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2026-09-13T20:08:30Z

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{{T}}
{{BR}}
= NWT9 - Licht- und Tonspektren untersuchen =

'''Klasse 9 | Naturwissenschaft und Technik | Optik, Akustik, Messwerterfassung und Datenauswertung'''

In diesem aiMOOC untersuchst Du, wie sich [[Licht]] und [[Schall]] in ihre Bestandteile zerlegen lassen. Du lernst, einfache optische und akustische [[Spektrum (Physik)|Spektren]] zu lesen, selbst Messdaten zu gewinnen und aus Peaks, Linien, Frequenzen oder Wellenlängen auf physikalische Eigenschaften einer Quelle zu schließen. Dabei arbeitest Du auf den Niveaustufen '''G''', '''M''' und '''E''' und lernst zugleich, Messungen sicher, reproduzierbar und kritisch auszuwerten.

Der Bildungsplan für NwT in den Klassen 8/9 nennt bei der Gewinnung und Auswertung von Daten ausdrücklich das Darstellen eines optischen oder akustischen Spektrums auf M-Niveau und zusätzlich das Auswerten auf E-Niveau.<ref>[https://www.bildungsplaene-bw.de/%2CLde/BP2016BW_ALLG_SEK1_NWTPROFIL_IK_8-9_04_02 Bildungsplan Baden-Württemberg: NwT – Gewinnung und Auswertung von Daten]</ref> Das hier verwendete '''G-Niveau''' dient als didaktisch gestützter Einstieg: Du liest Achsen, erkennst deutliche Peaks und beschreibst einfache Zusammenhänge.

[[Datei:Spektrum.mit.Prisma.png|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Einleitung =

Ein '''Spektrum''' zeigt, wie stark verschiedene Werte einer physikalischen Größe in einem Signal vertreten sind. Bei Licht wird häufig die Intensität in Abhängigkeit von der [[Wellenlänge]] dargestellt. Bei Schall zeigt ein Frequenzspektrum, wie stark einzelne [[Frequenz|Frequenzen]] enthalten sind. Ein Spektrum ist damit eine Art physikalischer „Fingerabdruck“ einer Quelle.

Beim Licht kann eine breite, zusammenhängende Verteilung entstehen, oder es treten schmale [[Spektrallinie|Spektrallinien]] auf. Beim Schall kann ein nahezu reiner Ton einen einzelnen dominanten Frequenzanteil besitzen, während ein Klang aus einer Grundfrequenz und mehreren Obertönen besteht. Ein Geräusch zeigt häufig eine breitere, unregelmäßigere Frequenzverteilung.

Ein '''Spektrogramm''' ergänzt die Zeit: Es zeigt, welche Frequenzen zu welchem Zeitpunkt stark oder schwach vertreten sind. Damit kannst Du zum Beispiel Sprache, Musik oder sich verändernde Töne sichtbar machen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=-ob7foUzXaY |500|center}}

{{BR}}
= Lernziele und Differenzierung G/M/E =

{| class="wikitable"
! Niveau
! Das kannst Du am Ende
! Typische Leistung
|-
| '''G'''
| Du liest die Achsen eines einfachen Spektrums, erkennst starke und schwache Bereiche und ordnest hohe beziehungsweise niedrige Frequenzen oder Wellenlängen richtig zu.
| Beschreiben, markieren, vergleichen und mit Hilfen deuten
|-
| '''M'''
| Du stellst ein einfaches optisches oder akustisches Spektrum dar, bestimmst Peaks und vergleichst verschiedene Quellen.
| Messwerte erfassen, Diagramme erstellen, Beobachtungen fachsprachlich erklären
|-
| '''E'''
| Du wertest Spektren aus, verknüpfst Messdaten mit physikalischen Eigenschaften, schätzt Messunsicherheiten ein und beurteilst Grenzen des Messverfahrens.
| Begründen, berechnen, bewerten, Messverfahren optimieren
|}

{{BR}}
= Was ist ein Spektrum? =

Ein Spektrum ist eine Darstellung, in der eine physikalische Größe nach einem passenden Merkmal aufgeschlüsselt wird. Bei einem optischen Spektrum ist dieses Merkmal häufig die Wellenlänge '''λ''' in Nanometern. Bei einem akustischen Spektrum ist es meist die Frequenz '''f''' in Hertz.

Die Höhe einer Kurve oder eines Balkens kann je nach Messprogramm zum Beispiel eine relative Intensität, eine Amplitude, eine Leistung oder einen Pegel darstellen. Deshalb gehört zu jeder guten Auswertung die Frage: '''Was steht auf der x-Achse, was auf der y-Achse und in welcher Einheit?'''

