_107044. aspx Die Raumgrösse ist aber nicht der einzige Faktor, welcher für den Nachhall, respektive die Akustik eines Schallref Raumes entscheidend ist. Die Raumausstattung und Quelle: die Beschaffenheit der Wände (Decke, Boden) sind www.eco ebenfalls von grosser Bedeutung. Bei jeder Schallreaspx flexion geht nämlich Schallimpuls auf die Wände über und auch ein Teil der Energie. Der Grad dieser Schallabsorption (Schalldämpfung) hängt sehr stark von den Materialien ab. Die zu Grunde liegenden physikalischen Prozesse sind relativ kompliziert und werden hier nicht weiter erläutert.

Besonders zur Die Raumgrösse ist aber nicht der einzige geeignet Faktor, welcher für den Nachhall, respektive die Akustik eines Raumes entscheidend ist. Materialien, Die Raumausstattung Schalldämpfung sind poröse mit offenen und die Beschaffenheit der Wände (Decke, Boden)Poren, sind die ebenfalls voninnere grosser Bedeutung.

Bei jeder eine große Oberfläche aufweisen.

So Schallreflexion geht nämlich Schallimpuls auf dieweisen Wände über und auch ein Teil der Energie.

Der zwei gleich grosse, gleich ausgestattete, Räu- Grad dieser Schallabsorption (Schalldämpfung ) hängt sehr stark von den Materialien ab. Die zu Grunde liegenden me schon einen deutlichen Unterschied in der RaumSchallreflexion an Wänden führt zu Nachhall. physikalischen Prozesse sind relativ kompliziert und werden hier nicht weiter erläutert.

Besonders Die Raumgrösse ist aber nicht der einzige Faktor, welcher für akustik auf, wenn der eine einen Plattenboden, der geeignet zur Schalldämpfung sind poröse Materialien, mit offenen Poren, die eine große innere eines Raumes entscheidend ist. Die Raumausstattung und die andere einen Teppichboden aufweist. Der TeppichboQuelle: www.ecophon.ch/templates/ Oberfläche aufweisen. So weisen zwei gleich grosse, gleich ausgestattete, Räume schon einen Boden) sind ebenfalls von grosser Bedeutung. Bei jeder Scha den absorbiert Schall ziemlich stark, wasauf, den wenn Nach- der deutlichen Unterschied in der Raumakustik eine derein andere aufwebpuffpage_107044.aspx die einen WändePlattenboden, über und auch Teil der Energie. Der Grad d hall einschränkt.aufweist.

Auf gleicheDer Weise ist der Nachhall in (Schalldämpfung einen Teppichboden Teppichboden absorbiert Schall ziemlich stark, was den ) hängt sehr stark von den Materialien ab. D einem Raum deutlich wenn der nicht physikalischen Nachhall einschränkt.

Auf geringer, gleiche Weise ist Raum der Nachhall in einem Raum deutlich sind geringer, Prozesse relativwenn kompliziert und werden h leer, nicht sondern durch viele Personen gut besetzt ist. gut besetzt der Raum leer, sondern durch viele Personen geeignetist. zur Schalldämpfung sind poröse Materialien, mit offe

Oberfläche aufweisen. So weisen zwei gleich grosse, gleich a Es ist wichtig zwischen Schalldämpfung und Schalldämmung zuUnterschied unterscheiden. deutlichen in der Raumakustik wenn der eine Es ist wichtig zwischen Schalldämpfung und Schalldämmung zu unterscheiden.

Schalldämmung ist eineauf, MassSchalldämmung ist eine Massnahme zur akustischen Trennung von Räumen.

Wenn man also einen Teppichboden aufweist.

Der Teppichboden nahme zur akustischen Trennung von Räumen. Wenn man also verhindern will, dass störende Geräusche von absorbiert S verhindern will, dass störende Geräusche von einer Wohnung in die andere gelangen, oderMassnahmen von ist derzur einschränkt.

Aufmuss gleiche Nachhall in ein einer Wohnung in die andere gelangen, oder von aussenNachhall in ein Tonstudio gelangen, manWeise aussen in ein Tonstudio gelangen, muss man Massnahmen zur Schalldämmung ergreifen. der der Raum nicht leer, sondern durch Bei viele Personen gut besetz Schalldämmung ergreifen. Bei der Schalldämpfung hingegen, geht es um die Abschwächung der SchallausbreiSchalldämpfung hingegen, geht es um die Abschwächung der Schallausbreitung im Raum tung im Raum.

Es ist wichtig zwischen Schalldämpfung und Schalldämmun Anwendungen: Schalldämmung ist eine Massnahme zur akustischen Trennun Anwendungen Um konzentriert arbeiten zu können, braucht es in einem Grossraumbüro zur verhindern will, dassMassnahmen störende Geräusche von einer Wohnung Um konzentriert zu können, braucht es in einemaussen Grossraumbüro Massnahmen zur Schalldämpfung, Schalldämpfung, alsoarbeiten zur Verhinderung der ungehinderten Ausbreitung von störenden in ein Tonstudio gelangen, muss man also Massnahmen z Geräuschen.

Schalldämpfung hingegen, geht es um die Abschwächung der zur Verhinderung der ungehinderten Ausbreitung von störenden Geräuschen.

Massnahmen zur Schallabsorption im Grossraumbüro: Anwendungen: Massnahmen zur im Deckenelemente mitSchallabsorption vielen kleinenzu Löchern, ebenso die es in einem Gro Um konzentriert arbeiten können, braucht Grossraumbüro: Deckenelemente mit vielen Schalldämpfung, alsoTeppichboden. zur Verhinderung der ungehinderten Au Wände zwischen den Pulten. kleinen Löchern, ebenso die Wände zwischen Geräuschen. den Pulten. Teppichboden.

Quelle: Quelle:www.riempp.eu/seite142_31.htm www.riempp.eu/seite142_31.htm

Massnahm Grossraum kleinen Löc den Pulten Quelle: ww

Um in einem Tonstudio perfekte Aufnahmen machen 64 zu können, muss das Tonstudio gegen aussen perfekt schallisoliert sein (Schalldämmung). Gleichzeitig versucht man – etwas vereinfacht gesagt – den Nachhall möglichst zu minimieren. Aus diesem Grund sind die Wände meistens mit schallabsorbierenden Materialien eingekleidet (Schalldämpfung).

64 62 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Um in einem Tonstudio perfekte Aufnahmen machen zu können, muss das Tonstudio gegen aussen perfekt schallisoliert sein (Schalldämmung). Gleichzeitig versucht man - etwas vereinfacht gesagt - den Nachhall möglichst zu minimieren. Aus diesem Grund sind die Wände meistens mit Schallabsorbierenden Materialien eingekleidet (Schalldämpfung).

Die grössten Ansprüche an die Akustik werden wohl an einen Konzertsaal gestellt. Wie im Tonstudio auchanhier Geräusche (Lärm) von aussen innen gelangen.

Die grösstensollten Ansprüche die keine Akustikstörenden werden wohl an einen Konzertsaal gestellt.

Wienach im Tonstudio sollten auch Im Gegensatz zu einem Tonstudio ist hier aber ein gewisses Mass an Nachhall erwünscht.

Im hier keine störenden Geräusche (Lärm) von aussen nach innen gelangen. Im Gegensatz zu einem Tonstudio ist Idealfall kann dieser durch bewegliche Wände sogar beeinflusst werden.

Besonders wichtig ist hier aber ein gewisses Mass an Nachhall erwünscht. Im Idealfall kann dieser durch bewegliche Wände sogar auch, dass möglichst jeder Zuhörer gleich perfekte akustische Bedingungen vorfindet. Im beeinflusst werden. Besonders wichtig ist auch, dass möglichst jeder Zuhörer gleich perfekte akustische BedinKonzertsaal des "KKL Luzern" hat man zu diesem Zweck ganz besondere Wände eingebaut. gungen vorfindet. Im Konzertsaal des «KKL Luzern» hat man zu diesem Zweck ganz besondere Wände eingebaut.

Diese bestehen aus einem besonderen Material mit speziellen Öffnungen und Poren. Darüber Diese bestehen aussich einem besonderen Material mit Öffnungen Poren. Darüber hinaus hinaus lassen sie nach den Wünschen undspeziellen Bedürfnissen des und Orchesters bewegen umlassen genausie sichrichtige nach den Wünschen und Bedürfnissen des Orchesters bewegen um genau die richtige Akustik zu erzielen. die Akustik zu erzielen.

Konzertsaal des KKL Luzern. Bewegliche Konzertsaal des KKL Luzern.mit Bewegliche Wände spezieller Wände mit spezieller OberflächenbeschaffenOberflächenbeschaffenheit und dahinter heit und dahinter liegende liegende Echokammern.

Echokammern.

Quelle: KKL. Copyright Quelle:  KKL KKL. Luzern.

Copyright © KKL Luzern.

Akustik und Hören: Akustik und Hören Die Begriffe und Masseinheiten, die im Zusammenhang mit Akustik und Lärmschutz eine Rolle Die Begriffe und Masseinheiten, dienicht im Zusammenhang mit Akustik und Lärmschutz eine Rolle spielen, spielen, werden in der Literatur immer einheitlich verwendet.

Eine verständliche, gute werden in der Literatur immer einheitlich verwendet.

Einein verständliche, gute Übersicht mit Akustik Anwendungsbeispielen Übersicht mit nicht Anwendungsbeispielen findet sich www.laermorama.ch/ unter -> findet sich in www.laermorama.ch/ unter Akustik → Schallpegel → Wissen der Fachstelle Lärmschutz Kantons Schallpegel -> Wissen der Fachstelle Lärmschutz des Kantons Zürich. Daraus zitieren wirdes den Zürich. Daraus zitieren wir den folgenden Text: folgenden Text: Das Wichtigste in Kürze Das Wichtigste in Kürze Das Gehör kann einen riesigen Schalldruckbereich verarbeiten; allerdings entspricht dies nicht direkt dem Das Gehör kann einen Schalldruckbereich verarbeiten; allerdings entspricht dies nicht direkt dem LautstärLautstärkeeindruck.

Dasriesigen Gehör hat nämlich eine variable Empfindlichkeit.

Die logarithmische Dezibel-Skala bildet von 0 dB (Hörschwelle) bis ca.

130logarithmische dB (Schmerzgrenze) den gesamten keeindruck. Das Gehör hat nämlich eine variable Empfindlichkeit. Die Dezibel-Skala bildet von 0 dB Lautstärkebereich in überschaubaren Schritten ab.

(Hörschwelle) bis ca. 130 dB (Schmerzgrenze) den gesamten Lautstärkebereich in überschaubaren Schritten ab.

Schalldruckpegel resp. Schallpegel Beim Rechnen mit Schallpegeln muss berücksichtigt werden, dass die Schallintensitäten miteinander verrechnet werden müssen und nicht die Dezibel-Werte.

Eine Verdoppelung der Schallleistung entspricht einer Schallpegelerhöhung um 3 Schalldruckpegel resp.

Schallpegel dB.

Beim Rechnen mit Schallpegeln muss berücksichtigt werden, dass die Schallintensitäten miteinander verrechnet

werden müssen und nicht die Dezibel-Werte. Eine Verdoppelung der Schallleistung entspricht einer SchallpegelRechnen mit Schallpegeln: Ein gesundes Gehör erhöhung um 3 dB. kann bei guten Bedingungen im direkten Vergleich Pegel von 1 dB unterscheiden.

Das Gehör ist nicht in allen Frequenzbereichen gleich sensitiv. Generell werden tiefe Töne bei gleichem Schallpegel als weniger laut empfunden. Daher weicht das Gehör auch von der Dezibelskala ab.

Rechnen mit Schallpegeln

Lautstärke in phon Ein gesundes Gehör kann bei guten Bedingungen im direkten Vergleich Pegel von 1 dB unterscheiden.

Zwei Töne mit gleichem Schallpegel, aber unterschiedlicher Frequenz, werden oft auch als unterschiedlich laut Das Gehör ist nicht in allen Frequenzbereichen gleich sensitiv.

Generell werden tiefe Töne beidaher gleichem wahrgenommen.

Neben der physikalisch messbaren Grösse (Schalldruck, Schalldruckpegel) wurde auchSchallpeeine rein

gel als weniger laut empfunden. Daher weicht das Gehör auch von der Dezibelskala ab.

