Akustik. Vorwiegend 2.Klasse. Schulversuchspraktikum im WS 2001/02 Neuhold Christoph

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1 Akustik Vorwiegend 2.Klasse Schulversuchspraktikum im WS 2001/02 Neuhold Christoph

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung 1.1 Lernziele 1.2 Quellen 2. Versuche 2.1 Entstehung des Schalls Schwingendes Lineal Spritzendes Wasser Verrußte Platte 2.2 Ausbreitung des Schalls und Schallgeschwindigkeit Dosentelephon Kundt sche Röhre 2.3 Schallwellen Lochsirene I Lochsirene II Resonanz 2.4 Zweidimensionale Schallquellen Chladnische Figuren 2

3 1. Einleitung Akustik ist bereits Stoffgebiet der 2. Klasse. Es kommt lehrplanmäßig am Ende dieser Schulstufe vor und wird unter dem Kapitel Schall und Lärmschutz beigebracht. Es soll erreicht werden, nachdem der Begriff Druck -laut Lehrplan - bereits eingeführt worden ist, Schall als Druckausbreitung zu verstehen. Meines Erachtens ist es in diesem Stoffgebiet besonders wichtig, dass für dieses alltägliche Thema (wir klopfen auf den Tisch, wir pfeifen mit den Fingern, mit der Gitarre kann man unterschiedliche Töne erzeugen) nach dem Unterricht den Schülern Antworten für ganz normale Situationen zur Verfügung stehen. Sie sollen auch Verständnis für Lautstärke (warum ist es lauter, wenn ich fester auf den Tisch klopfe) entwickeln. Die Geschwindigkeit des Schalls soll ihnen ein Begriff werden (ich sehe den Mann hämmern, doch höre ich den Schlag erst später) und so sollen sich die Schüler somit wieder eine alltägliche Erfahrung erklären können. Der Zusammenhang Tonhöhe Frequenz im Zusammenhang mit Schall als Welle gehört genauso zu den alltäglichen Bereichen (Musikschule,...) mit der Komponente des physikalisch-wissenschaftlichen Ausdruckes. Zusammenfassend soll in diesem Kapitel der Alltag den Schülern erklärt werden, mit dem Wunsch des Verständnisses für tagtägliche Ausnutzung dieses Wissens. 1.1 Lernziele: Stofflicher Natur: - Schall als Druckausbreitung - Entstehung des Schalls - Ausbreitung des Schalls - Schallwellen - Tonhöhe und Frequenz Alltäglicher Natur: - Erklärung vieler täglicher Phänomene - Anwendung im täglichen Leben 3

4 1.2 Quellen: - Mappe Schulversuchspraktikum - Physik 2 (Gollenz-Konrad-Breuer) - Physik 2 (Sexl-Raab-Streeruwitz) - Physik Tipler 2. Versuche: Es werden hier im folgenden 9 verschiedene Versuche vorgestellt, die ich in 4 verschiedene Bereiche gegliedert habe. Es beginnt mit der Entstehung des Schalls, wobei man diesen Teil auch ruhig mit Schallerreger betiteln könnte, weiters Ausbreitung des Schalls inklusive Schallgeschwindigkeit. Der dritte Bereich nennt sich Schallwellen in dem auch Tonhöhe Frequenz, sowie Resonanz vorgestellt werden. Dem vierten Bereich, den Chladnischen Figuren, widmete ich ebenfalls ein ganzes Kapitel, genannt zweidimensionale Schallquellen. 2.1 Entstehung des Schalls: Diese Versuche haben das Ziel zu veranschaulichen, dass ein hinreichend stark und rasch schwingender Körper zu einem Schallerreger wird und dass die Schwingungsweite/Amplitude für die Lautstärke verantwortlich ist. 4