{{BR}}
== Optisches Spektrum ==

Sichtbares Licht umfasst ungefähr den Bereich von Violett bis Rot. Die genaue Grenze des sichtbaren Bereichs hängt von Definition und Wahrnehmung ab; als grobe Orientierung werden häufig etwa 380 bis 780 nm verwendet. Kurze sichtbare Wellenlängen erscheinen eher violett oder blau, längere eher orange oder rot.

Für elektromagnetische Wellen gilt:

'''c = λ · f'''

Dabei ist '''c''' die Lichtgeschwindigkeit, '''λ''' die Wellenlänge und '''f''' die Frequenz. Eine größere Wellenlänge bedeutet daher bei Licht eine kleinere Frequenz.

[[Datei:Fraunhofer lines DE.svg|600px|rahmenlos|center]]

Die dunklen Linien im Sonnenspektrum heißen [[Fraunhoferlinie|Fraunhoferlinien]]. Sie zeigen, dass bestimmte Wellenlängen im beobachteten Sonnenlicht abgeschwächt sind. Für eine schulische Untersuchung des Sonnenspektrums gilt jedoch: '''Niemals direkt in die Sonne oder in starkes Sonnenlicht blicken.''' Verwende vorhandene Spektren oder von der Lehrkraft vorbereitete sichere Messdaten.

{{BR}}
== Kontinuierliches Spektrum, Linienspektrum und Mischformen ==

Ein '''kontinuierliches Spektrum''' enthält in einem Bereich viele Wellenlängen ohne große Lücken. Ein '''Linienspektrum''' besitzt dagegen ausgeprägte schmale Linien bei bestimmten Wellenlängen. Viele reale Lichtquellen zeigen Mischformen.

[[Datei:Hydrogen spectrum visible.png|600px|rahmenlos|center]]

Beim sichtbaren Emissionsspektrum von Wasserstoff treten charakteristische Linien auf. Besonders bekannt sind Linien der [[Balmer-Serie]] bei ungefähr 410,2 nm, 434,0 nm, 486,1 nm und 656,3 nm. Ihre Positionen hängen mit diskreten Energieübergängen im Wasserstoffatom zusammen.

[[Datei:Fluorescent lighting spectrum peaks labeled with colored peaks added.png|600px|rahmenlos|center]]

Auch Leuchtmittel können charakteristische Peaks besitzen. Bei Leuchtstofflampen stammen schmale Linien unter anderem von angeregten Atomen im Gas, während Leuchtstoffe zusätzliche breitere Spektralanteile erzeugen können. Das genaue Spektrum hängt vom Lampentyp ab.

[[Datei:Led spectrum.JPG|500px|rahmenlos|center]]

Bei LEDs hängt die spektrale Verteilung von Bauart und Material ab. Eine weiße LED kann beispielsweise einen deutlichen blauen Anteil und ein breiteres Band des Leuchtstoffs zeigen. Deshalb darfst Du aus der bloßen Bezeichnung „weiße LED“ nicht automatisch auf ein einziges Standardspektrum schließen.

{{BR}}
== Akustisches Spektrum ==

Schall in Luft besteht aus zeitlichen Druckschwankungen. Ein Mikrofon wandelt diese Schwankungen in ein elektrisches Signal um. Eine Spektralanalyse zerlegt dieses Signal rechnerisch in Frequenzanteile.

Bei einem nahezu sinusförmigen Ton erscheint ein dominanter Peak. Ein Instrumentenklang enthält meistens eine '''Grundfrequenz''' und zusätzliche '''Obertöne'''. Die Verteilung dieser Spektralanteile trägt zur [[Klangfarbe]] bei. Zur Klangfarbe gehört jedoch auch der zeitliche Verlauf eines Tons, zum Beispiel sein Einschwingen und Abklingen.

'''Höhere Frequenz''' bedeutet im Allgemeinen eine höhere wahrgenommene Tonhöhe. Die wahrgenommene Lautheit hängt dagegen nicht nur von der Signalamplitude ab, sondern auch von Frequenz, Dauer, Hörvermögen und weiteren Faktoren.

'''Audio: Stimmgabel mit 440 Hz'''

[[Datei:Tuning-fork-440Hz.ogg]]

'''Audio: Sinuston mit 1000 Hz'''

[[Datei:Sine wave 1000.ogg]]

Höre Testtöne nur in mäßiger Lautstärke über einen Lautsprecher. Für diese Untersuchung sind keine lauten Kopfhörerpegel erforderlich.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=baxTilI_GAc |500|center}}

{{BR}}
== Zeitdiagramm, Spektrum und Spektrogramm unterscheiden ==

{| class="wikitable"
! Darstellung
! x-Achse
! Weitere Darstellung
! Aussage
|-
| '''Zeitdiagramm'''
| Zeit
| Amplitude oder Schalldrucksignal
| Wie verändert sich das Signal im Zeitverlauf?
|-
| '''Frequenzspektrum'''
| Frequenz
| Amplitude, Pegel oder relative Intensität
| Welche Frequenzen sind in einem betrachteten Zeitabschnitt enthalten?
|-
| '''Spektrogramm'''
| Zeit
| Frequenz auf der y-Achse; Stärke meist über Helligkeit oder Farbe
| Wie verändert sich die Frequenzzusammensetzung mit der Zeit?
|}