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Lautstärke in phon Zwei Töne mit gleichem Schallpegel, aber unterschiedlicher Frequenz, werden oft auch als unterschiedlich laut wahrgenommen. Neben der physikalisch messbaren Grösse (Schalldruck, Schalldruckpegel) wurde daher auch

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 63

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLabwird in [phon] angegeben, und deren Defieine rein subjektive Grösse, die Lautstärke, definiert. Die Lautstärke nition beruht auf dem subjektiven Vergleich zweier Schallvorgänge. Für diesen Vergleich wurde der 1-kHz-Ton als subjektive Grösse, gewählt. die Lautstärke, Die Lautstärke wird in [phon] derender Definition beruht auf Um die LautstärReferenzton Die definiert.

Lautstärkeskala entspricht daherangegeben, bei 1 kHzund genau Dezibelskala. dem subjektiven Vergleich zweier Schallvorgänge. Für diesen Vergleich wurde der 1-kHz- Ton als Referenzton gewählt. eines bestimmten (Signals) zu bestimmen, vergleichteines manbestimmten das vorhandene Signal mit dem Die ke Lautstärkeskala entsprichtSchallvorganges daher bei 1 kHz genau der Dezibelskala.

Um die Lautstärke Schallvorganges (Signals) zu bestimmen, vergleicht man das vorhandene Signal mit dem 1000-Hz-Referenzton.

1000-Hz-Referenzton. Die Intensität des Referenztons wird nun solange verändert, bis er alsDie gleich laut empfunIntensität des Referenztons wird nun solange verändert, bis er als gleich laut empfunden wird wie das vorhandene den wird wie das vorhandene Signal.

Der beim Referenzton ablesbare Schallpegel entspricht dann Signal. Der beim Referenzton ablesbare Schallpegel entspricht dann der Lautstärke des erzeugten Schallvorganges in der Lautstärke phon. des erzeugten Schallvorganges in phon.

Quelle: ISO-Norm 226 (ergänzt)

Quelle: ISO-Norm 226 (ergänzt) International genormte International genormte KurvenKurven gleicher Lautstärke reiner Töne. Töne. gleicher Lautstärke reiner Die orange Linie kennzeichnet die Referenzfrequenz von 1000 Hz, woorange Dezibel Linie und phon gleich Die kennzeichnet die gross sind. Ein 20-Hz-Ton mit Referenzfrequenz von 1000 Hz, 110 dB wird als gleich laut empfunden wieund ein 4-kHz-Ton wo Dezibel phon gleich gross mit 70 dB, beidesmal sind es 80 sind.

Ein 20-Hz-Ton mit 110 dB wird phon.

als gleich laut empfunden wie ein 4-kHz-Ton mit 70 dB, beidesmal sind es 80 phon.

Die Die Kurven gleich gleich empfundener Lautstärke Lautstärke von reinen Tönen Untersuchungen mit normal Kurven empfundener von wurden reinenanhand Tönenzahlreicher wurden anhand zahlreicher Untersuchungen hörenden Personen im Alter zwischen 18 und 25 Jahren bestimmt.

mit

normal hörenden Personen im Alter zwischen 18 und 25 Jahren bestimmt.

Lautheitsskala in sone Die Lautheitsskala angegeben in "sone" beruht darauf, dass 0.5 sone halb so laut sind wie 1 sone und 9 sone dreimal so in sone lautLautheitsskala sind wie 3 sone. Diese subjektive Skala bildet das Hörempfinden also linear ab.

Die Lautheitsskala angegeben in «sone» beruht darauf, dass 0.5 sone halb so laut sind wie 1 sone und 9 sone dreimal so laut sind wie 3 sone. Diese subjektive Skala bildet das Hörempfinden also linear ab.

4.2.14 Lärmschutz Wikipedia liefert folgende Definition von Lärm: Als Lärm werden Geräusche (Schalle) bezeichnet, die4.2.14 durch ihreLärmschutz Lautstärke und Struktur für den Menschen und die Umwelt gesundheitsschädigend oder störend bzw. belastend wirken. Dabei hängt es von der Verfassung, den Vorlieben und der Stimmung eines Menschen ab, ob Geräusche als Lärm wahrgenommen werden. Es ist also nicht nur die Lautstärke entscheidend, sondern auch die Struktur (rhythmisch oder anhaltend oder Wikipedia liefert folgende von Lärm: Als Lärmund werden Geräusche (Schalle) bezeichnet, die durch ihre unregelmässig, etc.).

Zudem Definition ist die Einordnung subjektiv von der Stimmung abhängig.

Lautstärke und Struktur für den Menschen und die Umwelt gesundheitsschädigend oder störend bzw. belastend Grundsätzlich gibthängt es 3 es Möglichkeiten sich vor den Lärm zu schützen: wirken. Dabei von der Verfassung, Vorlieben und der Stimmung eines Menschen ab, ob Geräusche als Lärm wahrgenommen werden. Es ist also nicht nur die Lautstärke entscheidend, sondern auch die Struktur − Verringerung des Lärms am Entstehungsort oder anhaltend oder unregelmässig, etc.). Zudem ist die Einordnung subjektiv und von der Stimmung −(rhythmisch Behinderung der Schallausbreitung abhängig. − Persönlicher Lärmschutz Natürlich ist es die beste den Lärm amzuEntstehungsort zu minimieren. Gerade Grundsätzlich gibt es 3Methode Möglichkeiten, sichbereits vor Lärm schützen: im Strassen- und Schienenverkehr sind in den letzten Jahrzehnten auch deutliche • Verringerungerreicht des Lärms am Entstehungsort Verbesserungen worden.

So ist etwa der Schallpegel von modernen • Behinderung der Schallausbreitung • Persönlicher Lärmschutz 66

64 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Natürlich ist es die beste Methode, den Lärm bereits am Entstehungsort zu minimieren. Gerade im Strassen- und Unterlagen zur Nachbearbeitung iLab erreicht worden. So ist etwa der Schienenverkehr sind in den letzten Jahrzehnten auch deutlicheSchalllabor Verbesserungen Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Schallpegel von modernen Eisenbahnlokomotiven («Lok 2000») etwa 10 dB geringer (80 statt 90 dB) als bei älteren Lokomotiven (Re 4/4). Neue Eisenbahnwagen sind sogar ca. 20 dB «leiser» (unter 80 dB im Vergleich zu ca.

Eisenbahnlokomotiven ("Lok 2000") etwa 10 dB geringer (80 statt 90 dB) als bei älteren 100 dB). Zur Einordnung dieser Zahlenwerte vergleiche mit der Tabelle im Kapitel 4.2.9. Auch im Strassenverkehr Lokomotiven (Re 4/4). Neue Eisenbahnwagen sogar ca. 20(80 dBstatt "leiser" (unter im Eisenbahnlokomotiven ("Lok 2000") etwasind 10 dB geringer 90 dB) als80 beidB älteren werden Anstrengungen unternommen um dendieser Lärm am Entstehungsort zu So sind moderne Fahrzeuge Vergleich zu ca 100(Re dB).

Zur Neue Einordnung Zahlenwerte vergleiche mit"leiser" der Tabelle im Lokomotiven 4/4).

Eisenbahnwagen sind sogar ca.verringern.

20 dB (unter 80Kapitel dB im «leiser» als ältere.

Von Bedeutung sind auch sogenannte Flüsterbeläge.

Dies sind spezielle Asphaltbeläge, die 4.2.9.

Auch im Strassenverkehr werden Anstrengungen unternommen um den Lärm am Vergleich zu ca 100 dB). Zur Einordnung dieser Zahlenwerte vergleiche mit der Tabelle im Kapitel den Lärm um ca.

5 dB verringern (Beachte, dies entspricht deutlich mehr als einer Halbierung!).

Entstehungsort zu im verringern.

So sind moderne Fahrzeuge "leiser" als ältere. um Vonden Bedeutung 4.2.9. Auch Strassenverkehr werden Anstrengungen unternommen Lärm amsind

auch sogenannte Flüsterbeläge.

DiesSo sind spezielle Asphaltbeläge, die den umVon ca Bedeutung 5 dB Entstehungsort zu verringern. sind moderne Fahrzeuge "leiser" alsLärm ältere. sind verringern diesFlüsterbeläge. entspricht deutlich mehrspezielle als einerAsphaltbeläge, Halbierung!). auch(Beachte, sogenannte Dies sind die den Lärm 5 dB Trotz dieser Verbesserungen bleibt die Lärmbelastung unvermindert gross (nimmt sogar eher nochum zu),ca denn die verringern (Beachte, deutlich mehr als einer Halbierung!).

Zunahme des Verkehrs machtdies sehr entspricht oft die angesprochenen Verbesserungen wieder zunichte. Aus diesem Grund Trotz dieser Verbesserungen bleibt die Lärmbelastung unvermindert gross sogar eher nochIn ist die Behinderung der Schallausbreitung ein ganz wesentlicher Bestandteil von (nimmt Lärmschutzmassnahmen. zu), denn die Zunahme des Verkehrs macht sehr oft die angesprochenen Verbesserungen wieder Trotz Jahren dieserist Verbesserungen bleibt Lärmbelastung (nimmt sogar eher den letzten gerade im Strassenunddie Schienenverkehr vielunvermindert Geld in solche gross Lärmschutzmassnahmen in-noch zunichte. diesem Grund istdes dieVerkehrs Behinderung ein ganz wesentlicher wieder zu),Aus denn die Zunahme machtder sehrSchallausbreitung oft die angesprochenen Verbesserungen vestiert worden.

Bestandteil von Aus Lärmschutzmassnahmen.

In den letzten der Jahren ist gerade im Strassenund zunichte. diesem Grund ist die Behinderung Schallausbreitung ein ganz wesentlicher Schienenverkehr in solche Lärmschutzmassnahmen Bestandteil viel vonGeld Lärmschutzmassnahmen.

In den letzteninvestiert Jahren istworden. gerade im Strassen- und Verbindet man das Wissenviel über Schallreflexion (Kap.4.2.12), Schallabsorption (Kap. 4.2.13) und Lautstärke (Kap. Schienenverkehr Geld in solche Lärmschutzmassnahmen investiert worden.

4.2.9) kann mandas leicht verstehen wie Lärmschutz funktioniert.

Verbindet man Wissen über Schallreflexion (Kap.4.2.12), Schallabsorption (Kap. 4.2.13) und Lautstärke (Kap. 4.2.9) kann man leicht verstehen wie (Kap.4.2.12), Lärmschutz funktioniert.

Verbindet man das Wissen über Schallreflexion Schallabsorption (Kap. 4.2.13) und Lautstärke (Kap. 4.2.9) kann man leicht verstehen wie Lärmschutz funktioniert.

Die porösen Betonelemente die Ausbreitungsdazu sehr oft verwendet werden, Die porösen Betonelemente die richtungAusbreitungsder Die porösen Betonelemente die dazu sehr kennen heute alle von Schallwelle dazu sehr oft verwendet werden, richtung der oft verwendet werden, kennen heute alle von Autobahnen und kennen heute alle von Schallwelle Autobahnen und Eisenbahnlinien. Die strukEisenbahnlinien.

Die strukturierte Autobahnen und turierte Oberfläche und das poröse Gefüge Oberfläche und das poröse Eisenbahnlinien.

Die strukturierte der Lavabetonelemente führen dazu, dass Gefüge der Lavabetonelemente Oberfläche und das poröse Schallwellen an der Oberfläche führenGefüge dazu, dass Schallwellen (inkl. den der Lavabetonelemente unddazu, kleineren mehrfach reangrösseren derführen Oberfläche (inkl. den dassPoren) Schallwellen grösseren undOberfläche kleineren Poren) flektiert Da bei jeder Reflexion anwerden. der (inkl. den Enermehrfach reflektiert werden.

Da grösseren und kleineren Poren)Teil gie verloren geht, wird ein beträchtlicher bei jeder Reflexion Energie mehrfach reflektiert werden. Daalso des auftretenden Schalls absorbiert, verloren geht, wird ein bei jeder Reflexion Energie verschluckt wird. Dies führt zu einem direkbeträchtlicher Teil des verloren geht, wirdder ein Schallschutzten (für Regionen hinter auftretenden SchallsTeil absorbiert, beträchtlicher des mauer) als auch indirekten (für Regionen auf also verschluckt wird.

Dies führt auftretenden Schalls absorbiert, anderen Strassenseite) Schallschutz. zuder einem (für Regionen alsodirekten verschluckt wird.