5 2.1.1 Schwingendes Lineal: Materialien: - Lineal - Ev. Schraubstock (ansonsten Handballen) Versuch: Man spannt das Lineal in einen Schraubstock ohne dieses Werkzeug presst man es mit dem Handballen fest auf den Tisch und bring es einmal stärker einmal weniger stark zum Schwingen Abbildung(en): aufgrund der Einfachheit wurde hiervon keine Aufnahme gemacht Ergebnisse: Das Lineal schwingt regelmäßig auf und ab und erzeugt so einen Ton, verkleinert man die Auslenkung ist dieser Ton leiser. Erklärung: Der Körper, in diesem Fall das Lineal, schwingt hinreichend stark und schnell und dient somit als Schallerreger. Die Lautstärke ist von der Schwingungsweite abhängig. Zusatzinfo und Hinweise: Im Gegensatz zum Ton beruht ein Geräusch auf nicht regelmäßigen Schwingungen. Aufpassen, dass das Lineal nicht bricht! Dieser Versuch ist ob seiner Einfachheit und der Tatsache, dass beinahe 100 % der Schüler dies in langweiligen Unterrichtsstunden oder sonst wo bereits praktizierten eine sehr gut Möglichkeit ein erstes Wissen für Entstehung des Schalls und Lautstärke zu vermitteln. Man kann diesen Versuch auch bei der Einführung zur Tonhöhe bringen, da die Tonhöhe nur von der Frequenz abhängt und man somit beim Schwingenlassen eines kürzeren Teils des Lineals höhere töne erzielen kann. 5

6 2.1.2 Spritzendes Wasser: Materialien: - Stimmgabel - Glas gefüllt mit Wasser Versuch: Man schlägt die Stimmgabel an und hält es leicht auf die Wasseroberfläche. Abbildung(en): Ergebnisse: Wir hören einen Ton und sehen Wasser wegspritzen. Erklärung: Die Zinken der Stimmgabel führen Schwingungen aus, die durch das spritzende Wasser angezeigt werden und sie dient als Schallerreger. Zusatzinfo und Hinweise: a. Stimmgabeln schwingen stets mit einer Frequenz von 440 Hz, dem sogenannten Kammerton 6

7 Man darf die Stimmgabel nur ganz leicht auf die Oberfläche halten, ansonsten das Spritzen nicht wirklich zu Vorschein kommt. Dieser Versuch dient wieder sehr gut der Veranschaulichung von Schwingung als Schallerreger. 7

8 2.1.3 Verrußte Platte: Materialien: - Stimmgabel mit Schreibspitze an einer Zinken - Verrußte Glasplatte - Zur Veranschaulichung vor Klasse: Overheadprojektor Versuch: Wir schlagen die Stimmgabel an und führen diese über eine verrußte Glasplatte. Abbildung(en): Ergebnisse: Die Schreibspitze zeichnet auf der Platte ein Bild der Schwingungen Erklärung: siehe Versuch zuvor Zusatzinfo und Hinweise: Man setze nur sanft auf und ziehe langsam über die Platte hinweg. So bekommt man ein gutes Bild. Dieser Versuch ist praedestiniert auf dem Overhead vorgeführt zu werden. Eine weiterführende Veranschaulichung des vorhergehenden Versuches. 8

9 2.2 Ausbreitung des Schalls und Schallgeschwindigkeit: Hier soll vorgestellt werden, dass sich der Schall sowohl in festen, als auch in flüssigen, als auch in gasförmigen ausbreitet und die Schallgeschwindigkeit 340 m/s beträgt. Hierzu zwei Versuche: das Dosentelephon, zur Veranschaulichung der Ausbreitung des Schalls in festen Stoffen (gasförmig bedarf keiner Erklärung, flüssig ist ein bisschen schwierig) und die Kundt sche Röhre, die allerdings nicht Stoff der 2. Klasse ist, jedoch zur Messung der Schallgeschwindigkeit hervorragend. 9

10 2.2.1 Dosentelephon Materialien: - 2 Joghurtbecher - Schnur (von zumindest 2m Lange) Versuch: An den Enden der Schnur wird jeweils ein Becher befestigt. Bei gespannter Schnur spricht einer leise in den Becher, wobei ein anderer den zweiten Becher an sein Ohr hält. Abbildung(en): Ergebnisse: Trotzdem der eine sehr leise spricht, kann der zweite das Gesprochene verstehen. Erklärung: Der Schall pflanzt sich auch in festen Materialien fort, in unserem Fall die Schnur und somit ist es dem zweiten möglich etwas zu hören. Zusatzinfo und Hinweise: Ob ein Stoff gut oder schlecht leitet häng von seinem elastischen Verhalten ab, so leitet Luft, Wasser, Stahl den Schall gut, wobei Wolle Schaumstoff, Sand schlecht leitet. Daher muß der Faden gespannt sein. 10

