Das Skript Schall und Ohr besteht aus 5 Posten und einer Abschlussprüfung

Transkript

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2 Das Skript Schall und Ohr besteht aus 5 Posten und einer Abschlussprüfung Posten 1: Aufbau des Ohres Posten 2: Akustik Posten 3: Richtungshören Posten 4: Gleichgewichtsorgan (Bewegungs- und Lagesinnesorgan) Posten 5: Poster mit Kurzvortrag Abschlussprüfung Bewertung des Themas Posten 1 bis 4: ¼ Note. Meine Note: Posten 5: ¼ Note. Meine Note: Abschlussprüfüng: ½ Note Meine Note: Diese drei Noten zusammen ergeben dann deine Gesamtnote. Gesamtnote: Experimente Einzelne Experimente werden wir im Klassenuterricht lösen. Andere wirst du alleine oder in Zweiergruppen lösen. Medien Du wirst oft den Computer brauchen, da du einige Filme anschauen musst und auch online Fragen beantworten musst. Arbeitsblätter Alle Arbeitsblätter, die du am Computer löst, musst du ausdrucken und zu deinem Dossier beilegen. 2

3 Posten 1 Aufbau des Ohres Lernziele Du kennst den Aufbau und die Funktion des Gehörs. Du weisst um die Bedeutung des äusseren Ohres für die Sammlung des Schalls. Du kennst die schallleitende und schallverstärkende Funktion des Mittelohres. Du kennst den Aufbau des Innenohres und die Funktion der Hörsinneszellen. a) Lies den Text "Aufbau des Ohres" aufmerksam durch und streiche das Wichtigste an. Aufbau des Ohres Unser Ohr ist sehr fein und leicht verletzlich. Daher ist es beim Schläfenbein platziert, welches das Organ gut schützt. Es besteht eigentlich aus zwei Organen, welche sich am selben Ort im Körper befinden. Das Gehör hat die Aufgabe der Schallaufnahme und das Gleichgewichtsorgan ist für die Registrierung der Körperlage und -bewegung im Raum zuständig. Beide Informationen, welche vom Ohr aufgenommen werden, leiten die Hirnnerven an das Hirn weiter, wo sie verarbeitet werden. 3

4 Das Ohr ist in drei Bereiche aufgeteilt: Aussen-, Mittel- und Innenohr. Aussenohr Zum äusseren Ohr zählt man die knorpelige Ohrmuscheln und den äusseren Gehörgang. Die Ohrmuschel hat die Funktion eines Trichters und leitet die Schallwellen an den äusseren Gehörgang weiter. Der äussere Gehörgang ist wiederum eine Verbindung zum Mittelohr, welches mit dem Trommelfell begrenzt ist. Beim Trommelfell regen alle Töne, die vom Gehörgang darauf geleitet werden, dieses zum Schwingen an. Der äussere Gehörgang (ca. 3.5 cm) besitzt Drüsen, die ein Ohrenschmalz produzieren, welcher mit den vorhandenen einzelnen Haaren vor eindringenden Fremdkörpern schützt. Zudem transportieren wir Ohrenschmalz durch unsere Kaubewegungen ständig nach aussen. Somit ist ein perfekter Selbstreinigungsmechanismus gewährleistet und eine Reinigung mit Ohrenstäbchen erübrigt sich. Mittelohr Wie schon genannt, folgt auf den Gehörgang das Mittelohr. Dieses liegt in einer luftgefüllten Knochenhöhle, der Paukenhöhle. Sie ist einerseits durch die Ohrtrompete mit dem Rachenraum, anderseits durch zwei membranverschlossene Knochenfenster (ovales und rundes Fenster) mit dem Innenohr verbunden. Die Ohrtrompete ermöglicht einen Luftdruckausgleich beidseits des Trommelfells. Das ovale Fenster passt genau mit dem Steigbügel zusammen. Dieser nennt man zusammen mit dem Hammer und Amboss auch Gehörknöchelchen. Diese verstärken die auf das Trommelfell treffenden Schallwellen. Das runde Fensterchen ist der Ausgang des Schneckengangs, welche sich aber im Innenohr befindet. 4