Dieshinter führt der Schallschutzmauer) als auch indirekten (für Regionen auf derzuanderen Strassenseite) Schallschutz. einem direkten (für Regionen hinter der Schallschutzmauer) als auch indirekten (für Regionen auf der anderen Strassenseite) Schallschutz.

4.2.15 Echolot 4.2.15 Echolot

Quelle: Wikipedia, Suchbegriff Echolot Quelle: Wikipedia, Suchbegriff Echolot

Mit Hilfe des Echolot-Verfahrens kann die Tiefe von Gewässern ermittelt werden. Ein kann die Tiefe Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 65 Mit Hilfe des Echolot-Verfahrens Schallimpuls (üblicherweise Ultraschall von Gewässern ermittelt werden. mit Eineiner Frequenz von ~100(üblicherweise kHz) wird z.B. Ultraschall von einem mit einer Schallimpuls

4.2.15 Echolot

mehrfach reflektiert werden. Da bei jeder Reflexion Energie verloren geht, wird ein beträchtlicher Teil des auftretenden Schalls absorbiert, also verschluckt wird. Dies führt zu einem direkten (für Regionen hinter der Schallschutzmauer) als auch indirekten ( auf der anderen Strassenseite) Schallschutz.

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Mit Hilfe des Echolot-Verfahrens kann die Tiefe von GewässerniLab ermittelt werden. Ein 4.2.15 Echolot Schallimpuls (üblicherweise Ultraschall mit einer Frequenz von ~100 kHz) wird z.B. von einem Schiff senkrecht nach unten ausgesendet. Die Schallwellen werden am chiff senkrecht nach unten ausgesendet.Mit Die Schallwellen werden am Boden und Hilfe des Echolot-Verfahrens kannreflektiert die Tiefe Boden reflektiert und gelangen zurück zum Schiff, wo sie registriert werden.

Aus der elangen zurück zum Schiff, wo sie registriert werden.

Aus der Laufzeitmessung und der von Gewässern ermittelt werden. Ein Laufzeitmessung und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit kann die Tiefe erekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit kann die Tiefe(üblicherweise ermittelt werden.

Schallimpuls Ultraschall mit einer mittelt werden.

Frequenz von ~100 kHz) wird z.B. von einem

urch wiederholte von unterschiedlichen Positionen ausgesendet, kann die Durch Schallimpulse, wiederholte Schallimpulse, von unterschiedlichen Positionen ausgesendet, 67 opographie ganzer desganzer Meeresbodens Weiterentwicklungen des kann dieGebiete Topografie Gebiete deskartographiert Meeresbodenswerden. kartografiert werden. WeiQuelle: Wikipedia, cholot-Verfahrens (Einsatz mehrerer Frequenzen gleichzeitig oder so genannte terentwicklungen des Echolot-Verfahrens (Einsatz mehrerer Frequenzen gleichzeitig Suchbegriff Echolot ächerlotsysteme) heuteFächerlotsysteme) für die Schifffahrtsind unerlässlich (zum Beispiel bei der Navigation oder sosind genannte heute für die Schifffahrt unerlässlich (zum urch Untiefen). In der Fischerei werden damit Fischschwärme aufgespürt, mit ein Grund für die Beispiel bei der Navigation durch Untiefen). In der Fischerei werden damit Fischusfischung der Meere. schwärme aufgespürt, mit ein Grund für die Ausfischung der Meere.

.2.16 Materialkontrollen mit Schall

Materialkontrollen mit Schall Kraftwerken, Produktionsanlagen, auteile oder 4.2.16 Schweissnähte in Autos, Flugzeugen, Seilbahnen, tc. sind über Jahre hinweg grossen Belastungen ausgesetzt. Kommt es zu einem Riss oder ruch, eines solchen Bauelementes kann dies gravierende Konsequenzen (Flugzeugabsturz, bsturz einer Bauteile Seibahnkabine) haben. Mit könnenSeilbahnen, viele solche SchädenProduktionsanlagen, gefunden oder Schweissnähte in Ultraschall Autos, Flugzeugen, Kraftwerken, etc. sind über erden. Heute gehören Ultraschallprüfungen solcher Objekte und Bauteile zu den Jahre hinweg grossen Belastungen ausgesetzt. Kommt es zu einem Riss oder Bruch, eines solchen Bauelementes, tandarduntersuchungen bei der Qualitätskontrolle und Wartung. Dazu wird ein Prüfkopf, der kann dies gravierende Konsequenzen (Flugzeugabsturz, Absturz einer Seilbahnkabine) haben. Mit Ultraschall ltraschallwellen aussenden und gleichzeitig empfangen kann, über die Oberfläche des können viele solche Schäden gefunden werden. Heute gehören Ultraschallprüfungen solcher Objekte und BauWerkstückes gefahren. Die Ultraschallwellen (100 kHz bis 50 MHz) dringen ins Werkstück ein und teile zu den Standarduntersuchungen bei der Qualitätskontrolle Wartung.Materialfehler Dazu wird ein Prüfkopf, der Ultraerden an Grenzflächen - also auch an "Materialdefekten" - reflektiert. und So können -7 aussenden und gleichzeitig empfangen kann, über die Oberfläche des Werkstückes gefahren. Die schallwellen nd "Haarrisse" bis 10 m Grösse, die sich von Auge oder durch andere Tests nicht identifizieren Ultraschallwellen kHz bis 50 MHz) dringen insPrüfung Werkstück ein verändert. und werden an Grenzflächen – also auch an ssen, entdeckt werden. Das(100 Werkstück wird durch diese nicht «Materialdefekten» – reflektiert. So können Materialfehler und «Haarrisse» bis 10–7m Grösse, die sich von Auge Seilbahnunglück: www.swissinfo.ch/ger/archive.html?siteSect=883&sid=815100&ty=st)

.2.17

oder durch andere Tests nicht identifizieren lassen, entdeckt werden. Das Werkstück wird durch diese Prüfung nicht verändert.

Erdbebenwellen (Seilbahnunglück: www.swissinfo.ch/ger/archive.html?siteSect=883&sid=815100&ty=st)

ei einem Erdbeben verschieben sich Teile der Erdkruste. Dabei werden oft gewaltige, spür- und örbare Energiemengen freigesetzt, die bei starken Beben zur Zerstörung von Häusern, Brücken nd Strassen im Erdbebengebiet führen. Die Erdbeben-Schockwellen breiten sich in Form von 4.2.17 Erdbebenwellen ngs- und querschwingenden Schallwellen durch die Erdkruste aus. Diese werden von eismographen (weltweit ca. 500 Stationen) empfangen.

Bei einem Erdbeben verschieben sich Teile der Erdkruste. Dabei werden Bild: Aufbau eines Seismographen (schematisch). oft gewaltige, spür- und hörbare Energiemengen Wichtig ist die grosse (träge) Masse der Kugel! freigesetzt, die bei starken Beben zur Zerstörung von Häusern, Brücken und Strassen im ErdbeQuelle: http://earthsci.org/education/teacher/basicgeol/earth bengebiet führen. Die Erdbeben-Schockwellen breiten sich in Form von q/earthq.html längs- und querschwingenden Schallwellen durch die Erdkruste aus. Diese werden von Seismographen (weltweit ca. 500 Stationen) empfangen.

Bild: Aufbau eines Seismographen (schematisch).

Wichtig ist die grosse (träge) Masse der Kugel!

Quelle: http://earthsci.org/education/teacher/basicgeol/earthq/ earthq.html

a Längswellen (Werden im Kontext von Erdbeben P-Wellen genannt) und Querwellen (Im ontext von Erdbeben: S-Wellen) sich unterschiedlich schnell bewegen, kann das Epizentrum des 66 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor ebens aus dem zeitlichen Abstand ihres Eintreffens und aus dem Vergleich der an erschiedenen Stationen gemessenen Wellenamplituden ermittelt werden.

Quelle: W Suchbegri

Unterlagen zur Nachbearbeitung iLab (Im Kontext von Erdbeben: Da Längswellen (Werden im Kontext von Erdbeben P-Wellen genannt)Schalllabor und Querwellen S-Wellen) sich unterschiedlich schnell bewegen, kann das Epizentrum des Bebens aus dem zeitlichen Abstand ihres Eintreffens und aus dem Vergleich der an verschiedenen Stationen gemessenen Wellenamplituden ermittelt Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab werden.

Bild:Bild: Seismogramm des verheerenden Erdbebens vom 26.12.2004 vor Sumatra, welches Seismogramm des verheerenden Erdbebens vom 26. 12. 2004 vor Sumatra, welches den verheerenden Tsunami mit Toten ausgelöst ausgelöst hat.

Das Seismogramm den verheerenden Tsunami mitüber über200'000 200`000 Toten hat.

Das Seismogramm wurde Bild: Seismogramm des verheerenden Erdbebens vom 26.

12.

2004 vor Sumatra, welches in Deutschland aufgezeichnet.

Quelle: www.weltderphysik.de/de/3431.php?i=3432 wurde in Deutschland aufgezeichnet. den verheerenden Tsunami mit über 200`000 Toten ausgelöst hat. Das Seismogramm wurde in Deutschland aufgezeichnet. Quelle: www.weltderphysik.de/de/3431.php?i=3432 Quelle: www.weltderphysik.de/de/3431.php?i=3432 Bei der Analyse seismologischer Daten wird übrigens festgestellt, dass auf der dem Beben gegenüberliegenden Erdoberfläche fast nur P-Wellen (Längswellen) eines Bebens registriert Beiwerden. der Analyse seismologischer Daten übrigens dass auf(Querwellen) der dem Beben Das beweist, dass die Erde einenwird flüssigen Kern festgestellt, besitzt, denn S-Wellen nicht durch eine Flüssigkeit ausbreiten.

Bei gegenüberliegenden der können Analysesich seismologischer Daten wird fast übrigens festgestellt,(Längswellen) dass auf der dem Beben gegenüberliegenden Erdoberfläche nur P-Wellen eines Bebens registriert werden. Das beweist, dass die Erde einen Kern besitzt, S-Wellen (Querwellen) Erdoberfläche fast nur P-Wellen (Längswellen) eines flüssigen Bebens registriert werden.denn Das beweist, dass die Erde einen Mit ähnlichen Verfahren können auch Aussagen über können sich nicht durch eine Flüssigkeit ausbreiten.

Epizentrum flüssigen Kern besitzt, denn S-Wellen (z.B. (Querwellen) können sich nicht durch eine Flüssigkeit ausbreiten. den Aufbau des Erdinneren Erdöllager) gemacht werden. Oft werden dafür kleine künstliche Beben Mit erzeugt ähnlichen Verfahren können auch Aussagen über (Explosionen oder Hammerschläge aufden Aufbau Mit ähnlichen Verfahren können auch Aussagen über denMetallplatten).

Aufbau desBei Erdinneren (z.B. Erdöllager) gemacht den Analysen auch des Erdinneren (z.B. Erdöllager) gemachtwerden werden.

Oft werden dawerden.

Oft werden dafür kleine künstliche Beben Beugungsund Brechungsphänomene berücksichtigt. für kleine künstliche Beben oder erzeugt (Explosionen oder Hammererzeugt (Explosionen Hammerschläge auf schläge auf Metallplatten).

Bei den Analysen werden auch BeuMetallplatten). Bei den Analysen werden auch gungsund Brechungsphänomene berücksichtigt.

Beugungsund Brechungsphänomene berücksichtigt.

S-Wellen

Epizentrum Flüssiger Erdkern

S-Wellen

Flüssiger Erdkern Schattenzone S-Wellen

Schattenzone S-Wellen

69 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 67

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab 4.2.18 Wellenbeugung (Diffraktion)

4.2.18 Wellenbeugung (Diffraktion) 4.2.18 Wellenbeugung (Diffraktion)

Schallwellen können umum Hindernisse herum gehengehen oder sich in einer schallisolierenden Schallwellen können Hindernisse herum oderhinter sich einer hinterÖffnung einer Öffnung in einer Schallwellen können um Hindernisse herum gehen oder sich hinter einer Öffnung inHindernisses einer Wand wieder im ganzen Raumwieder ausbreiten, wenn die Wellenlänge im Vergleich zurWellenlänge Dicke des oder schallisolierenden Wand im ganzen Raum ausbreiten, wenn die im Vergleich schallisolierenden Wand wieder im der ganzen Raum ausbreiten, wenn der der Wandöffnung grossoder ist. zurBreite Dicke des Hindernisses Breite der Wandöffnung grossdie ist.Wellenlänge im Vergleich zur Dicke des Hindernisses oder der Breite der Wandöffnung gross ist.

leise leise

Langwelliger Schall "umspült" das Langwelliger Hindernis. Schall "umspült" das Hindernis.