11 Man kann bei diesem Versuch auch eine Abhöreinrichtung einbauen, wobei der selbe Aufbau ein zweites Mal benötigt wird. Zum Abhören spanne man einfach die beiden Vorrichtung übereinander. Ein wiederum sehr einfacher Versuch, der von vielen Kindern zu Hause vermutlich schon ausprobiert wurde und sich daher ideal als Mittel zur physikalischen Erklärung eignet. 11

12 2.2.2 Kundt sche Röhre Materialien: - Kundt sche Röhre - Korkmehl - Tongenerator - Maßband Versuch: Man verwendet einen Tongenerator und stellt ihn auf eine gewisse Frequenz. Das Korkmehl verteilt sich. Abbildungen: Ergebnisse: Der Ton wird verstärkt und das Korkmehl verteilt sich. Erklärung: Vom Stabende läuft eine Schallwelle ins Glasrohr und wird durch Reflexion hin und hergeworfen. Hat die eingeschlossene Luftsäule eine passende Länge durch leichtes Verschieben des Stabes lässt sich dies stets leicht erreichen -, so wird die Luft zu kräftigen Eigenschwingungen angeregt.der Schall erzeugt in der Röhre eine stehende Welle. An den Schwingungsknoten sammelt sich das Mehl, an den Schwingungsbäuchen wird es auseinandergeblasen. Der Abstand zwischen zwei Bäuchen kann gemessen werden, er beträgt lambda/2, die Frequenz kann abgelesen werden und durch die Formel c=lambda*f ergibt sich die Schallgeschwindigkeit zu 340 m/s. Zusatzinfo und Hinweise: Man benutze frisches Korkmehl und hoffe, dass die Röhre noch nicht zu sehr klebt. Man kann mit einer ähnlichen Anordnung auch die Schallgeschwindigkeit von Stoffen messen. Dieser Versuch ist wie bereits erwähnt nicht 2.Klasse tauglich und setzt das Wissen von Schallwellen voraus, doch war es mir wichtig beim Thema Schallausbreitung ein Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit vorzuführen. 12

13 2.3 Schallwellen Tonhöhe und Frequenz In diesem Abschnitt der Versuche soll klar werden, dass der Schall eine Welle ist, die sich in Form von Verdichtungen und Verdünnungen an ihre Nachbarn nach allen Richtungen ausbreiten. Diese Druckausbreitung soll weiter veranschaulicht werden und außerdem sollen die Tonhöhen als reine Unterschiede der Frequenzen vorgestellt werden. Das Phänomen Resonanz wird auch vorgeführt. 13

14 2.3.1 Lochsirene Teil I Materialien: - Lochscheibe - Drehbare Halterung (motor- oder handbetrieben) - Luftstrahl Versuch: Ein Luftstrom wird gegen eine gleichmäßig rotierend Lochscheibe gehalten. Abbildung(en): Ergebnisse: Wir hören einen Ton. Erklärung: Der Luftstrom wird von der rotierenden Lochscheibe abwechselnd durchgelassen oder aufgehalten. Gelangt er auf ein Loch so wird auf der Rückseite der Scheibe die Luft verdichtet. Wird der Luftstrom aber durch die Scheibe unterbrochen, folgt hinter der Scheibe auf die Verdichtung ein Verdünnung der Luft. Dieselbe Prozedur beim nächsten Loch. 14

15 Diese Stöße werden von den Luftteilchen an ihre Nachbarn weitergegeben und solch ein Ausbreitung nach allen Richtungen wird als Welle bezeichnet. Es pflanzen sich also nur die Aufeinanderfolgenden Verdichtungen und Verdünnungen fort, die an unserem Ohr eine Schallempfindung bewirken. Zusatzinfo und Hinweise: An dieser Stelle sollte nun zusammengefasst werden: Die im Ohr gemachten Wahrnehmungen bezeichnen wir als Schall. Er breitet sich in flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen nach allen Richtungen mit einer bestimmten Geschwindigkeit als Welle aus. Druckluft ist für diesen Versuch sehr förderlich. Die Materialien sollten in einem jeden Physikkabinett vorhanden sein. 15

