Physikalisches Schulversuchspraktikum Katharina Wieser WS 00/01. Akustik. Lehrplan: Realgymnasium 2. Klasse - 1 -

Transkript

1 Physikalisches Schulversuchspraktikum Katharina Wieser WS 00/01 Akustik Lehrplan: Realgymnasium 2. Klasse - 1 -

2 Inhaltsverzeichnis I. Entstehung und Ausbreitung des Schalls Entstehung von Schall...3 Versuch Lineal- oder Stricknadelschwingungen... 4 Versuch Weinglas-Orchester... 5 Versuch Papierpfeiferl Schallleitung...7 Versuch Schwingende Membran... 8 Versuch Wecker im Vakuum... 9 Versuch Schnurtelefon Schallgeschwindigkeit...11 II. Töne Frequenz und Tonhöhe Erzeugung von Tönen...13 Schwingende Saiten Schwingende Platten oder Membrane Schwingende Luftsäulen Tonleiter Mensch und Akustik...16 Das menschliche Ohr Der Hörbereich des menschlichen Ohres Die menschliche Stimme Aufzeichnung und Wiedergabe des Schalls...18 Das Mikrophon Der Lautsprecher Tonträger III. Lärm und Lärmschutz Schalldruck und Schallmessung Lärm und Lärmschutz...20 IV. Aufgaben...21 Aufgabe Aufgabe Aufgabe

3 I. Entstehung und Ausbreitung des Schalls 1. Entstehung von Schall Wodurch entsteht Schall? Ziel: Die Schüler sollen verstehen, dass Schwingungen Schall verursachen. Alles Hörbare bezeichnen wir als Schall. Schall entsteht beim Reden, Gehen,.... Akustik ist die Lehre vom Schall. Körper, die Schall erzeugen, nennt man Schallquellen. Schall entsteht, wenn ein elastischer Körper (=Schallquelle) rasch genug schwingt. Schallerscheinungen werden in zwei Gruppen eingeteilt: in Töne/Klänge und Geräusche. Ein regelmäßig schwingender Körper kann Töne oder Klänge erzeugen, Geräusche entstehen durch unregelmäßige Schwingungen. Je stärker die Anregung einer Schallquelle ist, desto größer ist die Schwingungsweite, und desto lauter ist der Ton

4 Versuch Lineal- oder Stricknadelschwingungen Benötigte Materialien: 1 Lineal oder 1 Stricknadel, 1 Tisch Versuchsdurchführung: Das Ende des Objekts wird fest auf die Tischplatte gedrückt und anschließend das Objekt in Schwingung versetzt. Ergebnis: Es entstehen Töne

5 Versuch Weinglas-Orchester Benötigte Materialien: 1 möglichst dünnwandiges Weinglas mit etwas Flüssigkeit Versuchsdurchführung: Man reibt mit seinem nassen Finger sanft rund um den Rand. Ergebnis: Es entsteht ein schöner, eigenartig durchdringender Ton. Durch verschieden hohe Füllungen kann man unterschiedliche Tonhöhen erzeugen und je schneller man rotiert, desto höher ist die Lautstärke des Tons

6 Versuch Papierpfeiferl Benötigte Materialien: 1 quadratisches Stück Papier, 1 Schere, 1 Stück Tixo Versuchsdurchführung: Eine Ecke des Papiers schneidet man von beiden Seiten ein. Nun rollt man das Papier von einer Ecke her ein. Das Ende fixiert man mit einem Stück Klebeband. Das eingeschnittene Dreieck klappt man über das Röhrchen. Das andere Ende nimmt man in den Mund, und zieht Luft ein. Ergebnis: Die vibrierende Luftklappe, erzeugt Luftschwingungen, also Schall