5 Innenohr VORHOF Das Innenohr liegt im komplizierten Hohlraumsystem, dem knöchernen Labyrinth. Es ist in drei Abschnitte unterteilt: Vorhof, Bogengänge und Schnecke. Im Vorhof und in den Bogengängen liegen die Gleichgewichtsrezeptoren. Die Lageänderung wird dort wahrgenommen und über das Nervensystem an das Gehirn weitergeleitet. Die Schnecke ist für das Hören zuständig. Auch sie ist mit Sinnesrezeptoren ausgestattet. Sie ist mit einer Zwischenwand unterteilt. Über das ovale Fenster gelangen nun die Schallwellen in den oberen Schneckengang, von da aus bis zur Schneckenspitze und zurück über den unteren Schneckengang zum runden Fenster. Während dieses Weges, welcher der Schall hinter sich bringt, werden die etwa sehr feine und empfindliche Haarsinneszellen aktiviert und sie leiten die Aktion an die Nerven weiter. b) Auf learningroom musst du nun den Test lösen. 5

6 Posten 2 Akustik Lernziele Ich weiss, wie Schall entsteht und wie er sich ausbreitet. Ich kenne Eigenschaften des Schalls wie Schallgeschwindigkeit, Frequenz, Amplitude und Schalldruck Ich kenne die Begriffe Dezibel, Hertz Ich kenne den Unterschied zwischen Ton, Klang und Geräusch. a) Wir führen 7 Experimente durch. Die Reihenfolge spielt dabei keine Rolle. Experiment 1: Beweis für die Existenz von Schallwellen: Material: Ballon, Gummi, Trichter, Kerze, Feuerzeug Versuchsanordnung: siehe Foto rechts Was passiert, wenn ich mit dem Finger auf die Gummimembran klopfe? 6

7 Expermiment 2: Verschiedene Frequenzen Material: Versuchsanordnung: 3 gleiche Gläser, Wasser, unterschiedliche Gummis, Holzrahmen, Xylofon siehe Bild unten Ergänze richtig! Je dünner der Gummi (die Saite) ist, um so ist der Ton. Je länger das Plättchen ist, um so ist der Ton. Je mehr Wasser im Glas ist, um so ist der Ton. Schlussfolgerung Je länger, dicker und massiger ein System ist, um so träger ist es und um so schwingt es. Die erzeugten Töne sind. Je kürzer, dünner und weniger massig ein System ist, um so kann es schwingen und umso sind die erzeugten Töne. 7

8 Expermiment 3: Glockenklingen Material: Versuchsanordnung: 2 Löffel, Faden siehe Foto unten Frage 1 Überlege, über welche Schallleiter der Schall der klingenden Löffel dein Ohr erreicht, wenn du den Bindfaden locker mit der Hand schüttelst. Frage 2 Welche Schallleiter übertragen das Löffelklingen, wenn du den Bindfaden um die Finger wickelst und diese in die Ohren steckst? 8

9 Expermiment 4: Schall im Vakuum Material: Versuchsanordnung: Vakuumglocke, Smartphone siehe Foto unten Wie sieht es aus im luftleeren Raum (Vakuum) aus? Expermiment 5: Schallwellen sichtbar machen - Chladnische Klangfiguren / Eidophon Material: Versuchsanordnung: Gummihandschuh, Aludose, Papierstreifen, mehrere Gummis, Quarzsand, Haushaltskartonrohr siehe Foto unten 9

10 Expermiment 6: Akustiklabor Material: Computer: Versuchsanordnung: Lies alle und experimentiere selbständig. Frage Was ist ein Oszillogramm? Expermiment 7: Dezibel messen Material: Versuchsanordnung: Smartphone, Touchscreen Gib Töne von dir und lies die Lautstärke ab. Wir führen das Experiment in der Klasse durch! Expermiment 8: Schallwellen Material: Versuchsanordnung: Computer: Schau dir die Animationen auf dieser Internetseite an und versuche sie zu verstehen.. b) Lies nun den Text Akustik auf der nächsten Seite aufmerksam durch und streiche das Wichtigste an. 10

