VORANSICHT I/A. Schall und Resonanz in Physik und Musik. Spiele ein Lied auf einer selbst gebauten Flaschenorgel! Der Beitrag im Überblick

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1 1 von 34 Schall und Resonanz in Physik und Musik Axel Donges, Isny im Allgäu Resonanzen spielen in allen Bereichen von Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle. Behandeln Sie daher Resonanzphänomene in Ihrem Mittelstufenunterricht. In diesem Beitrag erarbeiten sich die Schüler experimentell die Formeln für die Resonanzfrequenzen eines gasgefüllten Rohres. Sie erkennen, dass dabei die Randbedingungen (offenes Ende, geschlossenes Ende) eine entscheidende Rolle spielen. Zum Abschluss wird das Erlernte auf Blas- und Saiteninstrumente übertragen. Wir betrachten dazu konkrete Beispiele aus der Musik. Klasse: 8/9 Dauer: 5 Stunden Ihr Plus: ü packende Schülerexperimente ü fachübergreifende Einheit Spiele ein Lied auf einer selbst gebauten Flaschenorgel! Der Beitrag im Überblick Inhalt: akustische Resonanzen einer Gassäule stehende Wellen Labialpfeifen und Saiteninstrumente Frequenzspektrum (Klangfarbe)

2 2 von 34 Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Resonanzphänomene spielen in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik eine Rolle. Sie können bei allen schwingungsfähigen Systemen auftreten. Teilweise will man Resonanzen vermeiden (Stichwort: Resonanzkatastrophe, z. B. bei den Resonanzschwingungen einer Brücke), auf der anderen Seite werden Resonanzphänomene auch gezielt genutzt (z. B. Resonanz einer Gitarrensaite, Abstimmung eines Radios auf eine bestimmte Empfangsfrequenz). In dem vorliegenden Beitrag untersuchen wir experimentell Resonanzen in meist luftgefüllten Rohren und auf einem gespannten Seil. Die Schüler erarbeiten sich selbstständig und in Zweiergruppen aufgeteilt die Bedingungen, unter denen Resonanz auftritt. Durch einen Vergleich mit einer stehenden Seilwelle erkennen sie, dass auch in den von ihnen untersuchten gasgefüllten Rohren stehende Schallwellen auftreten. Weiterhin lernen sie, dass Resonanzphänomene bei Musikinstrumenten eine wichtige Rolle spielen. Konkret wird die Tonerzeugung bei Labialpfeifen und bei Saiteninstrumenten diskutiert. Die Schüler bauen eine eigene Flaschenorgel. Zum Abschluss untersuchen sie die Spektren verschiedener Musikinstrumente. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Da Resonanzen bei allen Musikinstrumenten eine wichtige Rolle spielen, bietet sich eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Musiklehrerin oder dem Musiklehrer an. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Inhaltsbezogene Kompetenzen E 10, F 1, E 7, E 9 F 5 E 7, F 1, F 4, K 3 Die Schüler verstehen, unter welchen Bedingungen es zum Phänomen Resonanz kommt, wissen, was man unter einer stehenden Welle versteht, erkennen am Beispiel der Orgelpfeife, Querlöte und Gitarre die Bedeutung der Resonanz für Musikinstrumente. Allg. physikalische Kompetenz Anforderungsbereich I, II I, II I, II Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 31. Danksagung Ich danke Herrn Rudi Krause und seinen Schülern (2. Schuljahr für Physikalisch-technische Assistenten an der Naturwissenschaftlich-technischen Akademie in Isny) für die Bereitstellung der Messergebnisse zu den Schülerexperimenten.