Kurzwelliger Schall gelangt nur schwach hinter Kurzwelliger Schall gelangt nur schwach hinter das Hindernis. das Hindernis.

Tiefe Töne, die auf das linke Ohr fallen, können um den Kopf herum in das rechte Ohr gelangen, Tiefe Töne, die auf das linke OhrOhr fallen, können um den Kopf herum das rechte Ohrrechte gelangen, hohe Töne weniTiefe auf das linke können um den Kopfinherum in das gelangen, hoheTöne, Tönedie weniger.

Das Gehirnfallen, benützt das unter anderem zur Feststellung der Ohr Richtung, aus der ger. Das Gehirn benütztDas dasGehirn unter anderem Feststellung der Richtung, aus der ein Schallsignal kommt. hohe Töne weniger. benütztzur das unter anderem zur Feststellung der Richtung, aus der ein Schallsignal kommt. ein Schallsignal kommt. laut laut

Lautsprecherbox mit Lautsprecherbox mit Schallaustrittsöffnung.

Schallaustrittsöffnung.

leise leise

Kurzwellige Schallwellen (hohe Töne) werden durch eine Kurzwellige Schallwellen (hohe Töne) werden durch eine Kurzwellige Schallwellen Töne) werden durch eine grosse Austrittsöffnung nur (hohe wenig gebeugt.

Aus diesem grosse Austrittsöffnung nur wenig gebeugt.

Aus Austrittsöffnung nur wenig gebeugt.

Ausdiesem diesem Grundgrosse haben Hochtonlautsprecher kleine Austrittsöffnungen Grund haben Hochtonlautsprecher kleine Austrittsöffnungen für den Schall.

Grund haben Hochtonlautsprecher kleine Austrittsöffnunfür dengen Schall. für den Schall.

Langwellige Schallwellen (also tiefe Langwellige Schallwellen Töne) werden von einem(also tiefe Langwellige Schallwellen (also tiefe Töne) werden von Lautsprecher mit einem kleiner Öffnung inTöne) werden von Lautsprecher mitÖffnung kleiner Öffnung in den ganzen Lautsprecher mit kleiner in deneinem ganzen Raum abgestrahlt. den ganzen Raum abgestrahlt.

Raum abgestrahlt.

Männerstimmen verbreiten Nachrichten im Nebenraum, auch wenn nur ein kleiner Türspalt offen Männerstimmen verbreiten Nachrichten im Nebenraum, auch wenn ein nur kleiner steht.

FrauenMännerstimmen verbreiten Nachrichten im auch nur wenn ein Türspalt kleiner offen Türspalt offen steht. Frauenstimmen sind da diskreter ☺Nebenraum, . steht.

Frauenstimmen sind da diskreter ☺. stimmen sind da diskreter.

68 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

70

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Unterlagen Nachbearbeitung Schalllabor Unterlagen zur zur Nachbearbeitung Schalllabor iLabiLab

4.2.19 Brechung von Schallwellen

4.2.19 Brechung von Schallwellen 4.2.19 Brechung von Schallwellen 4.2.19 Brechung von Schallwellen

Wenn Schall aus kalten Luftschichten in warme Schichten eindringt, ändert sich seine Wenn Schall kalten Luftschichten in warme Schichten eindringt, ändert sich seine Geschwindigkeit.

Das bewirkt eine Richtungsänderung, die Richtung wird "gebrochen".

Wenn Schall ausaus kalten Luftschichten in warme Schichten eindringt, ändert sich seine Geschwindigkeit. bewirkt Richtungsänderung, Richtung "gebrochen".

Geschwindigkeit.

DasDas bewirkt eineeine Richtungsänderung, die die Richtung wirdwird "gebrochen".

Wenn Schall aus kalten Luftschichten in warme Schichten eindringt, ändert sich seine Geschwindigkeit. Das bewirkt eine Richtungsänderung, die Richtung wird «gebrochen». warme Luft (oder Wind von links) warme warme Luft Luft (oder(oder WindWind von von links)links)

kalte Luft kaltekalte Luft Luft

Brechung der Schallrichtung beim Übergang zu warm Brechung der kalt Schallrichtung Brechung der von Schallrichtung beimbeim Übergang zu warm Übergang von von kalt kalt zu warm

Bei extremen Verhältnissen kann sogar Totalreflexion entstehen. In diesem Fall kann der Schall

Bei extremen Verhältnissen kann sogarkann Totalreflexion entstehen. In entstehen. diesem Fall kann der Schall (beim GrenzwinBei extremen Verhältnissen sogar Totalreflexion In diesem Fall kann der Schall Grenzwinkel der Totalreflexion, siehe Optik) überhaupt mehr in die andere Bei(beim extremen Verhältnissen kann sogar Totalreflexion entstehen.nicht In diesem Fall kann derLuftschicht Schall kel der Totalreflexion, siehe Optik) überhaupt nicht mehr in die andere Luftschicht eindringen und wird deshalb (beim Grenzwinkel der Totalreflexion, siehe Optik) überhaupt nicht mehr in die andere Luftschicht eindringen und wird deshalb vollständig gespiegelt. (beim Grenzwinkel der Totalreflexion, siehe Optik) überhaupt nicht mehr in die andere Luftschicht vollständig gespiegelt. eindringen deshalb vollständig gespiegelt. eindringen undund wirdwird deshalb vollständig gespiegelt. kalte Luft (oder Wind von links) kaltekalte Luft Luft (oder(oder WindWind von von links)links)

Brechung der Schallrichtung beim Brechung der warm Schallrichtung Übergang zu kalt.

Brechung der von Schallrichtung beimbeim Übergang von warm z u kalt. Übergang von warm zu kalt.

warme Luft warme warme Luft Luft

Die Schallrichtung wird auch durch die Windrichtung beeinflusst.

Die Schallrichtung wird auch durch die Windrichtung beeinflusst.

Die Brechung der Schallwellen(-richtung) beim Übertritt von stiller in bewegte Luft ist der Grund, warum wir meiDie Schallrichtung wird auch durch die Windrichtung beeinflusst.

Die Brechung der Schallwellen(-richtung) beim Übertritt von stiller in bewegte Luft ist der Grund, Die Schallrichtung wird auch durch die Windrichtung beeinflusst. nen, dass uns der Wind den Schall zu trägt!

Die Brechung Schallwellen(-richtung) beim Übertritt stiller in bewegte ist der Grund, wir meinen, dass uns der Wind den Schall zu trägt!

Diewarum Brechung der der Schallwellen(-richtung) beim Übertritt vonvon stiller in bewegte LuftLuft ist der Grund, warum wir meinen, dass uns der Wind den Schall zu trägt! warum wir meinen, dass uns der Wind den Schall zu trägt!

Windrichtung Windrichtung Windrichtung

Ohr OhrOhr

Knall Knall Knall

Knall Knall Knall

Der Wind "trägt" aber den Schall nicht, denn der Unterschied zwischen Wind und

Der Wind «trägt» aber den Schall nicht, denn der Unterschied zwischen Wind und Schallgeschwindigkeit (ungeDer Wind "trägt" den Schall nicht, denn der Unterschied zwischen Wind 340 m/s) ist sehr gross.

DerSchallgeschwindigkeit Wind "trägt" aberaber den(ungefähr Schall nicht, denn der Unterschied zwischen Wind undund fähr 340 m/s) ist sehr gross.(ungefähr Schallgeschwindigkeit (ungefähr ist sehr gross.

Schallgeschwindigkeit 340340 m/s)m/s) ist sehr gross.

Die bessere oder schlechtere Hörbarkeit von Schall bei Wind ist sicher auch eine Folge der

Die bessere oder schlechtere Hörbarkeit von Schall bei Wind isteine sicher auch eine Folge Die bessere oderoder schlechtere Hörbarkeit von Schall Wind ist zudem auch Folge der Wirbelbildungen Wirbelbildungen um das Ohr. Die bessere schlechtere Hörbarkeit vonbei Schall bei Wind ist sicher auch eine Folge der derum Wirbelbildungen Wirbelbildungen um um dasdas Ohr.Ohr. das Ohr.

71 71 iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 69 71Schülerlabor

4.2.20 Interferenz von Schallwellen

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

4.2.20 Wie Interferenz Schallwellen alle Wellen von können sich auch Schallwellen überlagern und dabei interferieren. Modellhaft kann die Interferenz von Schallwellen mit der Überlappung konzentrischer Kreise gezeigt werden. Dazu werden die Zentren zweier

Wie alle Wellen können sich auch Schallwellen überlagern und dabei interferieren. identischer Folien mit konzentrischen Kreisen auf dem Hellaumprojektor nahe nebeneinander gelegt. Da, wo sich Modellhaft kann die Interferenz von Schallwellen mit der Überlappung konzentrischer Kreise die Kreise (Wellenberge) treffen «verstärken» sie sich, da wo Berg auf Tal trifft, «schwächen» sie sich. Es entstegezeigt werden. Dazu werden die Zentren zweier identischer Folien mit konzentrischen Kreisen hen dabei helle und dunkle auf dem Hellaumprojektor nahe «Radialzonen». nebeneinander gelegt.

Da, wo sich die Kreise (Wellenberge) treffen "verstärken" sie sich, da wo Berg auf Tal trifft, "schwächen" sie sich. Es entstehen dabei helle undAdunkle "Radialzonen".

B A und B

Die Wellen A und B verstärken sich (konstruktive Interferenz).

A B A und B

Die Wellen A und B löschen sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz).

Zwei Lautsprecher - mit–dem gleichen Sinuston eines gespiesen - werden Zwei Lautsprecher mit dem gleichen Sinuston einesSinusgenerators Sinusgenerators gespiesen – werden ungefähr in der Entungefähr in dervon Entfernung vonWellenlängen einer bis zwei des gespielten Tones nebeneinander fernung einer bis zwei desWellenlängen gespielten Tones nebeneinander gestellt.

Bewegen wir uns im Abgestellt.stand Bewegen wir uns im Abstand einigen Metern Lautsprechern, hören wir von einigen Metern vor diesenvon Lautsprechern, hörenvor wir diesen abwechselnd «laut» und «leise», da L1 und L2 sich abwechselnd "laut" und "leise", da L 1 und L2 sich an einigen Stellen um eine halbe, an anderen an einigen Stellen um eine halbe, an anderen Stellen um eine ganze Wellenlänge unterscheiden.

Stellen um eine ganze Wellenlänge unterscheiden.

http://uni-ka.the-jens.de/html/exphys1/ex1613x.gif

http://uni-ka.the-jens.de/html/exphys1/ex1613x.gif

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/co http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ mmons/c/c7/Quincke-Rohr.gif

commons/c/c7/Quincke-Rohr.gif

Mit einem "Quinckerohr" lassen sich Interferenzen gut hörbar machen. Die bei T eingegebene 70 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor Sinus-Schallwelle wird im Rohr bei T in einen oberen und unteren Teil halbiert und bei O wieder

Nachbearbeitung Schalllabor Mit einem «Quinckerohr»Unterlagen lassen sichzur Interferenzen gut hörbar machen.iLab Die bei T eingegebene Sinus-Schallwelle wird im Rohr bei T in einen oberen und unteren Teil halbiert und bei O wieder vereinigt. Durch Herausziehen der unteren «Posaune» um eine geeignete Strecke d können sich diegeeignete beiden Teilwellen hörbar verstärken vereinigt.

Durch Herausziehen der unteren "Posaune" um eine Strecke d können sich oder auslöschen.

Mit einigem Nachdenken kann aus d und der Tonfrequenz die Schallgeschwindigkeit c = die beiden Teilwellen hörbar verstärken oder auslöschen. Mit einigem Nachdenken kann ausFrequenz d und mal Wellenlänge bestimmt werden. der Tonfrequenz die Schallgeschwindigkeit c = Frequenz mal Wellenlänge bestimmt werden.