'''Audio: Violine'''

[[Datei:Violin for spectrogram.ogg]]

[[Datei:Spectrogram of violin.png|600px|rahmenlos|center]]

Im Spektrogramm der Violine erkennst Du mehrere helle Linien. Sie entsprechen Frequenzanteilen, die sich im Verlauf des Tons unterschiedlich stark zeigen.

[[Datei:Vowel spectrogram.png|600px|rahmenlos|center]]

Bei Sprache zeigen Vokale charakteristische Bereiche verstärkter Frequenzen. Solche Muster heißen [[Formant|Formanten]]. Sie hängen unter anderem mit Resonanzen des Vokaltrakts zusammen.

{{BR}}
= Spektren als Messdaten lesen =

Jedes Spektrum sollte systematisch ausgewertet werden. Gehe dabei in dieser Reihenfolge vor:

# [[Achse|Achsen prüfen]]: Lies Größe, Einheit und Skalierung beider Achsen ab.
# [[Peak|Peaks erkennen]]: Bestimme auffällige Maxima und notiere deren Position.
# [[Breite]]: Prüfe, ob ein Peak schmal oder breit ist.
# [[Verteilung]]: Entscheide, ob das Spektrum eher kontinuierlich, linienförmig oder gemischt ist.
# [[Vergleich]]: Vergleiche mehrere Messungen nur dann direkt, wenn Messbedingungen und Skalierung ausreichend ähnlich sind.
# [[Interpretation]]: Verknüpfe Messwerte mit physikalischen Eigenschaften der Quelle.
# [[Messunsicherheit]]: Überlege, welche Eigenschaften des Sensors oder Messaufbaus das Ergebnis beeinflussen.

{{BR}}
== Messwert und physikalische Eigenschaft bei Licht ==

{| class="wikitable"
! Beobachtung im Spektrum
! Mögliche physikalische Aussage
|-
| Peak bei einer bestimmten Wellenlänge
| Starker spektraler Anteil bei dieser Wellenlänge
|-
| Mehrere schmale Linien
| Emission ist auf bestimmte Wellenlängen konzentriert
|-
| Breites Band
| Viele benachbarte Wellenlängen tragen zum Licht bei
|-
| Dunkle Linie in einem kontinuierlichen Spektrum
| Bestimmte Wellenlängen wurden relativ zur Umgebung abgeschwächt
|-
| Zwei sehr nahe Linien werden nicht getrennt
| Die spektrale Auflösung des Aufbaus ist möglicherweise zu gering
|}

Eine Spektrallinie ist nicht automatisch ein eindeutiger Stoffnachweis. Für eine sichere Zuordnung brauchst Du eine ausreichend gute Kalibrierung und musst mehrere charakteristische Linien berücksichtigen.

{{BR}}
== Messwert und physikalische Eigenschaft bei Schall ==

{| class="wikitable"
! Beobachtung im Spektrum
! Mögliche physikalische Aussage
|-
| Dominanter niedriger Peak
| Häufig Grundfrequenz beziehungsweise wesentlicher Beitrag zur Tonhöhe
|-
| Peaks bei ungefähr ganzzahligen Vielfachen
| Harmonische beziehungsweise Obertöne eines periodischen Signals
|-
| Unterschiedliche Höhen der Obertöne
| Unterschiedliche spektrale Zusammensetzung und damit Beitrag zur Klangfarbe
|-
| Breites unregelmäßiges Spektrum
| Geräusch oder stark komplexes Signal
|-
| Frequenzlinien verschieben sich im Spektrogramm
| Die Frequenzzusammensetzung verändert sich mit der Zeit
|}

{{BR}}
= Sicher messen =

{{BR}}
== Sichere optische Messungen ==

Für diesen aiMOOC brauchst Du '''keinen Laser'''. Sichere Schulversuche können mit einer normalen LED-Leuchte, einer Taschenlampe, einem fertigen Beugungsgitter, einem Prisma, einem weißen Schirm und einer Kamera durchgeführt werden.