7 2. Schallleitung Wie kommt es, dass wir Schwingungen eines Körpers hören? Ziel: Die Schüler sollen die Ausbreitung als Weitergabe der Schwingung über die Teilchen verstehen. Zwischen dem schwingenden Körper und dem Ohr befindet sich Luft. Die Schwingungen einer Schallwelle werden in der Luft von Teilchen zu Teilchen weiterbefördert. Es bewegen sich aber nicht die Teilchen weiter, sondern nur die Schwingung. Die dabei auftretenden Druckschwankungen (abwechselnde Verdichtung und Verdünnung der Luft) bezeichnet man als Schallwelle. Eine Schallwelle breitet sich in alle Richtungen aus. Auch feste und flüssigen Körper können Schallschwingungen an unsere Ohren übertragen. Im Vakuum kann sich Schall nicht ausbreiten. Da sich der Schall nach allen Richtungen ausbreitet, nimmt seine Lautstärker mit der Entfernung von der Schallquelle ab. Es ist aber weithin zu hören, wenn man ihn mit einem Sprachrohr oder Megaphon in eine bestimmte Richtung lenkt. Glatte Wände reflektieren den Schall, rauhe Wände dagegen absorbieren (verschlucken) ihn

8 Versuch Schwingende Membran Benötigte Materialien: 1 Pappröhre, 1 Luftballon, 1 brennende Kerze Versuchsdurchführung: Die Pappröhre wird auf einer Seite mit dem Luftballon als Membran bespannt. Dann wird die Pappröhre Richtung Kerze gehalten und auf die Membran geklopft. Ergebnis: Durch das Klopfen beginnt die Membran zu schwingen, daher werden Luftteilchen von ihr weggestoßen. Dadurch entsteht eine Luftverdichtung. Dahinter bildet sich eine Stelle mit Luftverdünnung. Die gestoßenen Teilchen stoßen wieder an weitere Luftteilchen. Damit breiten sich Luftverdichtungen und verdünnungen im Raum aus und gelangen so auch zur Kerze

9 Versuch Wecker im Vakuum Benötigte Materialien: 1 Vakuumpumpe, 1 Wecker/Läutwerk Versuchsdurchführung: Der läutende Wecker wird unter die Glasglocke der Vakuumpumpe gelegt. Dann wird diese luftleer gepumpt. Ergebnis: Das Läuten wird während des Abpumpens immer leise, bis man schließlich nichts mehr hört, d.h. im Vakuum kann sich kein Schall ausbreiten. Lässt man die Luft wieder einströmen, so ist das Läuten wieder besser zu hören

10 Versuch Schnurtelefon Benötigte Materialien: 2 Joghurtbecher, 1 bis zu 10 m lange Schnur Versuchsdurchführung: Aus den Joghurtbechern und der Schnur wird ein Schurtelefon gebaut, indem man Löcher in die Becherböden macht, die Schnur durchfädelt und dick verknotet. Mit einem Partner hält man die Schnur gespannt und spricht leise in den Becher oder streicht mit einem Finger leicht über die Schnur. Ergebnis: Die Schnur überträgt die Schwingungen besser als die Luft

11 3. Schallgeschwindigkeit Wie schnell ist der Schall? Ziel: Die Schüler sollen die Schallgeschwindigkeit vor allem in Relation zu anderen Geschwindigkeiten wie der Lichtgeschwindigkeit c setzen können. In einem Gespräch können wir beobachten, dass wir sofort hören, was unser Gesprächspartner zu uns sagt. Bei einem Gewitter kann man allerdings beobachten, dass man den Blitz immer sieht, bevor man den Donner hört. Licht ist also schneller als Schall. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340 m/s. Die Schallgeschwindigkeit in festen oder flüssigen Stoffen ist größer als in Gasen, da in diesen Stoffen die Teilchen näher beisammen liegen als in Gasen und daher die Schwingungen schneller weiter gegeben werden. Luft (bei 0 o C) 332 m/s km/h Luft (bei 20 o C) 343 m/s km/h Wasser (bei 20 o C) m/s km/h Holz ~ m/s km/h Eisen ~ m/s km/h Glas ~ m/s km/h Die Schallgeschwindigkeit in der Luft hängt von der Temperatur ab: Je höher die Temperatur, desto größer die Schallgeschwindigkeit