4.2.21 Dopplereffekt

4.2.21 Dopplereffekt

Wenn wir uns rasch auf eine Schallwelle zu bewegen, gelangen die von ihr erzeugten Druckstörungen in rascherer Folge auf unser Ohr, als wenn wir uns nicht bewegen. Also hören wir den von der Schallquelle erzeugten Ton höher. Bewegen wir uns von der Schallquelle weg, ist es Wenn wir uns rasch auf eine Schallwelle zu bewegen, gelangen die von ihr erzeugten Druckstörungen in raschegerade umgekehrt, den von ihr abgegebenen Ton hören wir tiefer. rer Folge auf unser Ohr, als wenn wir uns nicht bewegen. Also hören wir den von der Schallquelle erzeugten Ton höher. wir uns von deruns Schallquelle weg, ist die es gerade umgekehrt, den von ihr abgegebenen Bewegt sichBewegen die Schallquelle auf zu, rücken sich abgegebenen Druckstörungen räumlichTon hören näher,wirdatiefer. diese sich ja immer mit gleicher Geschwindigkeit in der Luft bewegen. Die Schallquelle

tönt jetzt höher, als wenn sie ruht (oder sich gar von uns entfernt). Wir können diese Tonhöhenveränderung (hier Abnahme derrücken Tonhöhe) gutabgegebenen wahrnehmen, wenn ein lautes Auto rasch Bewegt sich die Schallquelle auf uns zu, sich die Druckstörungen räumlich näher, da diese an uns vorbeifährt. sich ja immer mit gleicher Geschwindigkeit in der Luft bewegen. Die Schallquelle tönt jetzt höher, als wenn sie ruht (oder sich gar von uns entfernt). Wir können diese Tonhöhenveränderung (hier Abnahme der Tonhöhe) gut

Das eben beschriebene Phänomen heisst Dopplereffekt (Doppler war ein österreichischer wahrnehmen, wenn ein lautes Auto rasch an uns vorbeifährt. Das eben beschriebene Phänomen heisst DopplerPhysiker). effekt (Doppler war ein österreichischer Physiker).

Bewegt sich ein Flugzeug gerade so schnell wie die nach vorne abgegebenen Schallimpulse, Bewegt einnicht Flugzeug so schnell wie nach vorne abgegebenen Schallimpulse, können sich diese können sich sich diese mehrgerade vom Flugzeug wegdie bewegen.

Das Flugzeug wird von dieser nicht mehr vom Flugzeug weg bewegen.

Das Flugzeug wird von dieser Schallenergieanhäufung (evtl. bis zum Schallenergieanhäufung (evt. bis zum Bersten) geschüttelt.

Bersten) Hinweis (ohnegeschüttelt. das hier zu erklären): Fliegt das Flugzeug schneller als der Schall, entsteht eine sich kegelförmig von Wellenfront, auf der sich der Schall eines Teilseine der sich kegelförmig Hinweis (ohne dasihm hierausbreitende zu erklären): Fliegt das Flugzeug schneller als der Schall, entsteht Flugbahn überlagert ("Überschallknall"). von ihm ausbreitende Wellenfront, auf der sich der Schall eines Teils der Flugbahn überlagert («Überschallknall»).

Bild: Physik, Walz, Schroedel, 1974

Bild: Physik, Walz, Schroedel, 1974

Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 71

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLabiLab Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Gedankenmodell zumzum Überschallknall: Gedankenmodell Überschallknall: Gedankenmodell zum Überschallknall: Skizziere ein ein Flugzeug, dasdas sich auf auf einer geraden, horizontalen Linie demdem Beobachter B B Skizziere Flugzeug, einer geraden, horizontalen Linie Beobachter Skizziere ein Flugzeug, das sich aufsich einer geraden, horizontalen Linie dem Beobachter B entgegen bewegt.

Nimm entgegen bewegt.

Nimm an, an, dass der der Schall in jeder Sekunde 2 cm auf auf deinem BlattBlatt zurücklegt. entgegen bewegt.

Nimm dass Schall in jeder Sekunde 2 cm deinem zurücklegt. an, dass der einer Schall Sekunde in jeder Sekunde 2 cm deinem Blatt zurücklegt.

Immer nach einer Sekunde erzeuge das Immer nach erzeuge dasauf Flugzeug einen "Knall".

Wenn dasdas Flugzeug mit mit Immer nach einer Sekunde erzeuge das Flugzeug einen "Knall".

Wenn Flugzeug Flugzeug einen «Knall».

Wenn das Flugzeug mit Schallgeschwindigkeit (oder schneller) fliegt, folgen sich Schallgeschwindigkeit (oder schneller) fliegt, folgen sichsich die die Knallpunkte in einem Abstand von 2 die Schallgeschwindigkeit (oder schneller) fliegt, folgen Knallpunkte in einem Abstand von 2 Knallpunkte inmehr). einem Abstand von 2 cm (oder mehr). cm (oder mehr). cm (oder

Zeichne nun von jedem dieser «Knallpunkte» aus eine Gerade zu B. Trage auf jeder Geraden 2 cm-Marken (so schnell bewegt sich der Knallschall) ein und nummeriere diese nach Sekunden. Du stellst fest, dass sich alle zeitgleichen bei B dieser häufen."Knallpunkte" B hört alle «Knalle» gleichzeitig.

Zeichne nunMarken von jedem aus eine Gerade zu B. B hört den Knall soeben.

Zeichne nun von jedem dieser "Knallpunkte" aus eine Gerade zu B. B hört den Knall soeben.

Trage auf auf jeder Geraden 2 cm-Marken (so (so schnell bewegt sichsich der der Knallschall) ein ein undund Trage jeder Geraden 2 cm-Marken schnell bewegt Knallschall) nummeriere diese nach Sekunden.

Du stellst fest,fest, dass sichsich alle alle zeitgleichen Marken bei bei B häufen. nummeriere diese nach Sekunden.

Du stellst dass zeitgleichen Marken B häufen.

B hört alle alle "Knalle" gleichzeitig.

B hört "Knalle" gleichzeitig.

4.3. Schall und Biologie 4.3.4.3.

Schall und Biologie Schall und Biologie 4.3.1 Das menschliche Ohr 4.3.1 DasDas menschliche OhrOhr 4.3.1 menschliche Beim Menschen wird das Ohr in die drei Bereiche Aus-

Beim Menschen wird dasdas OhrOhr in die dreidrei Bereiche Beim Menschen in die Bereiche senohr, Mittelohr undwird Innenohr eingeteilt: Aussenohr , Mittelohr undund Innenohr eingeteilt: Aussenohr , Mittelohr Innenohr eingeteilt: Das Außenohr umfasst die Ohrmuschel (1), den Ohr-

knorpel (2), dasumfasst Ohrläppchen und den äußeren Das Außenohr die die Ohrmuschel (1),Gedenden Das Außenohr umfasst Ohrmuschel (1), hörgang oder auch Ohrkanal (3).

Es dient nicht nur Ohrknorpel (2), das Ohrläppchen und den Ohrknorpel (2), das Ohrläppchen und den dem Einfangen des Schalls, sondern auch, um äußeren Gehörgang oderoder auch Ohrkanal (3).eine Es Es äußeren Gehörgang auch Ohrkanal (3). dient nicht nur demdem Einfangen desdes Schalls, sondern bestimmte Einfallsrichtung des Schalls durch spektdient nicht nur Einfangen Schalls, sondern auch, um um eine bestimmte Einfallsrichtung desdes raleauch, Minima und Maxima zu codieren.

Die zahlreichen eine bestimmte Einfallsrichtung Schalls durch spektrale Minima Maxima zu Schalls durch spektrale Minima und Maxima Erhebungen und Vertiefungen derund Ohrmuschel bil- zu codieren.

Die zahlreichen Erhebungen und Die zahlreichen Erhebungen undbei dencodieren. jeweils akustische Resonatoren, die jeweils Vertiefungen der der Ohrmuschel bilden jeweils Vertiefungen Ohrmuschel bilden jeweils Schalleinfall aus einer bestimmten Richtung angeregt akustische Resonatoren, die jeweils bei Schalleinfall akustische Resonatoren, die jeweils bei Schalleinfall werden. Hierdurch entstehen richtungsabhängige Miausaus einer bestimmten Richtung angeregt werden. einer bestimmten Richtung angeregt werden. nima und Maxima im Frequenzspektrum des Minima OhrsigHierdurch entstehen richtungsabhängige Hierdurch entstehen richtungsabhängige Minima nals, die vom Gehör zur Bestimmung der Einfallsrichundund Maxima im Frequenzspektrum desdes Ohrsignals, Maxima im Frequenzspektrum Ohrsignals, tungen oben, unten, vornBestimmung oder hinten Anatomie des Menschlichen Ohrs. die vomvom Gehör zur zur Bestimmung dergenutzt die Gehör der werden (richtungsbestimmende Bänder).

Einfallsrichtungen oben, unten, vorn oder hinten Einfallsrichtungen oben, unten, vorn oder hinten Quelle: Urban & Schwarzenberg aus «Folienordner genutzt werden (richtungsbestimmende Bänder). genutzt werden (richtungsbestimmende Bänder). Humanbiologie (Speckmann/Wittkowski)»

72 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 74

74

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

Zum Mittelohr(5) gehören das Trommelfell (4) und die Gehörknöchelchen (Ha Unterlagen Nachbearbeitung iLab des ova Amboss (7) und Steigbügel (8)). Derzur Steigbügel sitzt aufSchalllabor der Membran welches Mittelohr und Innenohr trennt. Die Unterlagen Schallenergie wird von einer grössere zur Nachbearbeitung Schallla (Trommelfell) durch die Gehörknöchelchen auf eine kleinere Fläche (ovales Fens Zum Mittelohr (5) gehören das Trommelfell (4) und(5) diegehören Gehörknöchelchen (Hammer (4) (6), und Amboss und Steigdas Trommelfell die (7) Gehörknöchelchen (Ha Zum Mittelohr Dadurch findet auch eine Signalverstärkung statt.

Unterhalb des ovalen Fensters bügel (8)). Der Steigbügel sitzt auf der Membran ovalen Fensters, welches Mittelohr undsitzt Innenohr trennt.

DieiLab des ova Amboss (7)des und Steigbügel (8)).

Der Steigbügel auf der Membran Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor (5) gehören dasrunde Trommelfell (4) undEs dieistGehörkn Zum Mittelohr der Fläche Schall(Trommelfell) ins Innenohr geleitet wird, liegt das Fenster (10). ebenfa Schallenergie wird von einer grösseren die Gehörknöchelchen auf eine kleinere Fläche welches Mittelohr unddurch Innenohr trennt.

Die Schallenergie wird von einer grössere Amboss (7) und Steigbügel (8)).

Der Steigbügel sitzt auf Membran verschlossen, und dient zum Ausgleich der Druckschwankungender imMe In (Trommelfell) die Gehörknöchelchen auf eine kleinere Fläche (ovales Fens (ovales Fenster) übertragen. Dadurch findet auch durch eine Signalverstärkung statt.

Unterhalb des ovalen Fensters, welches Mittelohr und Innenohr trennt.

Die Schallenergie wird voN Eustachische Röhre (11), auch Ohrtrompete genannt, verbindet Mittelohr und Mittelohr (5) gehören das Trommelfell (4) und dieeiner Gehörknöchelchen (Ha Zum Dadurch findetliegt auch eine statt.

Unterhalb des ovalen Fensters über welches der Schall ins Innenohr geleitet das rundeSignalverstärkung Fenster (10). ist ebenfalls mit Membran (Trommelfell) durch dieEsGehörknöchelchen auf eine kleinere Fläc und dientwird, zum Druckausgleich im luftgefüllten Mittelohr.

Amboss (7) und Steigbügel (8)).

Der Steigbügel sitzt auf der Membran des ova der Schall ins Innenohr geleitet wird, liegt das runde Fenster (10).

Es ist ebenfa verschlossen, und dient zum Ausgleich der Druckschwankungen im Innenohr.

DieSignalverstärkung Eustachische Röhre (11), Dadurch findet auch eine statt.auch Unterhalb des welches Mittelohr und Innenohr trennt.

Die Schallenergie wird von einer grössere Membran verschlossen, und dient zum Ausgleich der Druckschwankungen im(10 In Ohrtrompete genannt, verbindet Mittelohr und Nasenrachenraum und dient zumgeleitet Druckausgleich im das luftgefüllten der Schall ins Innenohr wird, liegt runde Fenster (Trommelfell) durch die(11), Gehörknöchelchen aufgenannt, eine kleinere Fläche (ovalesund Fens Eustachische Röhre auch Ohrtrompete verbindet Mittelohr Membran verschlossen, und dient zum Ausgleich der DruckschwN Mittelohr.

Dadurch auch eine Signalverstärkung statt.

Unterhalb des ovalen Fensters und dientfindet zum Druckausgleich im luftgefüllten Mittelohr.