# [[Augenschutz]]: Blicke niemals direkt in die Sonne, in Laserstrahlen oder in extrem helle Lichtquellen.
# [[Indirekte Beleuchtung]]: Richte eine LED oder Taschenlampe auf eine matte weiße Fläche und untersuche möglichst das reflektierte Licht.
# [[Beugungsgitter]]: Verwende ein fertiges Gitter in einer Halterung. Schneide keine CDs oder DVDs für den Versuch zurecht.
# [[Leuchtmittel]]: Öffne keine Lampen und keine Gasentladungsröhren. Untersuche nur intakte, bestimmungsgemäß betriebene Lichtquellen.
# [[Kamera statt Auge]]: Für längere Beobachtungen kann die Kamera das Spektrum erfassen, ohne dass Du in die Lichtquelle schauen musst.
# [[Glasgeräte]]: Behandle Prismen wie andere Glasgeräte sorgfältig und lege sie standsicher ab.

[[Datei:Fluorescent lamp spectrum.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Dieses Foto zeigt, wie sich die spektralen Anteile einer Leuchtstofflampe durch Beugung voneinander trennen lassen. Ein solches Bild ist eine gute Grundlage für eine Auswertung, ohne dass Du selbst an der Lampe etwas verändern musst.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=vt86k8yoe08 |500|center}}

{{BR}}
== Sichere akustische Messungen ==

# [[Lautstärke]]: Arbeite mit normaler Gesprächs- oder Zimmerlautstärke.
# [[Testton]]: Spiele Sinustöne nur kurz und leise ab.
# [[Kopfhörer]]: Für Messungen sind Lautsprecher in geringer Lautstärke meist geeigneter als laute Kopfhörer.
# [[Mikrofon]]: Halte den Abstand zwischen Schallquelle und Mikrofon bei Vergleichsmessungen konstant.
# [[Datenschutz]]: Nimm für Sprachversuche möglichst einzelne Vokale oder neutrale Töne statt persönlicher Gespräche auf.
# [[Reproduzierbarkeit]]: Wiederhole Messungen unter gleichen Bedingungen.

{{BR}}
= Optisches Messlabor =

{{BR}}
== Versuch: Spektrum einer Lichtquelle aufnehmen ==

'''Material:''' fertiges Beugungsgitter oder Schulspektroskop, weiße matte Fläche, LED-Taschenlampe oder andere freigegebene Lichtquelle, Smartphone-Kamera, Stativ oder feste Unterlage, Lineal und Messprotokoll.

'''Sicherer Aufbau:''' Die Lichtquelle beleuchtet eine matte weiße Fläche. Das reflektierte Licht gelangt in das Spektroskop oder durch das Beugungsgitter zur Kamera. Du schaust nicht direkt in die Lichtquelle.

# Richte den Aufbau so aus, dass ein deutliches Spektrum sichtbar wird.
# Halte Kamera, Gitter und Lichtquelle während einer Messreihe möglichst fest.
# Fotografiere das Spektrum.
# Notiere Lichtquelle, Abstand, Belichtungseinstellung und Auffälligkeiten.
# Wiederhole die Aufnahme mindestens dreimal.
# Vergleiche Breite, Peakpositionen und mögliche Linien verschiedener Lichtquellen.

{{BR}}
== Differenzierung im optischen Messlabor ==

'''G:''' Markiere im Bild den kurzwelligen und den langwelligen Bereich. Benenne die auffälligsten Farben und entscheide, ob das Spektrum eher durchgehend oder linienförmig wirkt.

'''M:''' Übertrage die Intensität näherungsweise in ein Diagramm. Vergleiche mindestens zwei Lichtquellen und beschreibe Unterschiede mit den Begriffen Peak, Wellenlänge, Intensität und Spektralbereich.

'''E:''' Kalibriere die Wellenlängenachse mit einer von der Lehrkraft bereitgestellten Referenz. Bestimme Peakpositionen mit geschätzter Unsicherheit und diskutiere, wie Spaltbreite, Kameraempfindlichkeit, Belichtung und Gitterauflösung das Ergebnis beeinflussen.

{{BR}}
== Referenzdaten: Wasserstoffspektrum ==

{| class="wikitable"
! Linie
! Wellenlänge
! Wahrnehmbarer Bereich
! Physikalische Aussage
|-
| H-delta
| etwa 410,2 nm
| violett
| sichtbare Balmer-Linie
|-
| H-gamma
| etwa 434,0 nm
| violett-blau
| sichtbare Balmer-Linie
|-
| H-beta
| etwa 486,1 nm
| blaugrün
| sichtbare Balmer-Linie
|-
| H-alpha
| etwa 656,3 nm
| rot
| sichtbare Balmer-Linie
|}

'''E-Aufgabe:''' Berechne für H-alpha aus '''f = c / λ''' die Lichtfrequenz. Mit '''c ≈ 3,00 · 10^8 m/s''' und '''λ = 656,3 nm''' erhältst Du ungefähr '''4,57 · 10^14 Hz'''. Vergleiche anschließend mit H-beta. Die kürzere Wellenlänge besitzt die höhere Frequenz.