11 Akustik Lärm Wie wir zu Beginn des Kapitels über das Ohr gelernt haben, nimmt unser Ohr Schwingungen von Gegenständen auf. Diese durch die Luft weitergeleiteten Schallwellen werden von unserem Ohr aufgenommen, in akustische Reize umgewandelt und ins Gehirn weitergeleitet, wo sie als verschiedene Töne (laut, leise, hoch, tief) wahrgenommen werden. Je weniger Schwingungen unser Ohr pro Sekunde erreichen, desto ist der Ton! Je mehr Schwingungen unser Ohr pro Sekunde erreichen, desto ist der Ton! Das menschliche Ohr ist in der Lage, Schwingungen zwischen 20-20'000 Hertz (ein Hertz = eine Schwingung pro Sekunde) wahrzunehmen. Was ist Lärm? Lärm ist ein von verschiedenen, die vom menschlichen Ohr unterschiedlich stark wahrgenommen werden! Wie wird die Lautstärke (Schalldruck) gemessen? Die Masseinheit für die Lautstärke ist Dezibel [db] Die untere Grenze der Hörbarkeit beträgt 0 db, die Schmerzschwelle liegt bei 130 db. Den Schalldruck oder Schallpegel empfinden wir als Lautstärke, sie wird physikalisch in der Einheit Dezibel [db] angegeben. Einen Anstieg der Lautstärke um 10 db empfinden wir als Verdoppelung der Lautstärke, ein Anstieg um 20 db empfinden wir als Vervierfachung. 11

12 Der Schall Was wir an Tönen und Geräuschen hören, wird physikalisch Schall genannt. Das sind Schwingungen von Molekülen, die sich wellenförmig in einem Schallleiter ausbreiten. Schallwellen können sich in Luft, Wasser oder festen Gegenständen fortpflanzen, nicht aber im luftleeren Raum. In der Luft benötigt der Schall etwa 1 Sekunde für eine Strecke von 340 m. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt also 340 m/s. Nur die Welle wandert, nicht die Moleküle Nicht die Moleküle selber bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit fort, sondern nur ihre Schwingung. Man kann das vergleichen mit einer "Welle" in einem Fussballstadion! In der Luft verursachen Schallwellen Luftdruckschwankungen. Treffen solche Druckwellen auf eine Membran, wird diese entsprechend in Schwingungen versetzt und vibriert mit. 12

13 Frequenz = Tonhöhe Schallwellen lassen sich nach Frequenz und Druck unterscheiden. Die Frequenz empfinden wir als Tonhöhe. Der Hörbereich des gesunden Menschen umfasst Frequenzen von 20 bis etwa 20'000 Hertz (Hz, Schwingungen/Sekunde). Tiefe Töne unterhalb dieses Bereiches bezeichnen wir als Infraschall, hohe über 20'000 Hz als Ultraschall. Der Hörbereich des Menschen nimmt im Alter deutlich ab. Je mehr Schwingungen pro Sekunde, desto höher ist der Ton. Amplitude = Lautstärke Die maximale Auslenkung der Teilchen von deren mittleren Lage, also die Höhe eines Wellenbergs oder die Tiefe eines Wellentals, wird Amplitude genannt. Die Grösse der Amplitude bestimmt den Energiegehalt und damit verbunden die wahrgenommene Lautstärke eines Signals. Berechnung der Schwingungsdauer: T = 1/f 13