3 4 von 34 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Info Was ist Schall? Frische dein Wissen auf! M 2 Ab, SV Zwei Experimente zum Thema Schall V: 10 min D: 10 min r Vakuumpumpe r Vakuumglocke mit Schutzkäig r elektrische Klingel (samt Schalter und Stromversorgung) r Stimmgabel r Oszilloskop r Mikrofon M 3 Ab, SV Resonanzfrequenzen in einem beidseitig offenen Rohr V: 10 min D: 45 min r mehrere schlanke Rohre (beidseitig offen) r Funktionsgenerator r Lautsprecher r Richtmikrofon mit Gleichrichter r Spannungsmessgerät M 4 Ab, SV Resonanzfrequenzen in einem halbseitig offenen Rohr V: 10 min D: 40 min r schlankes Rohr (eine Seite offen, eine geschlossen, evtl. Stopfen) r Funktionsgenerator r Lautsprecher M 5 Ab, SV Messung der Schallgeschwindigkeit c V: 10 min D: 20 min r Glimmspan r Feuerzeug r nicht entzündliches Gas r schlankes Rohr r Richtmikrofon mit Gleichrichter r Spannungsmessgerät r Funktionsgenerator r Lautsprecher r Richtmikrofon mit Gleichrichter r Spannungsmessgerät M 6 Ab, SV Resonanzfrequenzen Zusammenfassung M 7 Ab Resonanzen und Schwingungsformen bei stehenden Seilwellen V: 10 min D: 20 min r Gummischnur r 2 Klemmmuffen / Halterung / Stativstange r Elektromotor mit Exzenter und Funktionsgenerator M 8 Ab, SV Stehende Wellen Analogie zwischen Seil- und Rohrresonanz M 9 Ab, SV Stehende Schallwellen bei Labialpfeifen V: 10 min D: 10 min r mehrere Flaschen r Zollstock M 10 Ab, SV Stehende Seilwellen bei Saiteninstrumenten V: 10 min D: 10 min M 11 Fo M 12 Ab, SV V: 5 min D: 15 min r Gitarre r Frequenzmesser mit integriertem Mikrofon Resonanzen bei Musikinstrumenten Die Bedeutung der Obertöne in der Musik r verschiedene Musikinstrumente r Programm zur Messung eines Klangspektrums r Wasser r Frequenzmesser r Stimmgabel mit abnehmbarem Resonanzkörper r Anschläger r PC mit Mikrofon und Soundkarte Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 25.

4 5 von 34 M 1 Was ist Schall? Frische dein Wissen auf! Mithilfe der folgenden Materialien sind Experimente zum Thema Schall durchzuführen. Dazu musst du wissen, was man in der Physik unter Schall versteht. Zum Einstieg wiederholst du hier die wichtigsten Grundlagen. Grundlegendes zur Ausbreitung von Schall Die Ausbreitung des Schalls beginnt stets an einem Schallsender. Ein Schallsender ist ein schwingungsfähiges mechanisches System (z. B. ein Lautsprecher, eine Stimmgabel, eine Glocke, eine Gitarrensaite oder die menschlichen Stimmbänder), das (im einfachsten Fall) mit der Frequenz f schwingt. Die eigentliche Ausbreitung des Schalls indet in einem Schallträger statt. Als Schallträger eignen sich alle Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper. Die mechanischen Schwingungen des Schallsenders übertragen sich auf den Schallträger und breiten sich in diesem in Form von Druckwellen aus (siehe Abb. 1.1). Diese periodischen Druckschwankungen werden als Schallwellen bezeichnet. Die Frequenz f der Druckschwankungen (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) stimmt mit der Frequenz f des Schallsenders überein. Verdichtung p Abb. 1.1: Eine schwingende Stimmgabel erzeugt Druckschwankungen in der umgebenden Luft. Diese Druckschwankungen (Gebiete mit höherem bzw. niedrigerem Druck) breiten sich mit Schallgeschwindigkeit im Raum aus. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen ausbreiten, heißt Schallgeschwindigkeit. Sie hängt von dem verwendeten Schallträger ab. In Luft bei 20 C beträgt die Schallgeschwindigkeit 343,5 m/s. Um den Schall zu registrieren, braucht man einen Schallempfänger. Ein Schallempfänger wandelt die Schwingungen des Schallträgers in eine für den Menschen wahrnehmbare Form um. Der bekannteste Schallempfänger ist das Ohr (Abb. 1.2). Alternativ können die Druckschwankungen auch mit einem Mikrofon in elektrische Schwingungen umgewandelt werden, um sie z. B. auf dem Schirm eines Oszilloskops sichtbar zu machen. Verdünnung Abb. 1.2: Das menschliche Ohr; 1: Ohrmuschel; 2: Gehöhrgang; 3: Trommelfell; 4: Paukenhöhle; 5: Ohrtrompete; 6: Hammer; 7: Amboss; 8: Steigbügel; 9: 3 Bogengänge; 10: ovales Fenster; 11: rundes Fenster; 12: Schnecke; 13: Hörnerv zum Gehirn x