{{BR}}
= Akustisches Messlabor =

{{BR}}
== Versuch: Frequenzspektrum eines Tons aufnehmen ==

Du kannst eine Stimmgabel, einen leisen Instrumententon oder die bereitgestellte 440-Hz-Aufnahme verwenden. Ein Spektrumanalysator zeigt Dir die Stärke der Frequenzanteile.

# Stelle Schallquelle und Mikrofon in festem Abstand auf.
# Nimm einen kurzen, möglichst gleichmäßigen Ton auf.
# Öffne die Frequenzdarstellung.
# Bestimme den stärksten Peak.
# Suche weitere Peaks und notiere ihre Frequenzen.
# Wiederhole die Messung und vergleiche die Ergebnisse.
# Erkläre, welche Peaks zur Grundfrequenz und welche zu Obertönen gehören könnten.

{{BR}}
== Beispiel: Messdaten einer 440-Hz-Stimmgabel ==

Die bereitgestellte Audiodatei ist als 440-Hz-Stimmgabelaufnahme gekennzeichnet. Bei einer geeigneten Analyse sollte daher ein starker Spektralanteil in der Nähe von 440 Hz auftreten. Kleine Abweichungen können durch Aufnahme, Analysefenster, Resonanzen und Messauflösung entstehen.

Wenn Du beispielsweise in drei Wiederholungen Werte in der Nähe von 440 Hz erhältst, ist die Lage des Hauptpeaks mit der erwarteten Grundfrequenz vereinbar. Aus '''T = 1/f''' ergibt sich bei 440 Hz eine Periodendauer von ungefähr '''2,27 ms'''.

{{BR}}
== Differenzierung im akustischen Messlabor ==

'''G:''' Lies den stärksten Peak ab und entscheide, ob ein zweiter Ton höher oder tiefer klingt.

'''M:''' Bestimme Grundfrequenz und mindestens zwei weitere Peaks. Prüfe, ob deren Frequenzen ungefähr ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind.

'''E:''' Vergleiche zwei Instrumente auf gleicher Grundfrequenz. Untersuche die relativen Obertonstärken, diskutiere Mikrofonempfindlichkeit und Analysefenster und erkläre, weshalb die Klangfarbe nicht allein durch die Grundfrequenz bestimmt wird.

{{BR}}
= Vom Klang zum Spektrogramm =

Ein Frequenzspektrum fasst die Frequenzanteile eines ausgewählten Zeitabschnitts zusammen. Bei einem sich schnell verändernden Klang kann dadurch wichtige Information verloren gehen. Das Spektrogramm löst dieses Problem, indem es viele kurze Spektren nacheinander darstellt.

Bei einem typischen Spektrogramm gilt:

# Die x-Achse zeigt die Zeit.
# Die y-Achse zeigt die Frequenz.
# Helligkeit oder Farbe zeigt die Stärke des jeweiligen Frequenzanteils.
# Waagerechte Linien deuten auf über längere Zeit stabile Frequenzen hin.
# Ansteigende oder fallende Linien zeigen sich verändernde Frequenzen.

{{BR}}
= Interaktive Analysen =

{{BR}}
== Interaktiver Sound-Spektrumanalysator ==

Mit dem Open-Source-Physics-Spektrumanalysator kannst Du Frequenzanteile untersuchen. Nutze nach Möglichkeit zuerst bereitgestellte Audiodateien oder neutrale Töne.

<iframe> https://www.compadre.org/osp/EJSS/5093/415.htm </iframe>

'''Arbeitsauftrag G:''' Erzeuge oder analysiere einen einzelnen Ton und finde den größten Peak.

'''Arbeitsauftrag M:''' Vergleiche einen Sinuston mit einem komplexeren Klang und beschreibe Anzahl und Verteilung der Peaks.

'''Arbeitsauftrag E:''' Verändere Analyseparameter und untersuche, wie sich Frequenzauflösung und Darstellung verändern.

{{BR}}
== Interaktive Wellenanalyse ==

Die PhET-Simulation zur Welleninterferenz hilft Dir, Frequenz, Wellenlänge und Wellenausbreitung miteinander zu verknüpfen.

<iframe> https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_de.html </iframe>

'''Auftrag:''' Verändere die Frequenz und beobachte, wie sich bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit die Wellenlänge verändert. Übertrage diesen Zusammenhang auf Licht und Schall.

{{BR}}
== Vertiefung E: Fourier-Idee ==

Die mathematische Grundlage vieler Spektrumanalysen ist die [[Fourier-Transformation]]. Für Klasse 9 genügt die Grundidee: Ein komplexes Signal kann als Überlagerung vieler einfacher sinusförmiger Anteile beschrieben werden. Ein Computer kann daraus ein Frequenzspektrum berechnen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=r18Gi8lSkfM |500|center}}

{{BR}}
= Messqualität und Fehlerquellen =

Ein Spektrum ist immer das Ergebnis aus '''Quelle + Messaufbau + Sensor + Auswerteverfahren'''. Deshalb kann ein gemessener Peak von der tatsächlichen Eigenschaft der Quelle leicht abweichen.