16 2.3.2 Lochsirene Teil II Materialien: - Lochscheibe - Drehbare Halterung (motor- oder handbetrieben) - Luftstrahl Versuch: Man verändert die Drehgeschwindigkeit der Lochscheibe. Ergebnisse: Bei höherer Drehgeschwindigkeit, höhere Tonhöhe und umgekehrt Erklärung: Bei veränderter Drehgeschwindigkeit folgen in der Schallwelle die Verdichtungen und Verdünnungen der Luft in unterschiedlichen Abständen. Die Zahl der Schwingungen, die die Luftteilchen ausführen ist verändert worden. Die Tonhöhe hängt von der Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit ab. Zusatzinfo und Hinweise: Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Zeit. Zu jedem Ton gehört eine bestimmte Frequenz, je höher der Ton, desto größer die Frequenz. Die Weiterführung (Töne und Tonleiter) ist im Protokoll des Kollegen Thomas Plotz zu finden. 16

17 2.3.3 Resonanz Materialien: - 2 Stimmgabeln gleicher Frequenz - Schlägel - Tischtennisball an Schnur - Halterung Versuch: Zwei Stimmgabeln werden nebeneinander gestellt. An einen Zinken der nicht anzuschlagenden Stimmgabel wird der Tischtennisball vorgehängt. Die andere Stimmgabel wird angeschlagen. Abbildung(en): Ergebnisse: Wir hören einen Ton und die zweite Stimmgabel fängt an Mitzuschwingen, der Tischtennisball beginnt zu springen. Halten wir die angeschlagene Stimmgabel fest so schwingt die zweite noch immer und man hört noch immer den gleichen Ton. 17

18 Erklärung: Treffen auf einen schwingungsfähigen Körper Schallwellen von einer Frequenz die er selbst aussenden kann, so wird er zu starkem Mitschwingen angeregt. Dies nennt man Resonanz. Zusatzinfo und Hinweise: Die Resonanz wird gestört wenn man auf einen Zinken der Stimmgabel zum Beispiel etwas Plastilin klebt. Resonanz leitet sich von dem lateinischen Wort resonare ab, das soviel bedeutet wie ertönen widerhallen. Ein sehr guter Versuch um diesen Phänomen zu zeigen, er ist auch ein Beweis dafür, dass es sich beim Schall um eine Druckausbreitung oder Druckwelle handelt. 18

19 2.4 Zweidimensionale Schallquellen Chladnischen Figuren: Materialien: - Platten aus Metall - Alten Geigenbogen/Frequenzgenerator mit Lautsprecher - Feiner Sand oder Salz Versuch: Man streicht mit dem Bogen über die mit dem feinen Material bedeckten Platten oder hält einen Lautsprecher unter die Platten und versetzt sie so in Schwingung. Abbildungen: Ergebnisse: Man hört einen Ton und es entstehen unterschiedliche Figuren, die von bestimmten Frequenzen, sonst schwingt die Platte nicht, und der Form abhängen. Je höher diese Frequenzen werden, desto komplizierter werden die Figuren. Erklärung: Die Platten schwingen nicht gleichmäßig über ihre Oberfläche, sonder bilden Bäuche und Knoten aus. In den Schwingungsknoten sammeln sich die Körner und bilden so die Figuren aus. Die Platten schwingen nur bei bestimmten Frequenzen. Diese sind ihre Grundfrequenz und dem zwei-, drei-,..fachen dieser. 19

20 Zusatzinfo und Hinweise: Es ist ein eher einfaches Unterfangen die Grundfrequenz zu finden, doch ist es besonders auf der runden und auf der dreieckigen Platte nicht leicht die Oberfrequenzen zu erwischen. Dies ist ein sehr anschaulicher und formschöner Versuch. Die folgende Abbildung zeigt die Möglichkeiten der Chladnischen Figuren: 20