Eustachische Röhre (11), auch Ohrtrompete genannt, verbinde der Schall ins Innenohr geleitet wird, liegt das runde Fenster (10). Es ist ebenfa und dient zum Druckausgleich im luftgefüllten Mittelohr.

Das Innenohr liegt in einem klei- Membran verschlossen, und dient zum Ausgleich der Druckschwankungen im In nen, flüssigkeitsgefüllten Hohl- Eustachische Röhre (11), auch Ohrtrompete genannt, verbindet Mittelohr und N raumsystem (knöchernes Laby- und dient zum Druckausgleich im luftgefüllten Mittelohr.

rinth, lat. Labyrinthus osseus) innerhalb des Felsenbeines, eines Teils des Schläfenbeines. In diesem knöchernen Labyrinth befindet sich das membranöse oder häutige Labyrinth (lat. Labyrinthus membranaceus), bestehend aus der Hörschnecke (12) (lat. Labyrinthus cochlearis, kurz: Cochlea), in der Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und dem Gleichgewichtsorgan (13) (lat. Labyrinthus vestibularis). Das Gleichgewichtsorgan besteht aus den Bogengängen und zwei bläschenförmigen Anteilen, dem Utriculus und dem Sacculus. Es dient dem Erkennen von Bewegungsänderungen und der Richtung der ErdDas Innenohr in einem kleinen, flüssigkeitsgefüllten Hohlraumsystem (knöc Querschnitt durchliegt die Hörschnecke anziehungskraft. Hörschnecke lat. Labyrinthus osseus) innerhalb des Felsenbeines, eines Teils des Schläfenbe Quelle: Urban & Schwarzenberg aus «Folienordner Humanbiologie und Gleichgewichtsorgan sind knöchernen Labyrinth befindet sich das membranöse oder häutige Labyrinth (lat.

(Speckmann/Wittkowski)» ähnlich gebaut: Beide sind mit membranaceus), bestehend aus der Hörschnecke (12) (lat. Labyrinthus cochlea Innenohr liegt in einem kleinen, flüssigkeitsgefüllten Hohlraumsystem (knöc einer Flüssigkeit (Endolymphe) Das Cochlea), in der Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und dem Gleichgewic lat.

Labyrinthus osseus) innerhalb des Felsenbeines, eines Teils des Schläfenbe Das Innenohr liegt in einem kleinen, Hohlrau gefüllt und besitzen Haarzellen. Die(lat.

Haarzellen sind zylinderförmig und haben ihren Namen vonflüssigkeitsgefüllten den etwa 30aus bis den Labyrinthus vestibularis).

Das Gleichgewichtsorgan besteht Bogeng knöchernen Labyrinth befindet sich das membranöse oder häutige Labyrinth (lat.

Labyrinthus innerhalb Felsenbeines, eines 150 haarartigen Fortsätzen am oberen Ende der Zelle lat.

(Stereozilien).

Dieosseus) Haarzellen der werden bläschenförmigen Anteilen, dem Utriculus undHörschnecke demdes Sacculus.

Esauch dient demTeils Erke membranaceus), bestehend aus der Hörschnecke (12) (lat.

Labyrinthus cochlea knöchernen befindet sich das membranöse oder häutig Bewegungsänderungen undLabyrinth der Richtung der Erdanziehungskraft.

Hörschnecke Hörzellen genannt.

Das Innenohr in einem kleinen, flüssigkeitsgefüllten Hohlraumsystem (knöc Cochlea), in derliegt Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und dem Gleichgewic membranaceus), bestehend aus der Hörschnecke (12) (lat.

Lab Gleichgewichtsorgan sind ähnlich gebaut: Beide sind eines mit einer Flüssigkeit (Endo Durch Bewegungen der Flüssigkeit werden die Härchen gebogen und lösen dabei Nervenimpulse aus.

Am unteren lat. osseus) innerhalb des Felsenbeines, Teils des den Schläfenbe (lat.Labyrinthus Labyrinthus vestibularis).

Das Gleichgewichtsorgan besteht aus Bogeng Cochlea), in der Schall in Nervenimpulse umgesetzt wird, und de und besitzen Haarzellen.

DieWerden Haarzellen sind Schallschwingungen zylinderförmig und oder haben ihren (lat.

Na Ende befindet sich eine Synapse mit einem sensorischen Neuron. nun membranöse durch knöchernen Labyrinth befindet sich das oder häutige Labyrinth bläschenförmigen Anteilen, dem Utriculus undDas demGleichgewichtsorgan Sacculus.

Es dient dem Erkea (lat.

Labyrinthus vestibularis). besteht 30 150 haarartigen Fortsätzen am oberen Ende der Zelle (Stereozilien).

Die H Bewegungsänderungen des Kopfesmembranaceus), diebis Haarfortsätze ausgelenkt, die Hörzellen einen Neurotransmitter bestehend aus der Hörschnecke (12) (lat. Labyrinthus cochlea Bewegungsänderungen undschütten der Richtung der Erdanziehungskraft. bläschenförmigen Anteilen, dem Utriculus und dem Hörschnecke Sacculus. Es Hörschnecke werden auch Hörzellen genannt. der Schall in Nervenzelle Nervenimpulse umgesetzt und dem Gleichgewic Gleichgewichtsorgan sind ähnlich gebaut: Beide sindwird, mitHaarzellen einer Flüssigkeit (Endo aus, welcher die darunterliegende Cochlea), Nervenzelleinstimuliert.

Jede stehtund nur mit wenigen im Bewegungsänderungen der Richtung der Erdanziehungskraf (lat.

Labyrinthus vestibularis).

Das Gleichgewichtsorgan besteht aus denihren Bogeng besitzen Haarzellen.

Die Haarzellen sind zylinderförmig und haben Na Kontakt. Von der Hörschnecke gehtund der Hörnerv (14) gemeinsam mit den Nervenbündeln des GleichgewichtsorgaGleichgewichtsorgan sind ähnlich gebaut:gebogen Beide sind einer Fl Durch Bewegungen der Flüssigkeit werden die Härchen undmit lösen dab bläschenförmigen Anteilen, dem Utriculus und dem Sacculus.

Es dient dem Erke 30 bis 150 haarartigen Fortsätzen am oberen Ende der Zelle (Stereozilien).

Die nes als Nervus vestibulocochlearis aus. in Richtung Gehirn. und besitzen Haarzellen.

Haarzellen sind sensorischen zylinderförmigNeuro undH Am unteren Ende befindet sich eine Die Synapse mit einem

Bewegungsänderungen undHörzellen der Richtung der Erdanziehungskraft. Hörschnecke Hörschnecke werden genannt.

30 bis auch 150 haarartigen Fortsätzen am oberen Ende der (Ste durch Schallschwingungen oder Bewegungsänderungen des Kopfes dieZelle Haarfor Gleichgewichtsorgan sind ähnlich gebaut: Beide sind mit einer Flüssigkeit (Endo Hörschnecke werden auch Hörzellen genannt. schütten die Hörzellellen einen Neurotransmitter aus, welcher die darunterliegen und besitzen Haarzellen.

Die Haarzellen sind und haben ihrendab Na Durch Bewegungen der Flüssigkeit werden diezylinderförmig Härchen gebogen und lösen stimuliert. Jede Nervenzelle steht nur mit wenigen Haarzellen im Kontakt. Von de 30 150 haarartigen Fortsätzen am oberen Ende der Zelle (Stereozilien).

Die H aus.bisAm unteren Ende befindet sich eine Synapse mit einem sensorischen Neuro Durch Bewegungen der Flüssigkeit werden die Härchen gebogen Hörschnecke werden auch Hörzellen durch Schallschwingungen oder Bewegungsänderungen des Kopfes Haarfor aus. Am unteren Endegenannt. befindet sich eine Synapse mitdie einem sen schütten die Hörzellellen einen Neurotransmitter aus, welcher die darunterliegen 75 durch Schallschwingungen oder Bewegungsänderungen des Kop Durch Bewegungen der Flüssigkeit werden die Härchen gebogen und lösen dab stimuliert.

Jede schütten Nervenzelle nur miteinen wenigen Haarzellen im aus, Kontakt.

Von de die steht Hörzellellen Neurotransmitter welcher die aus. Am unteren Ende befindet sich eine Synapse mit einem sensorischen Neuro stimuliert. Jede Nervenzelle steht nur mit wenigen Haarzellen im durch Schallschwingungen oder Bewegungsänderungen Kopfes die Haarfor Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitungdes Schalllabor 73 schütten die Hörzellellen einen Neurotransmitter75 aus, welcher die darunterliegen stimuliert. Jede Nervenzelle steht nur mit wenigen Haarzellen im75 Kontakt. Von de

Unterlagen zur zur Nachbearbeitung Schalllabor iLabiLab Unterlagen Nachbearbeitung Schalllabor

Hörnerv (14)(14) gemeinsam mit mit denden Nervenbündeln desdes Gleichgewichtsorganes als als Nervus gehtgeht der der Hörnerv gemeinsam Nervenbündeln Gleichgewichtsorganes Nervus 4.3.2 Richtungshören vestibulocochlearis in Richtung Gehirn. vestibulocochlearis in Richtung Gehirn.

4.3.2 4.3.2 Richtungshören ObRichtungshören Geräusche von links oder rechts kommen, können wir anhand der Zeitverschiebung leicht feststellen. Um die

Richtung genauer zu bestimmen sind wir auf die Ohrmuscheln angewiesen. Die Vertiefungen und Erhebungen

Ob Ob Geräusche vonvon linkslinks oderoder rechts kommen, können wir wir anhand der der Zeitverschiebung leicht Geräusche rechts kommen, können anhand Zeitverschiebung leicht der Ohrmuschel bilden ein akustisches Filtersystem. Je nachdem, aus welcher Richtung der Schall auf das Ohr feststellen.

UmUm die die Richtung genauer zu bestimmen sindsind wir wir auf auf die die Ohrmuscheln angewiesen. feststellen.

Richtung genauer zu bestimmen Ohrmuscheln angewiesen. trifft, entstehenund unterschiedliche Filtermuster.

Somit erhält jede ihre individuelle Klangfärbung.

Dieses DieDie Vertiefungen Erhebungen der der Ohrmuschel bilden ein Richtung akustisches Filtersystem.

Je Je Vertiefungen und Erhebungen Ohrmuschel bilden ein akustisches Filtersystem. wird vom menschlichen Gehör genutzt, um Geräusche von vorne, hinten, oben oder unten zu unterscheiden.

Die nachdem, ausaus welcher Richtung der der Schall auf auf dasdas OhrOhr trifft,trifft, entstehen unterschiedliche nachdem, welcher Richtung Schall entstehen unterschiedliche Ohrmuscheln können den Schall also nicht nur sammeln und dadurch verstärken, sondern geben Filtermuster.

Somit erhält jede Richtung ihre individuelle Klangfärbung.

Dieses wirdwird vom Filtermuster.

Somit erhält jede Richtung ihre individuelle Klangfärbung.

Dieses vomihm auch noch Informationen über die genutzt, Richtung die dann von im Innenohr undhinten, im Gehirn entschlüsselt wird. menschlichen Gehör genutzt, um mit, Geräusche vorne, hinten, oben oder unten zu menschlichen Gehör um Geräusche von vorne, oben oder unten zu unterscheiden.

DieDie Ohrmuscheln können denden Schall unterscheiden.

Ohrmuscheln können Schall alsoalso nicht nur nur sammeln undund dadurch verstärken, nicht sammeln dadurch verstärken, sondern geben ihmihm auch noch Informationen überüber die die sondern geben auch noch Informationen Richtung mit,mit, die die dann im Innenohr undund im Gehirn Richtung dann im Innenohr im Gehirn entschlüsselt wird. entschlüsselt wird.

}

Wegdifferenz

Quelle: Quelle: http://www.schule-bw.de/ Abb. 1:http://www.schule-bw.de/ Vertikale Schall-Lokalisation; Unterscheidung unterricht/faecher/nwt/unterrichtseinheiten/ unterricht/faecher/nwt/unterrichtseinheiten/ zwischen oben und unten. einheiten/schall/ohr1.html einheiten/schall/ohr1.html

Quelle: http://www.schule-bw.de/ unterricht/faecher/ nwt/unterrichtseinheiten/ einheiten/schall/ohr1.html (Speckmann/Wittkowski)

Die Ohrmuscheln der meisten anderen Säuger sind ausserdem DieDie Ohrmuscheln der der meisten anderen Säuger Ohrmuscheln meisten anderen Säuger noch viel beweglicher als unsere, so dass einzelne Geräusche sindsind ausserdem noch vielviel beweglicher als als ausserdem noch beweglicher gezielt verstärkt und geortet werden können. Bei den Flederunsere, so dass einzelne Geräusche gezielt unsere, so dass einzelne Geräusche gezielt mäusen, welcheund aufund sehrgeortet präzises Richtungshören verstärkt geortet werden können.