14 Schallausbreitung Schallgeschwindigkeit Jeder weiss, dass der zeitliche Abstand zwischen Blitz und Donner dadurch zustande kommt, dass die Schallgeschwindigkeit viel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit. Lichtwellen breiten sich mit rund Kilometern pro Sekunde so schnell aus, dass wir Blitze quasi in dem Moment wahrnehmen, in dem sie vom Himmel zucken. Die durch die schlagartige Erhitzung der Luft ausgelöste Schallwelle breitet sich hingegen mit zirka 340 Metern pro Sekunde aus der Schallgeschwindigkeit in Luft. Diese hängt zwar wiederum von der Temperatur und vom Feuchtigkeitsgehalt ab, doch um die Faustregel zum Ermitteln der Entfernung eines Gewitters anwenden zu können, muss man diese Nuancen nicht berücksichtigen. Schalldarstellung 14

15 Hörfeld Richtig oder falsch? Korrigiere die falschen Aussagen. Aussage / Korrektur Damit sich der Schall ausbreiten kann, sind Teilchen notwendig. Schall breitet sich überall gleich schnell aus. Trifft der Schall auf eine Wand, so ändert er seine Richtung. Der Schall breitet sich immer geradlinig aus. Schall ist schneller als Licht. c) Gib folgende Links ein und schaue dir die Filme Warum kann Schall Glas zerstören und Superohren-Klänge, Ohren, Sinneszellen an:

16 Posten 3 Richtungshören Lernziele Ich weiss, warum ich mich mit Hilfe meiner Ohren räumlich orientieren kann. Ich kann Zeit- und Wegdifferenzen berechnen. a) Wir führen 2 Experimente zusammen durch: Experiment 1: Verbundene Augen: Material: Schal, Augenbinde Versuchsanordnung: - Einer von euch bekommt die Augen verbunden. - Ein anderer lässt an irgendeiner Stelle im Schulzimmer ein Geräusch ertönen (z.b. klatschen) - Die Schülerin oder der Schüler mit den verbundenen Augen zeigt in die Richtung des Geräusches. - Der Versuch wir 10-mal durchgeführt und dabei in der Tabelle protokolliert, wie oft der Ort des Geräusches richtig ermittelt wurde. - Die Versuchsreihe wird wiederholt. Dabei hält sich die Schülerin oder der Schüler mit den verbundenen Augen ein Ohr zu Richtungshören mit beiden Ohren Richtungshören mit nur einem Ohr Vergleiche nun die Ergebnisse der beiden Versuchsreihen! Was fällt dir auf?

17 Experiment 2: Schlauch: Material: Versuchsanordnung: Schlauch 1m, Holzstäbchen Bei einem 1 m langen Plastikschlauch, der einen Durchmesser von etwa 1 2 cm hat, wird genau die Mitte mittels eines Striches markiert. Ein Schüler sitzt mit dem Rücken vor dem Tisch und hält die Enden des Schlauches so an seine Ohren, dass der entstehende Plastikschlauchkreis hinter ihm auf dem Tisch liegt. Ein zweiter Schüler klopft mit einem Bleistift o.ä. links oder rechts auf den Schlauch, wobei er immer näher an die Mitte-Markierung heranrückt. Der erste Schüler soll erkennen, ob rechts oder links geklopft wurde. Welcher Minimalabstand wurde erreicht? Berechne mit Hilfe des gemessenen Minimalabstands von der Schlauchmittel und der Schallgeschwindigkeit den zeitlichen Unterschied mit dem beide Ohren das Geräusch wahrgenommen haben müssten. Hinweis zur Bestimmung der Wegdifferenz: (Hälfte des Schlauches plus Minimalabstand) minus (Schlauchabstand minus Minimalabstand) Ergänze folgenden Text Wird rechts von der Mittel des Schlauches geklopft, so erreichen die Schallwellen mein linkes Ohr als mein rechtes Ohr, denn je länger der Weg ist, um so Zeit braucht der Schall, diesen zurückzulegen. 17