5 6 von 34 M 2 Zwei Experimente zum Thema Schall Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 10 min Materialien r Vakuumpumpe r Vakuumglocke mit Schutzkäig r elektrische Klingel (samt Schalter und Stromversorgung) Versuchsaufbau Eine Vakuumpumpe wird an eine Vakuumglocke angeschlossen. In der zunächst noch nicht evakuierten Glocke beindet sich eine elektrische Klingel (oder ein anderer Schallsender). Versuchsdurchführung Schalte die elektrische Klingel ein. Du wirst deutlich ein Schallsignal wahrnehmen. Schalte die Klingel wieder aus. Anschließend entfernst du die Luft mithilfe der Vakuumpumpe. Wiederhole das Experiment. Aufgabe Beschreibe und erkläre deine Beobachtung. Bitte deinen Lehrer, dir beim Aufbau des Versuches zu helfen. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 10 min Materialien, Geräte r Stimmgabel r Oszilloskop r Mikrofon Versuchsaufbau und -durchführung Schließe ein Mikrofon an ein Oszilloskop an. Positioniere in der Nähe des Mikrofons eine Stimmgabel (eventuell mit Resonanzkörper, siehe Abb. 2.2). Schlage die Stimmgabel an. Aufgabe a) Was beobachtest du, wenn die Stimmgabel angeschlagen wird? b) Berechne die Frequenz f der Schallwelle. Abb. 2.1: Lautsprecher unter einer Vakuumglocke Abb. 2.2: Mit einem Mikrofon und einem Oszilloskop können Schallschwingungen sichtbar gemacht werden. Universität Ulm Vorlesungssammlung Physik vorsam.uni-ulm.de Bitte deinen Lehrer, dir beim Aufbau des Versuches zu helfen. Die Periodendauer T ist der zeitliche Abstand zwischen zwei benachbarten Druckmaxima (oder -minima). Die Frequenz f ist der Kehrwert der Periodendauer (f = 1/T) und wird in der Einheit Hertz (Hz) angegeben.

6 8 von 34 M 4 Resonanzfrequenzen in einem halbseitig offenen Rohr In Material M 3 hast du gelernt, dass die Resonanzfrequenzen eines beidseitig offenen, schlanken Rohres stets durch ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz gegeben sind. f = n n 1 f (n = 1, 2, 3,..) (4.1) Die Grundfrequenz f 1 (= kleinste Eigenfrequenz) lässt sich mit der Formel c f1 = (4.2) 2L berechnen. Hierbei ist c die Schallgeschwindigkeit in der Luft und L die Länge des Rohres. Hier untersuchst du die Resonanzfrequenzen eines halbseitig geschlossenen Rohres. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 30 min Materialien r schlanke Rohre (eine Seite offen, eine geschlossen, evtl. Stopfen) r Funktionsgenerator Versuchsaufbau und -durchführung r Lautsprecher r Richtmikrofon mit Gleichrichter r Spannungsmessgerät Wiederhole das auf Material M 3 beschriebene Experiment mit Rohren, die im Unterschied zu Material M 3 auf einer Seite verschlossen sind 2. Da das Rohr nur ein offenes Ende hat, muss sowohl der Lautsprecher als auch das Mikrofon am gleichen Ende des Rohres positioniert werden (siehe Abb. 4.1). Funktionsgenerator Spannungsmessgerät Lautsprecher Mikrofon mit Gleichrichter halbseitig offenes Rohr Stopfen Abb. 4.1: Schematische Darstellung der experimentellen Anordnung Aufgabe a) Bestimme für drei verschiedene Rohrlängen die fünf kleinsten Resonanzfrequenzen des Systems. b) Teile für jedes Rohr die Resonanzfrequenzen durch die zugehörige kleinste Resonanzfrequenz. c) Vergleiche die kleinste Resonanzfrequenz mit der Grundfrequenz beim beidseitig offenen Rohr gleicher Länge. d) Erkennst du bei a) c) eine Gesetzmäßigkeit? Wenn ja, welche? Teile die Grundfrequenz beim beidseitig offenen Rohr durch die Grundfrequenz beim halbseitig offenen Rohr.

7 9 von 34 Resonanzfrequenzen an schlanken Rohren Richtmikrofon mit digitalem Spannungsmessgerät am offenen Rohrende. Am anderen Rohrende (nicht zu sehen) beindet sich der Lautsprecher. Richtmikrofon mit digitalem Spannungsmessgerät und Lautsprecher am offenen Rohrende; das andere Rohrende ist geschlossen.