Beiangewiesen denden verstärkt werden können.

Bei sind,Fledermäusen, ist Fledermäusen, der Gehörgang durch denauf sogenannten Tragus abgewelche auf sehr präzises welche sehr präzises deckt, soRichtungshören dass Geräusche fast nur durch Reflexion Richtungshören angewiesen sind, ist der angewiesen sind, ist an derden OhrGehörgang durch den sogenannten Tragus muscheln ins Ohr gelangt.

Dadurch wird der Filtereffekt weniger Gehörgang durch den sogenannten Tragus abgedeckt, so dass Geräusche fast nur durch abgedeckt, so dass Geräusche fast nur durch mit dem direkten Klang überlagert und die Auflösung verbesReflexion an den Ohrmuscheln ins ins OhrOhr Reflexion an den Ohrmuscheln sert sich.

gelangt.

Dadurch wirdwird der der Filtereffekt weniger gelangt.

Dadurch Filtereffekt weniger mit mit demdem direkten Klang überlagert undund die die direkten Klang überlagert Auflösung verbessert sich.

Auflösung verbessert sich.

DerDer Gehörgang der Fledermäuse ist durch denden Gehörgang der Fledermäuse ist durch Der Gehörgang der Fledermäuse ist durch Tragus abgedeckt.

Tragus abgedeckt. den Tragus abgedeckt.

Quelle: www.studentenlabor.de/ws04_05b/SinneSeminar/ Quelle: www.studentenlabor.de/ws04_05b/SinneSeminar/ Echoortung/Echoortung_Code/Echoortung_c.html Echoortung/Echoortung_Code/Echoortung_c.html Quelle: www.studentenlabor.de/ws04_05b/

SinneSeminar/ Echoortung/Echoortung_ Code/Echoortung_c.html

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74 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

3

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Das Mittelohr (1; auch Paukenhöhle genannt) dient zur Verstärkung des Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Schallsignals. Die Schallwelle, welche 4.3.3 Verstärkung im Mittelohr durch die Ohrmuschel und den äusseren Gehörgang auf das Trommelfell (2) geleitet wird, bringt 4.3.3 Verstärkung im Mittelohr dieses Schwingen.

Durch die genannt) dient Daszum Mittelohr (1; auch Paukenhöhle 3 4 5 Gehörknöchelchen (3 Hammer, 4 Die Schallwelle, zur Verstärkung des Schallsignals.

Amboss und 5 Steigbügel) wird die welche durch die Ohrmuschel und den äusseren GeBewegungDas auf das ovale(1; Fenster am Mittelohr auch Paukenhöhle hörgang auf das Trommelfell (2) geleitet wird, bringt Innenohr übertragen.

Dabei wird durch genannt) dient zur Verstärkung des dieses zum Schwingen.

Durch die Gehörknöcheldie Anordnung der Hebelarme Schallsignals.

Die Schallwelle, welche chen dass (3 Hammer, 4 Amboss 5 Steigbügel) wird erreicht, diedie Energie derundund durch Ohrmuschel den 1 die Bewegung auf das ovale Fenster am Innenohr Schallwelleäusseren am Trommelfell auf das Gehörgang auf das 2 übertragen.

Dabei wird die Anordnung der Heviel kleinere ovale Fenster übertragen Trommelfell (2)durch geleitet wird, bringt Menschliches Mittelund Innenohr: Die Schallausbreitung wird,belarme was eine Verstärkung erreicht, dass diedes EnergieDurch der Schallwelle dieses zum Schwingen. die in der Hörschnecke ist durch die Pfeile dargestellt.

Schalldrucks zur Folge hat.

Dies am Trommelfell auf das viel kleinere ovale Gehörknöchelchen (3 Hammer, 4 Fenster entspricht der Umkehrung einer Quelle: Urban & Schwarzenberg aus "Folienordner Humanbiologie Amboss Steigbügel) wird dieSchallübertragen wird, und was 5eine Verstärkung des (Speckmann/Wittkowski)" hydraulischen Presse.

Bewegung auf das ovale Fenster am drucks zur Folge hat. Dies entspricht der Umkehrung Innenohr übertragen.

Dabei wird durch einer hydraulischen Presse. die Anordnung der Hebelarme erreicht, dass die Energie der 1 Menschliches Mittel- und Innenohr: Die Schallaus4.3.4 Unterscheiden von Tonhöhen Schallwelle am Trommelfell auf das breitungviel in der Hörschnecke ist durchübertragen die Pfeile 2 kleinere ovale Fenster Menschliches Innenohr: Die Schallausbreitung dargestellt.

Menschen sind in dereine Lage Töne mit Frequenzen von 20 Hz bisMitteletwa und 20 kHz zu hören.

Am wird, was Verstärkung des in der Hörschnecke ist durch die Pfeile dargestellt.

Schalldrucks zur Folge hat.

Dies Quelle: Urban & Schwarzenberg aus «Folienordner empfindlichsten sind wir für Frequenzen von 2-4 kHz. Dabei können wir bereits entspricht dervon Umkehrung einer Frequenzunterschiede 3 Hz detektieren.

Quelle: Urban & Schwarzenberg aus "Folienordner Humanbiologie Humanbiologie (Speckmann/Wittkowski) (Speckmann/Wittkowski)" hydraulischen Presse.

Die Schallwellen werden dabei in der Hörschnecke durch die Basilarmembran auf die Haarzellen übertragen. Die Haarzellen selbst registrieren dabei auf alle Frequenzen gleich. Erst die Geometrie der Hörschnecke und der Basilarmembran bewirkt, dass Schallwellen verschiedener Frequenzen 4.3.44.3.4 Unterscheiden von Tonhöhen Unterscheiden von Tonhöhen verschiedene Haarzellen anregen.

Durch die gegen innen dicker werdende Basilarmembran der Hörschnecke werden auf die inneren Menschen sind in der Lage Töne mit Frequenzen vonHaarzellen 20 Hz bis etwa 20 kHzTöne zu hören. Am nur tiefere empfindlichsten sind wir für Frequenzen von 2-4 kHz.Menschen Dabei können wir bereits sind in der Lage mit Frequenübertragen, während die Töne äusseren Frequenzunterschiede von 3 Hz detektieren.

Haarzellen sowohl bei20 hohen alshören. Am zen von 20 Hz bis etwa kHz zu auch bei tiefen sind Tönen empfindlichsten wirangeregt fürauf Frequenzen von Die Schallwellen werden dabei in der Hörschnecke durch die Basilarmembran die Haarzellen werden (im Hirn werden bei tiefen 2-4 kHz. Dabei können wir bereits Frequenzunübertragen. Die Haarzellen selbst registrieren dabei auf alle Frequenzen gleich. Erst die Geometrie Tönen dievon entsprechenden Reize terschiede 3 Hzverschiedener detektieren. Frequenzen der Hörschnecke und der Basilarmembran bewirkt, dass Schallwellen der äusseren Haarzellen ignoriert.). verschiedene Haarzellen anregen. Durch die gegen innen dicker werdende der Die Schallwellen werdenBasilarmembran in der Hörschnecke Da die Haarzellen für hohe Töne Hörschnecke werden auf die inneren durch die und Basilarmembran auf die Haarzellen häufiger stärkernur angeregt Haarzellen tiefere Töne auf übertragen.

Die Haarzellen selbst reagieren werden, sind sie bei während lärmbedingter übertragen, die äusseren alle Frequenzen gleich.

Erst die Geometrie der Schwerhörigkeit auch stärker Haarzellen sowohl bei hohen als Hörschnecke und der Basilarmembran bewirkt, beeinträchtigt. auch bei tiefen Tönen angeregt dass Schallwellen verschiedener Frequenzen werden (im Hirn werden bei tiefen verschiedene Haarzellen anregen.

Durch die Tönen die entsprechenden Reize derdicker äusseren Haarzellen ignoriert.). gegen innen werdende Basilarmembran Da die werden Haarzellen fürinneren hohe Töne Hohe Frequenzen werden nahe am ovalen Fenster wahr­ der Hörschnecke auf die Haarhäufiger und stärker angeregt genommen, tiefe dringen weiter in die Hörschnecke vor.

Hohe Frequenzen werden nahe am ovalen Fenster zellen nur tiefere Töne übertragen, während werden, sind sie bei lärmbedingter wahrgenommen, tiefe dringen weiter in die Hörschnecke vor. die äusseren Quelle: www.Wikipedia.com Haarzellen sowohl bei hohen als Schwerhörigkeit auch stärker Quelle: www.Wikipedia.com auch bei tiefen Tönen angeregt werden (im Hirn beeinträchtigt. werden bei tiefen Tönen die entsprechenden 77 Reize der äusseren Haarzellen ignoriert.). Da die Haarzellen für hohe Töne häufiger und stärker angeregt werden, sind sie bei lärmbedingter Schwerhörigkeit auch stärker beeinträchtigt.

Hohe Frequenzen werden nahe am ovalen Fenster wahrgenommen, tiefe dringen weiter in die Hörschnecke vor.

Quelle: www.Wikipedia.com Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 75 77

Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab

4.3.5 Stimmbildung Die menschliche Stimme wird durch das Zusammenwirken der beiden Stimmbänder im Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor iLab Kehlkopf und den Ansatzräumen erzeugt.

4.3.5 Stimmbildung Der Kehlkopf stellt den oberen Abschluss der 4.3.5 Stimmbildung Luftröhre dar, er liegt vorne im Hals und ist besonders bei Männern deutlich Die menschliche Stimmeoft wird durchals dasAdamsapfel Die menschliche wirdsind durch Zusam-im zu erkennen.

ImStimme Kehlkopf diedas beiden Zusammenwirken der beiden Stimmbänder menwirken dergespannt, beiden Stimmbänder Kehlkopf Stimmlippen komplexeim Muskelund Kehlkopf und den Ansatzräumen erzeugt.

Gewebeschichten, deren Stellung durch Muskeln, und den Ansatzräumen erzeugt.

Der Kehlkopf stellt den oberen Abschluss der Knorpel und Gelenke verändert werden Die Der Kehlkopf stellt Abschluss der kann.

LuftLuftröhre dar, er den liegtoberen vorne im Hals und ist Stimmlippen können die Luftröhre bis auf einen besonders oft deutlich als Adamsapfel röhre dar, er bei liegtMännern vorne im Hals und ist besonders kleinen Spalt verschließen.

Diese engste im zu erkennen.

Im Kehlkopf sind die beiden bei Männern oft deutlich als Adamsapfel zu Stelle erKehlkopf bezeichnet man als Stimmritze (Glottis).

Stimmlippen gespannt, komplexe Muskelund kennen. Im Kehlkopf sind die beiden Stimmlippen Die Stimmritze wirdderen zum Atmen durch Abduktion Gewebeschichten, Stellung durch Muskeln,der Quelle: gespannt, komplexe Muskel- und Gewebeschichentspannten Stimmlippen weit geöffnet, damit die Knorpel und Gelenke verändert werden kann. Die http://www.eesom.com/go/6Q0QXEWW6NU2 ten, deren Stellungeindurch Muskeln, Knorpel und Um Luft ungehindert und ausströmen kann.

Stimmlippen können die Luftröhre bis auf einen RLCZJRAL4639WDFSCA Gelenke verändert werden kann.

Dieengste Stimmlipstimmhafte Töne zu erzeugen, versetzt die aus der kleinen Spalt verschließen.

Diese Stelle im pen können die Luftröhre bis auf einen kleinen Lunge strömende Luftman die als Stimmbänder Ränder Kehlkopf bezeichnet Stimmritze (die (Glottis). der in Schwingung, ähnlich dem der Spalt verschließen.

Diese imAbduktion KehlDie Stimmlippen) Stimmritze wird zumengste AtmenStelle durch Quelle: Rohrblatt eines Holzblasinstrumentes.

Jedamit kopf bezeichnet man als Stimmritze (Glottis).

Die die entspannten Stimmlippen weit geöffnet, http://www.eesom.com/go/6Q0QXEWW6NU2 entspannter diezum Stimmlippen sind, desto langsamer Luft ungehindert einund durch ausströmen kann.