18 b) Lies den Text Richtungshören aufmerksam durch und streiche das Wichtigste an. Richtungshören Am Kopf wird der Schall für das einer Schallquelle zugewandte Ohr gestaut, für das abgewandte Ohr hat der Kopf eine Abschirmwirkung. Diese ist umso grösser, je weiter die Schallquelle von der Symmetrieebene des Kopfes weggedreht ist. Schematische Darstellung des Schallschattens. Die Erzeugung eines Schallschattens ist abhängig vom Grössenverhältnis zwischen Kopf und der Wellenlänge. Ist die Wellenlänge grösser als der Kopfdurchmesser (linkes Bild), so entsteht kein Schallschatten und es ist auch schwieriger, die Quelle zu lokalisieren. Die Intensitätsunterschiede (Pegelunterschiede) des eintreffenden Schalls am Ort der beiden Ohren sind winkel- und frequenzabhängig: Im Bereich der tiefen Töne hat das Schallsignal am Ort der beiden Ohren die gleiche Intensität - und zwar unabhängig von der Position der Schallquelle. Weshalb? Der Grund ist, dass die Wellenlänge tiefer Töne viel grösser ist als der Kopfdurchmesser. Es trifft jeweils bei beiden Ohren die gleiche Schallwelle ein. Im Bereich der hohen Töne sind die Wellenlängen kleiner als der Kopf. Es ergibt sich ein typischer Intensitätsunterschied für die jeweilige Frequenz. Eintreffzeit-Unterschiede Wenn die Abstände Schallquelle - linkes Ohr und Schallquelle - rechtes Ohr nicht gleich gross sind (und das ist immer der Fall, wenn sich die Schallquelle nicht in der Symmetrieebene des Kopfes befindet), trifft der Schall nicht gleichzeitig am Ort der beiden Ohren ein. Der winkelabhängige Zeit unterschied wird vom Gehör als Richtungsinformation interpretiert. Abschirmwirkung und Wegdifferenz bei schräg einfallendem Schall. Der winkelabhängige Zeitunterschied wird vom Gehör als Richtungsinformation interpretiert. Aufgabe Berechne die Wegdifferenz, wenn der Zeitunterschied 0.3 ms beträgt. 18

19 Posten 4 Gleichgewichtsorgan (Dreh- und Lagesinnnesorgan) Lernziele Ich kann erklären, welche Funktion der Gleichgewichtssinn hat. Ich weiss, dass das Ohr ein Drehsinnes- und Lagessinnesorgan ist. a) Gib folgende Links ein und schaue dir die Filme Gleichgewicht an: b) Lies folgende Text Das Gleichgewichtsorgan sehr aufmerksam durch und streiche das Wichtigste an. Das Gleichgewichtsorgan Du kennst die Empfindungen, die man beim Achterbahn fahren hat. Unser Körper wird dabei gedreht und abwechselnd beschleunigt und abgebremst. Es sind die Sinneszellen des Lageund Drehsinnesorgans, das uns diese Empfindungen vermittelt, deren Tätigkeit uns meist nicht bewusst ist. Das Gleichgewichtsorgan setzt sich aus einem Vorhof und drei Bogengängen zusammen. Der Vorhof ist, wie auch die Schnecke beim Hörvorgang, mit Flüssigkeit gefüllt. Der Vorhof selbst unterteilt sich in ein grosses Vorhofsäckchen (Utriculus) und ein kleines Vorhofsäckchen (Sacculus), die durch zwei kleine Gänge verbunden sind. In ihnen enthalten sind Haarsinneszellen, die Bewegungen in der Flüssigkeit wahrnehmen und dadurch einen Reiz aufnehmen können. Die Bogengänge stehen in den drei Raumebenen im rechten Winkel zueinander und beginnen und enden alle im Vorhof. Sie bilden mit diesem also einen Ring. Auch in den Bogengängen befindet sich Flüssigkeit und die schon mehrfach erwähnten Haarsinneszellen. 19