8 11 von 34 M 6 Resonanzfrequenzen Zusammenfassung Das hast du in den vorhergehenden Materialien gelernt: Gas, das sich in einem Rohr beindet, kann zu Resonanzschwingungen angeregt werden. Im Fall der Resonanz (von lat. resonare widerhallen ) schwingt die Gassäule verstärkt mit, was sich in einem Anwachsen der Lautstärke bemerkbar macht. Resonanzen liegen bei schlanken Gassäulen und im Fall zweier offener Enden vor, wenn die Gassäule mit einer Resonanzfrequenz c fn = n mit n = 1, 2, 3, (6.1) 2L angeregt wird. Hierbei sind c Schallgeschwindigkeit, L Länge des Rohres und n Ordnung der Resonanz. Die kleinste Resonanzfrequenz (im Fall zweier offener Enden) heißt Grundfrequenz. c f1 = (6.2) 2L Resonanzen liegen bei schlanken Rohren und im Fall eines offenen und eines geschlossenen Endes genau dann vor, wenn die Gassäule mit einer Resonanzfrequenz c fn = ( 2n 1) mit n = 1, 2, 3, (6.3) 4L angeregt wird. Diese Resonanzfrequenz entspricht einem ungeradzahligen Vielfachen der kleinsten Resonanzfrequenz c 4L. Die gleichen Resonanzerscheinungen werden auch bei anderen physikalischen Systemen z. B. bei einem gespannten, elastischen Seil beobachtet. Dies zeigen wir mit dem nachfolgenden Experiment. Abb. 6.1: Die Saiten einer Gitarre zeigen ebenfalls Resonanz. Resonanz einer Saite tritt nur bei ganz bestimmten Frequenzen den Resonanzfrequenzen auf. E A d g h e1 V. Schönbrunn, Dettenheim

9 12 von 34 M 7 Resonanzen und Schwingungsformen bei stehenden Seilwellen Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min Materialien, Geräte r Gummischnur r 2 Klemmmuffen / Halterung / Stativstange r Elektromotor mit Exzenter und Funktionsgenerator Versuchsaufbau und -durchführung Die beiden Enden eines Gummiseils befestigst du so an zwei Klemmmuffen, dass das Seil (nicht zu straff) gespannt ist. Mithilfe eines Elektromotors und eines Exzenters wird das Seil harmonisch angeregt (siehe Abb. 7.1). Die Anregungsfrequenz kann mit einem Funktionsgenerator deiniert eingestellt werden. Bei bestimmten Anregungsfrequenzen tritt Resonanz auf, d. h., das Seil beginnt stark zu schwingen (wie bei den zuvor untersuchten Gassäulen). Foto: Peter Lingemann, Münster (Westf.) Aufgabe a) Bestimme für das beidseitig eingespannte Seil (zwei feste Enden) die vier niedrigsten Resonanzfrequenzen. b) Skizziere die dazugehörigen Seilschwingungen. c) Erkennst du eine Gesetzmäßigkeit zwischen den verschiedenen Resonanzfrequenzen? Wenn ja, welche? Abb. 7.1: Experimentelle Anordnung zur Erzeugung und Untersuchung von Seilresonanzen. Die abgebildeten Bauteile werden von LEYBOLD DIDACTIC GMBH vertrieben.

10 16 von 34 Pixelio M 9 Stehende Schallwellen bei Labialpfeifen Abb. 9.1: Bei der hier gezeigten Orgel sind die Pfeifen aus Metall gefertigt. Abb. 9.2: Gedeckte (gedackte) Labialpfeife. Dietmar Jarofke, Hohen Neuendorf bei Berlin Orgelpfeifen (Abb. 9.1) werden meist aus Metall oder Holz gefertigt. Abbildung 9.2 zeigt als Beispiel eine gedackte (oder gedeckte) Labialpfeife aus Holz. Um das Funktionsprinzip einer sogenannten Labialpfeife (Lippenpfeife) zu verstehen, betrachten wir Abbildung 9.3: Luft ( Wind ) wird mit dem Mund (bzw. bei der Orgelpfeife mit einem Gebläse oder Blasebalg) am unteren Ende der Pfeife eingeleitet. Aus der sogenannten Kernspalte tritt eine Luftströmung in den sogenannten Aufschnitt aus. Durch das Wechselspiel mit der stehenden Schallwelle, die sich im oberen Teil der Orgelpfeife ausbildet (siehe Abb. 9.4), wird diese Luftströmung abwechselnd links und rechts am Oberlabium vorbeigeführt. Auf diese Weise entsteht am Aufschnitt eine periodische Luftbewegung, die die gleiche Frequenz wie die stehende Welle in der Orgelpfeife hat. Diese ruft Druckschwankungen hervor, die sich als Schallwellen im Raum (meist Kirchenschiff) ausbreiten. Bei einer gedackten Labialpfeife (oberes Ende der Pfeife ist geschlossen) liegt in Höhe des Aufschnitts ein Druckknoten vor. Am anderen Ende beindet sich ein Druckbauch. Für die (kleinste) Frequenz der stehenden Schallwelle (bzw. der abgestrahlten Schallwelle) gilt daher: c f min = (9.1). 4L Bei einer ungedackten Labialpfeife (oberes Ende der Pfeife ist offen) liegt in Höhe des Aufschnitts und am anderen Ende der Pfeife jeweils ein Druckknoten vor. Für die (kleinste) Resonanzfrequenz gilt daher: Abb. 9.3: Schematische Darstellung der Luftströmung bei einer Labialpfeife c f = (9.2). 2L min c Schallgeschwindigkeit der Luft L Länge der Labialpfeife.

11 20 von 34 M 10 Stehende Seilwellen bei Saiteninstrumenten Bei Labialpfeifen sind die Frequenzen (Tonhöhen) über stehende Schallwellen, die sich in einem luftgefüllten Rohr ausbilden, festgelegt (siehe Material M 9). Bei Saiteninstrumenten erfolgt die Deinition der Frequenz über stehende Wellen, die sich auf einem gespannten Seil Saite genannt mit zwei festen Enden ausbilden. Die Saiten werden z. B. durch Zupfen mit den Fingern, durch Anschlagen mit einem Klöppel oder durch Streichen mit einem Bogen angeregt. Beispiel für solche Instrumente sind Gitarre, Geige, Hackbrett, Harfe oder Klavier. Wie bereits in Material M 8 gezeigt, werden die Resonanzfrequenzen einer Saite (mit zwei festen Enden) durch die Formel c fn = n mit n = 1, 2, 3, (10.1) 2L beschrieben. Die Grundfrequenz c hängt zum einen von der Länge L der Saite und zum 2L anderen von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle ab. Diese Geschwindigkeit c, mit der sich eine Welle auf einer Saite ausbreitet, hängt von verschiedenen Größen ab der Spannkraft F und der auf die Längeneinheit bezogenen Masse m/l der Saite. Es gilt: bzw. mit (10.1) c = F m/l (10.2) F m/l fn = n mit n = 1, 2, 3, (10.3). 2L Um mit einem Saiteninstrument verschiedene Tonhöhen erzeugen zu können, gibt es prinzipiell zwei unterschiedliche Ansätze: a) Für jeden Ton gibt es eine eigene Saite (eventuell auch mehrere), deren Länge, Masse und Spannkraft exakt auf die gewünschte Tonhöhe abgestimmt sind. Dies ist beispielsweise bei einem Klavier der Fall (siehe Abb. 10.1). b) Durch Abteilen einer Saite wird (bei konstanter Spannkraft und unveränderter Masse pro Längeneinheit) die wirksame Länge der Saite verkürzt. So kann man einen höheren Ton erzeugen (siehe Abb. 10.2). Die Wechselwirkung einer (dünnen) schwingenden Saite mit der umgebenden Luft ist nur sehr gering. Eine schwingende Saite erzeugt, für sich alleine betrachtet, nur eine schwache, kaum hörbare Schallwelle. Alle Saiteninstrumente besitzen daher einen Resonanzkörper (Korpus), auf den sich die Saitenschwingungen übertragen. Da die Resonanzfrequenzen des Korpus (im Idealfall) sowohl an die Resonanzfrequenzen der Saiten als auch an die Resonanzfrequenzen des im Korpus eingeschlossenen Luftvolumens angepasst sind, gerät sowohl der Korpus als auch die darin enthaltene Luft in Resonanz. Durch das sogenannte Schallloch (siehe Abb. 10.3) tritt schließlich eine intensive Schallwelle aus dem Korpus aus, die sich im Raum ausbreitet.

12 21 von 34 M 11 Resonanzen bei Musikinstrumenten Abb. 11.1: Bei einem Klavier wird ein Ton dadurch erzeugt, dass die mit Filz überzogenen Hämmerchen die verschiedenen Saiten zu Schwingungen anregen. Abb. 11.2: Durch Abteilen einer Saite (verkürzen der schwingenden Saite) lassen sich mit der gleichen Saite mehrere unterschiedliche Grundfrequenzen erzeugen. Abb. 11.3: Schallloch bei einer Gitarre und einer Violine Freiburger Akkordeon Werkstatt Martin Maurer Abb. 11.4: Das Hackbrett ist ein Saiteninstrument, das zu den Kastenzithern gezählt wird. Seine Saiten werden mit kleinen Schlägeln oder Klöppeln aus Holz angeschlagen, die auch mit Leder oder Filz überzogen sein können. Aufgrund der Art der Tonerzeugung gehört es auch zur Gruppe der Schlaginstrumente. Zur Erzielung besonderer Effekte kann man die Saiten auch mit den Fingern zupfen (Pizzicato).

13 22 von 34 Die Resonanzfrequenzen einer Saite hängen unter anderem von der Spannkraft F der Saite ab (siehe Gleichung (10.2)). Dies nutzt man beim Stimmen eines Saiteninstruments aus. Das folgende Experiment zeigt, wie. Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 5 min Materialien r Gitarre r Frequenzmesser mit integriertem Mikrofon Versuchsaufbau und -durchführung Rege bei einer Gitarre eine Saite an. Die erzeugte Schallschwingung erfasst du mit dem Mikrofon eines Frequenzmessers 9. So bestimmst du die Resonanzfrequenz. Wiederhole das Experiment mit verschiedenen Saitenspannungen. Aufgabe 1 Miss die Grundfrequenz einer schwingenden Gitarrensaite bei fünf verschiedenen Saitenspannungen. Überzeuge dich, dass mit zu- bzw. abnehmender Saitenspannung die Grundfrequenz der Saite zu- bzw. abnimmt. Die Saitenspannung lässt sich durch Drehen des zugehörigen Wirbels (so heißen die Drehknöpfe bei der Gitarre) verändern. Gib die Saitenspannung in relativen Einheiten an (z. B. als Vielfache des Drehwinkels a = 360 des Wirbels) an. Fülle die folgende Tabelle aus. Umdrehungen des Wirbels 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Grundfrequenz [in Hz] Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 5 min Materialien r Stimmgabel mit abnehmbarem Resonanzkörper r Anschläger Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Schlage zunächst eine Stimmgabel (ohne Resonanzkörper) an. Dann setzt du die Stimmgabel auf den Resonanzkörper auf. Wiederhole das Experiment. Aufgabe 2 Wie unterscheiden sich die beiden Experimente? Erkläre den beobachteten Unterschied. Abb. 10.1: Stimmgabel mit Resonanzkörper

14 25 von 34 Erläuterungen und Lösungen M 1 Was ist Schall? Frische dein Wissen auf! Dieses Informationsblatt verwenden die Schüler, um ihr Wissen aufzufrischen. M 2 Zwei Experimente zum Thema Schall Versuch 1 Beobachtung: Die Klingel ist nicht mehr zu hören, nachdem die Luft aus der Glocke gepumpt wurde. Erklärung: Die Luft, die die Klingel umgibt, ist der Schallträger. Wird die Luft entfernt, fehlt der Schallträger und es kann sich kein Schall mehr ausbreiten. Deshalb ist die Klingel nicht mehr zu hören, nachdem in der Glocke ein Vakuum hergestellt wurde. Anmerkung: Eventuell übertragen sich die Schwingungen der Klingel über deren Aulage auf die Bodenplatte der Vakuumglocke bzw. auf die Glocke selbst. Diese Schwingungen können dann (schwache) Schallwellen in der Luft, die die Vakuumglocke umgibt, hervorrufen. Aus diesem Grunde ist es hilfreich, die Klingel auf einen trockenen Schwamm zu legen. Versuch 2 a) Auf dem Schirm des Oszilloskops wird der zeitliche Verlauf der Spannung U(t) des Mikrofons optisch dargestellt (U-t-Diagramm). Es zeigt sich, dass das Mikrofon eine Wechselspannung abgibt. Die Periodendauer T der Wechselspannung beträgt 2,3 ms. b) Die Frequenz berechnet sich damit zu 1 f = = 435 Hz. Die verwendete Stimm- 0,0023 s gabel sollte laut Hersteller mit einer Frequenz von 440 Hz schwingen. Dies bedeutet anschaulich, dass in jeder Sekunde 435 Schwingungen der Wechselspannung (bzw. der Schallwelle) stattinden. Dieser Wert stimmt mit dem Messwert innerhalb der Fehlertoleranz überein. M 3 Resonanzfrequenzen in einem beidseitig offenen Rohr 1. Gemessene Resonanzfrequenzen 12 (bei 21 C) Resonanzfrequenzen Rohrlänge L [in m] f 1 [in Hz] f 2 [in Hz] f 3 [in Hz] f 4 [in Hz] f 5 [in Hz] 0, , , ,