12 II. Töne 1. Frequenz und Tonhöhe Warum hören wir unterschiedlich hohe Töne? Ziel: Die Schüler sollen den Zusammenhang zischen Frequenz und Tonhöhe verstehen. Schall wird durch die Schwingungen einer Schallquelle verursacht. Diese Schallquellen können unterschiedlich schnell schwingen. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz. Die Einheit der Frequenz ist 1 Hertz (1 Hz). Je größer die Frequenz ist, desto höher ist der erzeugte Ton. Der Normstimmton (oder Kammerton) a, nach dem weltweit die Musikinstrumente gestimmt werden, hat 440 Hz. Zu jedem Ton gehört also eine bestimmte Frequenz. Ein Ton ist umso höher, je größer seine Frequenz ist. Dazu kann man den Versuch Lineal- oder Stricknadelschwingungen durchführen, und dabei die Länge des schwingenden Objekts ändern

13 2. Erzeugung von Tönen Wie kann ich Töne erzeugen? Ziel: Die Schüler sollen die Grundtechniken verstehen, auf denen sie verschiedenen Musikinstrumente basieren. Schwingende Saiten Schwingende Saiten erzeugen Töne oder Klänge. Der Ton ist umso höher, je kürzer und je dünner die Saite ist und je stärker sie gespannt ist. Saiteninstrumente sind z.b. Gitarre, Harfe, Klavier, Geige, und Kontrabass. Allerdings ist eine schwingende Saite ein schlechter Schallabstrahler, daher haben fast alle Saiteninstrumente einen Resonanzkasten. Durch das Mitschwingen dieses Resonanzkörpers wird die Schallabstrahlung verstärkt. Gleichzeitig mit dem Grundton bringt eine Saite noch Obertöne hervor. Die Frequenzen der Obertöne sind ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Grundtons. Sie bestimmen die Klangfarbe des Grundtons. Das Tongemisch aus Grundton und Obertönen bezeichnet man als Klang. Schwingende Platten oder Membrane Durch Anschlagen werden Stäbe, Platten und Membrane zum Schwingen gebracht. Die Tonhöhe hängt unter anderem von der Länge und dem Material der Stäbe ab. Schwingende Platten findet man bei Xylophon, Glockenspiel, Stimmgabel und Triangel, schwingende Membrane bei Trommeln und Tschinellen

14 Schwingende Luftsäulen Bläst man etwa die Öffnung eines Rohres an, so kommt das Rohr zum Schwingen. Je kürzer die Luftsäule ist, desto höher ist der Ton. Schwingende Luftsäulen findet man bei allen Blasinstrumenten und der Orgel. Man unterscheidet in Lippen-, Zungen- und Polsterpfeifen. Lippenpfeifen (Blockflöte, Querflöte) Lippenpfeifen besitzen eine scharfe Kante (Lippe), an der beim Anblasen der Luftstrom so geteilt wird, dass die Luft im Inneren der Pfeife abwechselnd verdünnt und verdichtet wird. Dadurch entsteht der Ton, die Tonhöhe kann durch Abdecken der Löcher am Flötenkörper geändert werden. Zungenpfeifen (Holzblasinstrumente wie Klarinette und Saxophon) Durch das Anblasen wird eine elastische Zunge in Schwingungen versetzt. Dadurch wird der Weg für die hineingeblasene Luft abwechselnd freigegeben oder gesperrt, und es entstehen Schallwellen. Bei der Orgel sind sowohl Lippen- als auch Zungenpfeifen zu finden. Für jeden Ton ist eine eigen Pfeife zu finden. Beim Niederdrücken der Orgeltasten wird einem Luftstrom der Weg zu den einzelnen Pfeifen freigegeben. Polsterpfeifen (Blechblasinstrumente) Bei ihnen wird die Luft durch die menschlichen Lippen gepresst, die damit in Schwingungen geraten. Diese werden an die Luftsäule im Inneren des Instruments weitergegeben. Je nach Lippenspannung erhält man verschiedene Töne. Zusätzlich haben einige Instrumente (Trompete, Posaune,...) noch Ventile oder Klappen, mit denen die Länge der Luftsäule und damit der Tonhöhe geändert werden können