{| class="wikitable"
! Einflussgröße
! Mögliche Wirkung
! Verbesserung
|-
| Kamerabelichtung
| Helle Spektralbereiche können übersteuern
| Belichtung reduzieren und konstant halten
|-
| Spaltbreite
| Breiter Spalt kann Linien verbreitern
| Schmalen, sicheren Schulspalt verwenden
|-
| Kamera-Farbsensor
| Unterschiedliche Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen
| Intensitäten nur vorsichtig als absolute Werte interpretieren
|-
| Mikrofon-Frequenzgang
| Manche Frequenzen werden stärker aufgenommen als andere
| Gleiche Geräte und Bedingungen für Vergleiche verwenden
|-
| Automatische Lautstärkeregelung
| Relative Peakstärken können verändert werden
| Wenn möglich feste Aufnahmeparameter verwenden
|-
| Hintergrundgeräusche
| Zusätzliche Peaks oder breites Rauschen
| Ruhigen Raum wählen und Kontrollmessung durchführen
|-
| Analysefenster
| Beeinflusst Zeit- und Frequenzauflösung
| Parameter dokumentieren und sinnvoll vergleichen
|}

{{BR}}
= Spektren vergleichen: ein gemeinsames Denkmodell =

Optische und akustische Spektren beschreiben unterschiedliche physikalische Wellen, werden aber ähnlich ausgewertet. Du suchst nach charakteristischen Bereichen, Peaks und Mustern und verbindest sie mit Eigenschaften der Quelle.

{| class="wikitable"
! Merkmal
! Licht
! Schall
|-
| Typische x-Achse
| Wellenlänge in nm
| Frequenz in Hz
|-
| Typische Information
| Spektrale Zusammensetzung der Strahlung
| Frequenzzusammensetzung des Schalls
|-
| Auffälliger Peak
| Starker Anteil bei bestimmter Wellenlänge
| Starker Anteil bei bestimmter Frequenz
|-
| Mehrere Linien oder Peaks
| Bestimmte Emissions- oder Absorptionsbereiche
| Grundfrequenz und Obertöne oder mehrere Tonanteile
|-
| Zeitabhängige Darstellung
| Zeitaufgelöste Spektroskopie
| Spektrogramm
|}

Die entscheidende naturwissenschaftliche Idee lautet: '''Messdaten erhalten Bedeutung erst durch ein Modell und eine begründete Interpretation.'''

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Was zeigt ein akustisches Frequenzspektrum hauptsächlich?'''
(Die Stärke verschiedener Frequenzanteile eines Schalls)
(!Die Entfernung der Schallquelle)
(!Die Farbe eines Tons)
(!Die Lichtgeschwindigkeit)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Größe steht bei einem einfachen optischen Spektrum häufig auf der x-Achse?'''
(Die Wellenlänge)
(!Die Masse)
(!Die elektrische Ladung)
(!Die Temperatur des Mikrofons)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bedeutet ein starker Peak nahe 440 Hz bei einer Stimmgabelaufnahme?'''
(Ein starker Frequenzanteil liegt nahe 440 Hz)
(!Die Stimmgabel sendet rotes Licht aus)
(!Die Schallgeschwindigkeit beträgt 440 Meter pro Sekunde)
(!Das Mikrofon ist 440 Zentimeter entfernt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was zeigt ein Spektrogramm zusätzlich zu einem einfachen Frequenzspektrum?'''
(Die Veränderung der Frequenzanteile mit der Zeit)
(!Die chemische Formel der Schallquelle)
(!Nur die mittlere Raumtemperatur)
(!Die Lichtfarbe des Mikrofons)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zur Tonhöhe ist im Allgemeinen richtig?'''
(Eine höhere Frequenz wird als höhere Tonhöhe wahrgenommen)
(!Eine höhere Frequenz wird immer leiser wahrgenommen)
(!Eine längere Schallwelle hat immer eine höhere Frequenz)
(!Die Tonhöhe hängt nur von der Lautstärke ab)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was ist bei einer sicheren optischen Messung besonders wichtig?'''
(Niemals direkt in die Sonne oder einen Laserstrahl blicken)
(!Das Auge möglichst nahe an die Lichtquelle bringen)
(!Die Lampe für die Messung öffnen)
(!Ein Beugungsgitter mit einem Messer zerschneiden)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wofür stehen mehrere Peaks bei ganzzahligen Vielfachen einer Grundfrequenz häufig?'''
(Für harmonische Obertöne)
(!Für verschiedene Lichtfarben)
(!Für die Entfernung zur Schallquelle)
(!Für unterschiedliche Raumtemperaturen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was kann ein breiter optischer Spektralbereich bedeuten?'''
(Viele benachbarte Wellenlängen tragen zum Licht bei)
(!Nur eine einzige Wellenlänge ist vorhanden)
(!Die Lichtquelle erzeugt keinen messbaren Anteil)
(!Die Frequenz des Schalls ist null)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum sollte man bei Spektralmessungen mehrere Wiederholungen durchführen?'''
(Um Reproduzierbarkeit und Streuung der Messwerte beurteilen zu können)
(!Damit jede Messung einen anderen Aufbau erhält)
(!Damit Einheiten nicht mehr benötigt werden)
(!Damit Messfehler automatisch verschwinden)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage beschreibt die Beziehung von Wellenlänge und Frequenz bei Licht richtig?'''
(Bei gleicher Lichtgeschwindigkeit bedeutet größere Wellenlänge kleinere Frequenz)
(!Größere Wellenlänge bedeutet immer größere Frequenz)
(!Wellenlänge und Frequenz sind unabhängig voneinander)
(!Licht besitzt keine Frequenz)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Wellenlänge || Abstand gleichphasiger Punkte einer Welle
|-
| Frequenz || Schwingungen pro Sekunde
|-
| Grundfrequenz || niedrigster grundlegender Frequenzanteil eines periodischen Klangs
|-
| Oberton || höherer Frequenzanteil eines Klangs
|-
| Spektrogramm || Zeit-Frequenz-Darstellung eines Signals
|-
| Spektrallinie || schmaler Bereich erhöhter oder verringerter Intensität
|-
| Beugungsgitter || optisches Element zur spektralen Auftrennung
|-
| Peak || lokales Maximum in einem Messdiagramm
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Grundfrequenz'''
| Tonhöhe
|-
| '''Obertöne'''
| Klangfarbe
|-
| '''Wellenlänge'''
| Spektralfarbe
|-
| '''Spektrogramm'''
| Zeitverlauf
|-
| '''Peakposition'''
| charakteristischer Messwert