20 Drehsinn Der Drehsinn befindet sich in den drei Bogengängen. Hier reagieren die Haarsinneszellen auf Drehbewegungen. Bei einer solchen Drehbewegung kommt es zu einer entsprechenden Bewegung der Flüssigkeit in den Bogengängen, was letztlich wiederum zu einer Bewegung der Sinneshärchen und damit zu einer Stimulation der Sinneszellen führt. Dadurch können Drehbewegungen des Körpers bewusst empfunden und die Körperhaltung an die jeweilige Situation angepasst werden. Allerdings führt die Trägheit der Flüssigkeit in den Bogengängen dazu, dass sich diese nach einiger Zeit mitdrehen und dadurch kein Reiz mehr übertragen wird. Folglich führen also nur Änderungen in der Drehbewegung zu einer Reizung des Bogengangsystems. Eine bekannte Sinnestäuschung in diesem Zusammenhang ist der Drehschwindel. Da die Flüssigkeit in den Bogengängen bei dauerndem Drehen in eine Richtung die Bewegung mitmacht, wird wie beschrieben kein Reiz mehr übertragen, man gewöhnt sich sozusagen an die Drehbewegung. Stoppt diese Körperbewegung dann plötzlich ab, strömt die Flüssigkeit aufgrund ihrer Trägheit zunächst weiter. In diesem Moment werden die Sinneshärchen wieder gebogen und ein Sinnesreiz übertragen. Schliesslich führt dies zu einem Gefühl einer entgegen gesetzten Drehbewegung und damit zum Drehschwindel. Lagesinn Der Lagesinn ist im Vorhof lokalisiert. Hier reagieren die Sinneszellen auf Einwirkungen von Schwerkraft und Beschleunigung, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Die Sinneshärchen werden auch hier durch die Bewegung in der Flüssigkeit, welche durch Bewegungen des Körpers ausgelöst wird, stimuliert. Die Signale, die die Sinneszellen dann senden, werden im Gehirn aufgenommen und verarbeitet, was schliesslich zu Empfindungen wie Fallen, Bremsen oder Steigen führt. Frage 1 Du gehst eine Treppe hoch. Wie stehen die Sinneshärchen in den Vorhöfen? Was melden sie dem Gehirn? 20

21 Frage 2: Du liegst zu Hause im Bett. Wie stehen die Sinneshärchen in den Vorhöfen? Was melden sie dem Gehirn? c) Wir führen 2 Experimente durch. Experiment 1: Drehstuhl: Material: Versuchsanordnung: Schal, Augenbinde - Suche dir einen Partner. - Einer von euch setzt sich auf einen Drehstuhl, senkt den Kopf auf die Brust und schließt die Augen. - Der andere dreht den Stuhl einige Male in eine Richtung und hält ihn dann plötzlich an. - Der Schüler auf dem Stuhl öffnet nun wieder die Augen und versucht auf einer geraden Linie ein paar Schritte vorwärts zu gehen. Welche Empfindungen entstehen nach dem Abstoppen? Beschreibe sie. Versuchsauswertung 21

22 Posten 5 Kurzvorträge mit Plakat a) Folgende Themen stehen dir zur Auswahl: 1) Tinnitus 2) Ultraschall bei schwangeren Frauen 3) Mittelohrentzündung 4) Hörgerät 5) Hörsturz 6) Ultraschall bei Fledermäusen 7) Radar/Echolot 8) angeborene Schwerhörigkeit b) Wähle ein Thema aus bereite dich vor. Jedes Thema darf nur einmal genommen werden. Sprich dich mit deinen Kolleginnen und Kollegen ab. 1. Du hast 1 Lektion Zeit, um das Plakat zu gestalten und dich auf den Kurzvortrag vorzubereiten. 2. In der zweiten Lektion wirst du den Kurzvortrag halten. Dauer: ca min. 3. Es muss ein einseitiges Handout abgegeben werden. c) Beurteilungskriterien: Inhalt/Gliederung War der Vortrag inhaltlich logisch aufgebaut und verständlich? War der Vortrag inhaltlich richtig? (Oder musste die Lehrkraft inhaltliche Fehler korrigieren oder viel ergänzen?) Gab es am Ende ein Handout? War das Plakat gut gestaltet? Wurde die vorgegebene Zeit eingehalten? Vortrag/Sprache Wurde laut und deutlich gesprochen? Wurde frei vorgetragen? (Stichwortzettel/Karteikarte) War das Sprechtempo angemessen? 22