15 3. Tonleiter Wie ist eine Tonleiter aufgebaut? Ziel: Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz noch besser verstehen. Das eingestrichene c (c1) wird durch Schwingungen mit einer Frequenz von 264 Hz erzeugt. Das zweigestrichene c (c2), das eine Oktave höher liegt, wird mit der doppelten Frequenz, also 528 Hz erzeugt. Zwischen c1 und c2 liegen weiter Töne. Die geordnete Reihe dieser acht Töne innerhalb einer Oktave nennt man Tonleiter, das Frequenzverhältnis zweier Töne Intervall. Die Intervalle einer Tonleiter beruhen auf genauen mathematischen Verhältnissen der Frequenzen

16 4. Mensch und Akustik Wie kann der Mensch hören bzw. Töne erzeugen? Ziel: Die Schüler sollen die umgesetzte Theorie der Luftschwingungen auch in der praktischen Anwendung erkennen und verstehen. Das menschliche Ohr Man unterscheidet 3 Teile: das äußere Ohr, das Mittelohr und das innere Ohr. Die Schallwellen werden von der Ohrmuschel aufgefangen, durch den Gehörgang zum Trommelfell geführt, das dadurch in Schwingung gerät. Über die Gehörknöcheln des Mittelohres werden die Schwingungen an das innere Ohr weitergeleitet. Dort befindet sich die Schnecke mit dem Cortischen Organ, dem eigentlichen Hörorgan. Die Schwingungen erregen die Nerven-fasern, die Nervenreize werden ins Gehirn weitergeleitet und bewirken dort eine Hörempfindung. Der Hörbereich des menschlichen Ohres Der tiefste Ton, den wir noch hören können, hat eine Frequenz von etwa 16 Hz, der höchste je nach Alter bis Hz. Der Hörbereich des menschlichen Ohres wird mit zunehmendem Alter kleiner

17 Schall über der oberen Hörgrenze des Menschen heißt Ultraschall. Manche Tiere können in diesem Bereich noch hören (z.b. Hunde) oder verständigen sich sogar mittels Ultra schall (z.b. Fledermäuse). Die menschliche Stimme Das menschliche Stimmorgan befindet sich im Kehlkopf, dem oberen Ende der Luftröhre. Die Stimmbänder können durch Anspannung die Luftröhre bis auf einen kleinen Spalt die Stimmritze schließen. Die hindurchgehende Luft regt die gespannten Stimmbänder zum Schwingen an. Die Tonhöhe hängt von der Länge, Breite und Spannung der Stimmbänder abhängt. Die Klangfarbe wird durch Rachen-, Mundund Nasenhöhle bestimmt. An der Bildung der Sprachlaute sind außerdem noch Kehle, Gaumen, Zunge, Zähne und Lippen beteiligt

18 5. Aufzeichnung und Wiedergabe des Schalls Wie funktionieren Mikrophon, Lautsprecher und Tonträger? Ziel: Die Schüler sollen den Zusammenhang zwischen theoretischer Physik und praktisch-technischer Anwendung begreifen. Das Mikrophon Ein Mikrophon wandelt Schallschwingungen in Schwankungen eines elektrischen Stromes um. Es besitzt eine schwingungsfähige Membran, die im Rhythmus der auftreffenden Schallwellen zum Mitschwingen angeregt wird. Im elektrischen Teil des Mikrophons werden die Schwingungen der Membran in Schwankungen eines elektrischen Stromes umgewandelt. Diese Stromschwankungen können entweder direkt über einen Lautsprecher hörbar gemacht oder auf einem Tonträger aufgezeichnet werden. Der Lautsprecher Beim Radio- und Fernsehempfänger, Plattenspieler und Tonbandgerät ist der Lautsprecher die Schallquelle. Dabei werden die Schwankungen des elektrischen Stromes wieder hörbar gemacht, indem die elektrischen Schwingungen über eine Magnetspule eine Membran zum Schwingen bringen. Diese wiederum bringt die Luftteilchen zum Mitschwingen. Es entstehen wieder Schallwellen. Tonträger Als Tonträger für die Aufzeichnung des Schalls dienen Schallplatten, Magnettonbänder, CD s und die Tonspur von Filmen. Die CompactDisc (CD) ist eine Verbesserung der Schallplatte. Dabei werden die Schallschwingungen durch kleine Vertiefungen hergestellt. Bei der Wiedergabe werden diese Vertiefungen durch einen Lichtstrahl abgetastet

19 III. Lärm und Lärmschutz 1. Schalldruck und Schallmessung Gibt es eine Lautstärke-Skala? Ziel: Die Schüler sollen die Begriffe Schalldruck und Schallpegel verstehen und unterscheiden können. Wie wir wissen, beruht der Schall auf Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die zu Druckschwankungen führen. Die Größe der Druckschwankungen bezeichnet man als Schalldruck. Jenen Schalldruck, bei dem man einen Schall gerade noch wahrnehmen kann, bezeichnet man als Hörschwelle. Mit dem Schalldruck haben wir eine physikalisch messbare Größe gefunden. Unsere subjektiv empfundene Stärke des Schalls hängt jedoch außer vom Schalldruck auch noch von der Frequenz des Tones ab. Daher wird die Stärke des Schalls durch den bewerteten Schallpegel angegeben. Er berücksichtigt die subjektive Wirkung des Schalls auf das menschliche Ohr. Bei der Messung des Schallpegels werden beispielsweise die tiefen Töne gedämpft, da auch wir tiefe Töne bei gleichem Schalldruck leiser hören als hohe. Der bewertete Schalldruckpegel wird in Dezibel (db) angegeben. Nullpunkt ist die unter Hörschwelle. Je 20 db bedeuten eine Verzehnfachung des Schalldruckes. Eine Zunahme um 10 db empfindet das Ohr als eine Verdoppelung der Stärke des Schallpegels

20 2. Lärm und Lärmschutz Können Geräusche gefährlich sein? Ziel: Die Schüler sollen die Gefahren des Lärms erkennen können. Geräusche, die besonders laut und störend auf den Menschen einwirken, bezeichnet man als Lärm. Maschinen und technische Apparate sowie der ständig steigende Verkehr haben zu einem starken Anwachsen des Lärms geführt. Die Belästigung durch Geräusche hängt von den physikalischen Faktoren des Schalls (Schallpegel, Frequenz, Häufigkeit von Lärmspitzen,...) und vom physischen Zustand des Menschen ab. Bei Menschen, die ständigem Lärm ausgesetzt sind, kommt es zu Nervosität, mangelnder Konzentrationsfähigkeit, Schädigung des Gehörs,.... Aber auch ständige Berieselung stumpft die Nerven ab. Daher ist es notwendig, vorbeugende Maßnahmen zu setzen: Bekämpfung der Lärmentstehung weniger geräuschvolle Produktionsverfahren, Einsatz schallgedämpfter Maschinen, geräuscharme Fahrbahnbeläge, Geschwindigkeitsbegrenzungen Verminderung der Lärmausbreitung Abschirmung der Lärmerzeuger, Einbau von schallschluckenden Materialien, Lärmschutzwände und -pflanzung, schalldämmende Wandbeläge und Fenster Persönlicher Schallschutz Verwendung von Schallschutzklappen und - helmen Eine Faustregel ist: Lärm ist dann schädlich, wenn ein normales Gespräch aus 1 m Entfernung nicht mehr verstanden werden kann

21 IV. Aufgaben Aufgabe 1 Vor Erfindung der elektronischen Zeitnehmung hat man bei Leichtathletikwettkämpfen zum Start von Laufbewerben Startpistolen verwendet, aus denen im Augenblick des Schusses Rauch aufstieg. Warum drückte jeder Zeitnehmer auf die Stoppuhr, wenn er Rauch aufsteigen sah? Wie groß ist ungefähr der Messfehler, wenn ein Kampfrichter erst dann auf seine Stoppuhr drückt, wenn er den Schuss hört? Aufgabe 2 Zwischen Blitz und Donner vergehen 5 Sekunden. Wie weit war der Blitz ungefähr von deinem Standort entfernt? Aufgabe 3 Schiffe können mit einem Echolot die Wassertiefe feststellen. Berechne die Wassertiefe, wenn der Schall 1 Sekunde nach seiner Aussendung wieder zum Schiff zurückkehrt!