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Spektrum || Wie heißt die Darstellung der Stärke verschiedener Frequenzen oder Wellenlängen?
|-
| Frequenz || Welche Größe wird bei Schall in Hertz angegeben?
|-
| Amplitude || Wie heißt die Größe für die Stärke einer Schwingung im Zeitdiagramm?
|-
| Beugung || Welches Wellenphänomen wird bei einem optischen Gitter genutzt?
|-
| Oberton || Wie heißt ein Frequenzanteil oberhalb der Grundfrequenz?
|-
| Spektrogramm || Wie heißt die Zeit-Frequenz-Darstellung eines Signals?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=NWT9+Licht+und+Tonspektren+untersuchen </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Ein optisches Spektrum wird häufig in Abhängigkeit von der { Wellenlänge } dargestellt.
Die Einheit der Frequenz ist das { Hertz }.
Ein lokales Maximum in einem Spektrum heißt { Peak }.
Der niedrigste grundlegende Frequenzanteil eines periodischen Klangs heißt { Grundfrequenz }.
Höhere Frequenzanteile eines Klangs nennt man { Obertöne }.
Eine Zeit-Frequenz-Darstellung eines Signals heißt { Spektrogramm }.
Bei Licht sind Wellenlänge und Frequenz über die { Lichtgeschwindigkeit } miteinander verknüpft.
Ein optisches Gitter trennt Wellenlängen mithilfe von Beugung und { Interferenz }.
Mehrere Wiederholungen helfen, die { Reproduzierbarkeit } einer Messung zu beurteilen.
Bei einer sicheren optischen Messung darfst Du niemals direkt in die { Sonne } blicken.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Spektren lesen]]: Suche in zwei bereitgestellten Spektren jeweils den stärksten Peak und beschreibe seine Position mit Einheit.
# [[Farben und Wellenlängen]]: Erstelle ein Lernplakat, das Violett, Blau, Grün, Gelb und Rot grob in die Reihenfolge zunehmender Wellenlänge bringt.
# [[Klang hören und sehen]]: Höre die 440-Hz-Stimmgabelaufnahme und markiere anschließend im Spektrum, wo Du den Hauptpeak erwartest.
# [[Spektrogramm beschreiben]]: Beschreibe das Violinspektrogramm mit mindestens fünf Fachbegriffen aus diesem aiMOOC.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Lichtquellen vergleichen]]: Nimm mit einem sicheren Schulspektroskop Spektren von zwei freigegebenen Lichtquellen auf und dokumentiere Unterschiede.
# [[Instrumente vergleichen]]: Untersuche zwei Instrumententöne mit möglichst gleicher Tonhöhe und vergleiche Grundfrequenz und Obertöne.
# [[Vokalexperiment]]: Nimm nacheinander die Vokale A, E, I, O und U auf und vergleiche ihre Spektrogramme ohne persönliche Gespräche aufzuzeichnen.
# [[Messprotokoll]]: Entwickle ein vollständiges Messprotokoll mit Fragestellung, Material, Sicherheit, Durchführung, Messdaten, Auswertung und Fehlerdiskussion.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Kalibrierung]]: Entwickle mit einer vorgegebenen Referenzlinie eine Methode, um die Pixelpositionen eines fotografierten Spektrums in Wellenlängen umzurechnen.
# [[Messunsicherheit]]: Wiederhole eine akustische Peakmessung mindestens fünfmal und untersuche Mittelwert, Spannweite und mögliche Ursachen der Streuung.
# [[Sensorvergleich]]: Vergleiche zwei Smartphones oder Mikrofone mit derselben Schallquelle und erkläre Unterschiede der gemessenen Spektren.
# [[Forschungsprojekt Spektrum]]: Entwickle eine eigene Forschungsfrage, zum Beispiel zur spektralen Zusammensetzung verschiedener Leuchtmittel oder Instrumente, führe die Untersuchung sicher durch und präsentiere Deine Ergebnisse als Poster oder Video.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Unbekannte Lichtquelle]]: Du erhältst zwei Spektren einer unbekannten und einer bekannten Lichtquelle. Entwickle Kriterien, mit denen Du begründet entscheidest, ob beide Quellen spektral ähnlich sind.
# [[Stimmgabel und Instrument]]: Eine Stimmgabel und eine Geige besitzen denselben stärksten Peak. Erkläre, warum sie trotzdem unterschiedlich klingen können.
# [[Messfehler Kamera]]: Ein Spektralpeak erscheint auf drei Fotos unterschiedlich breit. Nenne mindestens drei mögliche Ursachen und schlage Verbesserungen für den Aufbau vor.
# [[Messfehler Mikrofon]]: Zwei Smartphones zeigen beim selben Ton unterschiedliche Obertonstärken. Erkläre, warum daraus nicht sofort folgt, dass sich die Schallquelle verändert hat.
# [[Spektrogramm-Transfer]]: Ein Ton steigt kontinuierlich von tief nach hoch. Skizziere qualitativ, wie dieser Verlauf in einem Spektrogramm aussehen müsste, und begründe Deine Skizze.
# [[Licht und Schall vergleichen]]: Erkläre Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen einem optischen und einem akustischen Spektrum, ohne nur Definitionen aufzuzählen.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen erfolgreichen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