Stimmritze wird Atmen Abduktion der Um RLCZJRAL4639WDFSCA schwingen undzuder Grundton des Klanges Sind sie angespannter, schwingen die stimmhafte sie Töne erzeugen, versetzt die auswird der tiefer. entspannten Stimmlippen weit geöffnet, damit Stimmbänder schneller und der Ton wird höher.

Lunge (die Ränder die Luftströmende ungehindertLuft ein-die undStimmbänder ausströmen kann.

Die Ausgestaltunginder Laute findetähnlich dann im Vokaltrakt statt. So werden die Hohlräume bei der Stimmlippen) Schwingung, dem Um stimmhafte Töne zu erzeugen, versetzt die aus Menschen und Tieren bezeichnet, welche Rohrblatt eines Holzblasinstrumentes.

Je eine Filterung und Färbung der Töne bewirken. der Lunge strömende Luft die Stimmbänder (die In Analogie zum Ansatzrohr bei Blasinstrumenten wird der Vokaltrakt wegen der Ähnlichkeiten bei entspannter die Stimmlippen sind, desto langsamer Ränder der Stimmlippen) in Schwingung, ähnlich dembezeichnet.

Rohrblatt eines Holzblasinstrumentes. Je entspannter die der Lauterzeugung oft ebenfalls als Ansatzrohr schwingen sie und der Grundton des Klanges wird tiefer. Sind sie angespannter, schwingen die Stimmlippen sind, desto langsamer schwingen sie und der Grundton des Klanges wird Sind sieund angespannBei Säugetieren beginnt er am besteht aus dem Rachen, demtiefer.

Mundraum den Stimmbänder schneller und derKehlkopf Ton wirdund höher. ter, schwingen die Stimmbänder schneller und der Ton wird höher.

Nasenhöhlen und endet mit den Lippen.

Die Stimmritze erzeugt einen undifferenzierten Laut, Die Ausgestaltung der Laute findet dann im Vokaltrakt statt. So werden die Hohlräume bei der im Ansatzrohr die unterschiedliche Formung derSoMundlippen undder durch die unterschiedliche Die Ausgestaltung der Laute findet dannwelche im Vokaltrakt statt. werden die Hohlräume bei Menschen und Tieren Menschen unddurch Tieren bezeichnet, eine Filterung und Färbung Töne bewirken.

Zungenund Kieferstellung zu einem Sprechoder Singlaut verändert wird.

In Analogie zum Ansatzrohr bei Blasinstrumenten wird derInVokaltrakt wegen der Ähnlichkeiten bei bezeichnet, welche eine Filterung und Färbung der Töne bewirken.

Analogie zum Ansatzrohr bei BlasinstrumenDie Vögel haben zwei Kehlköpfe, wobei der obere nur zur Trennung von Luft und Nahrungswegen der Lauterzeugung oft ebenfalls als Ansatzrohr bezeichnet. ten wird der Vokaltrakt wegen der Ähnlichkeiten bei der Lauterzeugung oft ebenfalls als Ansatzrohr bezeichnet. dient, während der untereerals eingesetzt wird.dem Rachen, dem Mundraum und den Bei Säugetieren beginnt amStimmorgan Kehlkopf und besteht aus Nasenhöhlen und endet mit den Lippen. Die Stimmritze erzeugt einen undifferenzierten Laut, der im Ansatzrohr durch die unterschiedliche Formung der Mundlippen und durch die unterschiedliche Bei Säugetieren beginnt der Vokaltrakt am Zungen- und Kieferstellung zu einem Sprech- oder Singlaut verändert wird.

Kehlkopf und besteht aus dem Rachen, dem Die Vögel haben zwei Kehlköpfe, wobei der obere nur zur Trennung von Luft und Nahrungswegen dient, während der untere als Stimmorgan eingesetzt wird. Mundraum und den Nasenhöhlen und en-

det mit den Lippen. Die Stimmritze erzeugt einen undifferenzierten Laut, der im Ansatzrohr durch die unterschiedliche Formung der Mundlippen und durch die unterschiedliche Zungen- und Kieferstellung zu einem Sprechoder Singlaut verändert wird.

Die Vögel haben zwei Kehlköpfe, wobei der obere nur zur Trennung von Luft und Nahrungswegen dient, während der untere als Stimmorgan eingesetzt wird.

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76 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

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4.3.6 Echoortung der Fledermäuse

Unterlagen zur Nachbearbeitung Eine der bekanntesten Anwendungen der Akustik in der Biologie ist die Echoortung der Fledermäuse.

Federmäu- Schalllabor iLa se nutzen nicht nur die Schallwellen, die von anderen Lebewesen ausgesandt werden, sondern senden selbst 4.3.6 Echoortung der Schallwellen aus, um aus dem Echo Rückschlüsse auf ihre Umgebung zu ziehen.

AufFledermäuse die Optik übertragen könnte Eine der bekanntesten Anwendungen der Akustik in der Biologie ist die man sagen, dass Fledermäuse ihre Umgebung nicht nur anschauen, sondern sie auch aktiv ausleuchten.

Dabei Fledermäuse.

Federmäuse nutzen nicht nur die Schallwellen, die von a sind einige Fledermäuse in der Lage, kleine Objekte in der Grössenordnung von einem Millimeter zu lokalisieren.

Physikalische Parameter der Ortungsrufe

ausgesandt werden, sondern senden selbst Schallwellen aus, um aus auf ihre Umgebung zu ziehen. Auf die Optik übertragen könnte man sa Umgebung nicht nur anschauen, sondern sie auch aktiv ausleuchten.

Fledermäuse in der Lage, kleine Objekte in der Grössenordnung von e lokalisieren.

Physikalische Parameter der Ortungsrufe

Frequenz: Je höher die Frequenz einer Welle, desto kleiner können die Flächen sein, welche ein Echo erzeugen.

Frequenz: Jeist höher die Frequenz einer Welle, desto kleiner können d Eine brauchbare Reflexion findet nur statt, wenn das Hindernis grösser als die Wellenlänge des ausgesendeEcho erzeugen. Eine brauchbare Reflexion findet nur statt, wenn das H ten Signals (vgl. Experiment 3 im iLab). Deshalb eignen sich hohe Tönedes besser, um feine Strukturen zu erkennen Wellenlänge ausgesendeten Signals (vgl.

Experiment 3 im iLab). D (Mücken, feine Äste, Drähte).

Töne besser, um feine Strukturen zu erkennen (Mücken, feine Äste, D Hohe Töne sind allerdings einer stärkeren atmosphärischen Hohe Dämpfung Das heisst, sie breiten sich bei Töne unterworfen. sind allerdings einer stärkeren atmosphärischen Dämpfung bei kleine gleicher Anfangsenergie weniger weit gleicher Anfangsenergie weniger weit aus. Fledermäuse diesie aufbreiten engemsich Raum Insekten und Hindernisse er- aus. Flederm kleine Insekten und Hindernisse müssen, stossen deshalb h kennen müssen, stossen deshalb höhere Töne aus als Fledermäuse die in offenem Gelände erkennen grosse Insekten jagen.

Fledermäuse die in offenem Gelände grosse Insekten jagen.

Bandbreite: Viele Fledermäuse nutzen die Vorteile von hohen und tiefen Frequenzen, indem sie Rufe aussenden, welche sowohl hohe als auch tiefe Frequenzen enthalten. Je grösser die Bandbreite des Rufs, desto mehr Information kann darin enthalten sein. Die unterschiedliche Reflexion verschiedener Frequenzanteile gibt Aufschluss über Distanz, Grösse und Oberflächenbeschaffenheit von Objekten.

Andere Fledermäuse spezialisieren sich auf einen schmalen Frequenzbereich. Dabei kann das Gehör für diesen Bereich optimal ausgelegt sein. Auch viele störende Hintergrundgeräusche können dadurch ausgeblendet werden.

Bandbreite: die Vorteile v Frequenzen, welche sowo Frequenzen Bandbreite d Information k Die untersch verschiedene Aufschluss ü Oberflächenb Objekten.

Andere Flede auf einen sch Fledermäuse können dank Echoortung auch nachts Dabei kann d Fledermäuse können dank Echoortung auch nachts Insekten fangen. optimal ausg Quelle: http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/Echoortung.4035.0.html Insekten fangen. störende Hin Quelle: http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/ dadurch aus

Echoortung.4035.0.html Fledermäuse und Dopplereffekt Fledermäuse und Dopplereffekt

Durch den Dopplereffekt können Fledermäuse Relativgeschwindigkeit reflektierenden Objekt bestimmen. Damit können sie Informationen zu Durch den Dopplereffekt können Fledermäuse Relativgeschwindigkeiten zwischen ihnen undDa dem derjenigen von Beutetieren erhalten. diereflektierenFlügel eines Insektes ihre jedem Flügelschlag wechseln, ändert sich die Verschiebungsrich den Objekt bestimmen. Damit können sie Informationen zu Ihrer Geschwindigkeit und derjenigen vonauch Beutetieren dauernd, so dass ein typisches Muster entsteht. Da der Dopplereffekt erhalten. Da die Flügel eines Insektes ihre Bewegungsrichtung bei jedem Flügelschlag wechseln, ändert sich auch stehenden Objekten vom Winkel zwischen Objekt, Fledermaus und Flu die Verschiebungsrichtung des Dopplereffekts dauernd, so Fledermaus dass ein typisches Muster ob entsteht. der Dopplerefauch erfahren, sie mit Da dem Objekt kollidieren wird oder Wenn das Echo Fledermaus die maximalund zu erwartende Frequenz hat und die Zeit fekt bei Reflexionen am stehenden Objekten vom Winkel zwischen Objekt, Flugrichtung abhängt, gleichzeitig kurz ist, ist es Zeit, die Richtung zu ändern. kann die Fledermaus auch erfahren, ob sie mit dem Objekt kollidieren wird oder nicht. Einfach ausgedrückt: Wenn

das Echo die maximal zu erwartende Frequenz hat und die Zeit zwischen Rufenhat und Hören gleichzeitig kurz ist, ist dass sie teilwe Bei Hufeisennasen man ausserdem zeigen können, die knapp zu tief für ihr Gehör ist. Durch den Dopplereffekt hören sie n es Zeit, die Richtung zu ändern. nähernden Objekten und werden weder durch die direkten Rufe noch entfernenden Objekten gestört.

Bei Hufeisennasen hat man ausserdem zeigen können, dass sie teilweise in einer Frequenz rufen, die knapp zu tief für ihr Gehör ist. Durch den Dopplereffekt hören sie nur das Echo von sich ihnen nähernden Objekten und werden weder durch die direkten Rufe noch durch Echos von sich entfernenden Objekten gestört.

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Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor 77

5. Literaturverzeichnis Die Quellen zum Bildmaterial sind jeweils direkt bei den Abbildungen aufgeführt. Zudem finden sich auch einzelne Hinweise auf Webseiten mit Animationen oder anderem interaktivem Material. Natürlich kann es vorkommen, dass im Laufe der Zeit solche Links nicht mehr aktuell sind, oder ins «Leere» führen. Die Autoren haben darauf keinen Einfluss.

In der Folge sind einige Lehrbücher, Webseiten, Broschüren, usw. aufgeführt, welche die hier vorgestellte Theorie abdecken.

Diese haben uns als Grundlage bei der Entwicklung des Dossiers gedient:

Lehrmittel: Broschüre: Lärm und Gesundheit, Materialien für die Klassen 5-10; BZgA, Köln (2008) Dorn, Bader; Physik, Gymnasium Gesamtband; Schoedel, Braunschweig (2007) Halliday; Physik, WILEY-VCH (2003) Litz; Urknall; Klett und Balmer, Zug (2007) Metzler; Physik; Schroedel (2008) Physik Oberstufe, Gesamtband; Cornelsen, Berlin (2005) Seiler, Hardmeier; Lehrbuch der Physik; Polygraphischer Verlag, Zürich (1975) Tipler; Physik; Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg (1994) Veit, Ivar; Technische Akustik, Vogel-Verlag (1978) Walz; Physik, Schroedel (1974)

Internet: www.laermorama.ch http://lernarchiv.bildung.hessen.de/sek_i/

78 Schülerlabor iLab :: Unterlagen zur Nachbearbeitung Schalllabor

Paul Scherrer Institut :: Schülerlabor iLab :: 5232 Villigen PSI :: Schweiz :: Tel. +41 56 310 55 40 :: www.ilab-psi.ch

Nachbearbeitung_Ultraschall_iLab, 4/2014