# Du kannst die Achsen und Einheiten einfacher optischer und akustischer Spektren korrekt lesen.
# Du kannst Peaks, breite Bänder, Linien und Grundfrequenzen erkennen und fachsprachlich beschreiben.
# Du kannst eine einfache sichere Messung planen, durchführen und dokumentieren.
# Du kannst Messdaten mit physikalischen Eigenschaften wie Wellenlänge, Frequenz, Tonhöhe oder Obertonstruktur verknüpfen.
# Du kannst Spektrum, Zeitdiagramm und Spektrogramm voneinander unterscheiden.
# Du kannst Messunsicherheiten und Grenzen von Kamera, Mikrofon und Software nennen.
# Du kannst auf M-Niveau ein Spektrum darstellen und auf E-Niveau zusätzlich begründet auswerten.
# Du kannst begründen, weshalb Wiederholungsmessungen und kontrollierte Randbedingungen wichtig sind.
# Du beachtest Schutz von Augen und Gehör bei allen praktischen Untersuchungen.

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= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Spektrum_(Physik) </iframe>

{{BR}}
= Quellen und Medienhinweise =

# [https://www.bildungsplaene-bw.de/%2CLde/BP2016BW_ALLG_SEK1_NWTPROFIL_IK_8-9_04_02 Bildungsplan Baden-Württemberg: NwT – Gewinnung und Auswertung von Daten]
# [[Spektrum (Physik)|Spektrum in der Physik]]
# [[Spektrogramm]]
# [[Spektroskopie]]
# [[Frequenz]]
# [[Wellenlänge]]

<references />

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[NWT9 - Licht- und Tonspektren untersuchen]]'''
# [[Spektrum (Physik)|Spektrum]]
# [[Optik]]
# [[Akustik]]
# [[Wellenlänge]]
# [[Frequenz]]
# [[Spektrogramm]]
# [[Spektroskopie]]
# [[Messdaten]]
# [[Fourier-Transformation]]
|}

[[Kategorie:Naturwissenschaft und Technik]]
[[Kategorie:NWT]]
[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Klasse 9]]
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Akustik]]
[[Kategorie:Spektroskopie]]
[[Kategorie:Experiment]]
[[Kategorie:Messdaten]]

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= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

NWT9 - Licht- und Tonspektren untersuchen - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt