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2026-07-28T07:56:36Z

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= Tonhöhe und Lautstärke - Physik =

{{BR}}
= Einleitung =

Töne können '''hoch oder tief''' sowie '''laut oder leise''' sein. In der Physik werden diese Höreindrücke mit messbaren Größen verbunden: Die [[Tonhöhe]] hängt vor allem von der [[Frequenz]] ab. Die Stärke eines Schalls hängt unter anderem von der [[Amplitude]] beziehungsweise vom [[Schalldruck]] ab. Wie laut Du einen Ton tatsächlich empfindest, wird zusätzlich durch Dein Gehör und die Frequenz beeinflusst.

In diesem aiMOOC lernst Du, Schwingungsbilder zu lesen, einfache Zusammenhänge zu berechnen und sichere Experimente zur [[Akustik]] durchzuführen.

[[Datei:SoundWaveDiagFreqAmp.png|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=pcpszQUV7lA |500|center}}

{{BR}}
== Lernziele ==

Nach der Bearbeitung kannst Du erklären, wie [[Schall]] entsteht, Frequenz und Periodendauer unterscheiden, Amplituden in Diagrammen vergleichen und Tonhöhe sowie Lautstärke fachlich richtig beschreiben. Du kannst außerdem begründen, warum zwei gleich gemessene Schallpegel nicht immer gleich laut wirken.

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== Schall entsteht durch Schwingungen ==

Eine Schallquelle schwingt. Das kann eine Saite, eine Lautsprechermembran, ein Lineal oder eine [[Stimmgabel]] sein. Die Schwingung versetzt die Teilchen eines Stoffes in Bewegung. In Luft entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen. Diese Druckänderungen breiten sich als [[Schallwelle]] aus.

Schall braucht ein Medium, zum Beispiel Luft, Wasser oder einen festen Körper. Im luftleeren Raum kann sich Schall nicht ausbreiten. Die Teilchen wandern dabei nicht mit der Schallwelle durch den Raum. Sie schwingen nur um ihre Ruhelage.

[[Datei:2D Pressure (Longitudinal) Wave.gif|500px|rahmenlos|center]]

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== Tonhöhe und Frequenz ==

Die '''Frequenz''' gibt an, wie viele vollständige Schwingungen in einer Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist [[Hertz (Einheit)|Hertz]] mit dem Einheitenzeichen '''Hz'''.

# Eine Frequenz von 100 Hz bedeutet: Die Schallquelle führt 100 Schwingungen pro Sekunde aus.
# Eine Frequenz von 1000 Hz bedeutet: Die Schallquelle führt 1000 Schwingungen pro Sekunde aus.
# Je größer die Frequenz ist, desto höher wird ein reiner Ton normalerweise wahrgenommen.
# Je kleiner die Frequenz ist, desto tiefer wird ein reiner Ton normalerweise wahrgenommen.

[[Datei:Sine waves different frequencies.svg|500px|rahmenlos|center]]

Die '''Periodendauer''' <math>T</math> ist die Zeit für eine vollständige Schwingung. Frequenz und Periodendauer sind umgekehrt proportional:

<math>f = \frac{1}{T}</math>

und

<math>T = \frac{1}{f}</math>

Dabei wird <math>T</math> in Sekunden und <math>f</math> in Hertz angegeben. Hat eine Schwingung zum Beispiel die Periodendauer <math>T = 0{,}01\,\mathrm{s}</math>, dann gilt:

<math>f = \frac{1}{0{,}01\,\mathrm{s}} = 100\,\mathrm{Hz}</math>

Eine typische Stimmgabel für den Kammerton a schwingt mit ungefähr 440 Hz.

[[Datei:Mode Shape of a Tuning Fork at Eigenfrequency 440.09 Hz.gif|500px|rahmenlos|center]]

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== Lautstärke, Amplitude und Schalldruck ==

Die '''Amplitude''' ist die maximale Auslenkung einer Schwingung aus der Ruhelage. Bei einer Schallwelle kann sie mit der Stärke der Druckschwankungen verbunden werden. Vergleicht man zwei Töne gleicher Frequenz und ähnlicher Form, gilt vereinfacht:

# Größere Amplitude führt meist zu einem stärkeren und lauter empfundenen Schall.
# Kleinere Amplitude führt meist zu einem schwächeren und leiser empfundenen Schall.

[[Datei:Sinus amplitude.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=HYJDmoodjX0 |500|center}}

Der [[Schalldruckpegel]] wird meist in '''Dezibel''' mit dem Einheitenzeichen '''dB''' angegeben. Die Dezibelskala ist logarithmisch. Gleiche Schritte auf der dB-Skala bedeuten deshalb keine gleichen Schritte der Schallamplitude.

Für den Schalldruckpegel kann in vereinfachter Form geschrieben werden:

<math>L_p = 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)</math>

Dabei ist <math>p</math> der Effektivwert des Schalldrucks und <math>p_0 = 20\,\mathrm{\mu Pa}</math> der Bezugsschalldruck in Luft. Für den Einstieg reicht die wichtige Aussage: '''Mehr Dezibel bedeuten einen höheren Schallpegel, aber die Skala wächst nicht linear.'''

{{BR}}
== Tonhöhe und Lautstärke sind unabhängig ==

Tonhöhe und Lautstärke beschreiben verschiedene Eigenschaften eines Schalls. Ein Ton kann hoch und leise, hoch und laut, tief und leise oder tief und laut sein.

{| class="wikitable" style="margin:auto"
! Tonhöhe
! Lautstärke
! Typisches Schwingungsbild
|-
| hoch
| leise
| viele Schwingungen, kleine Amplitude
|-
| hoch
| laut
| viele Schwingungen, große Amplitude
|-
| tief
| leise
| wenige Schwingungen, kleine Amplitude
|-
| tief
| laut
| wenige Schwingungen, große Amplitude
|}

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=7WR5-502Id0 |500|center}}

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== Wahrnehmung durch das Ohr ==

Physikalische Messwerte und Höreindruck sind nicht identisch. Die wahrgenommene Tonhöhe richtet sich bei einfachen Tönen vor allem nach der Frequenz. Bei Klängen mit mehreren Teiltönen spielt besonders die Grundfrequenz eine wichtige Rolle.

Auch die empfundene Lautstärke hängt nicht allein vom Schalldruckpegel ab. Das menschliche Ohr reagiert auf manche Frequenzbereiche empfindlicher als auf andere. Deshalb können zwei Töne mit gleichem Pegel unterschiedlich laut wirken. Kurven gleicher Lautstärkeempfindung heißen [[Isophone]].

[[Datei:Isophone.svg|500px|rahmenlos|center]]

Der typische Hörbereich junger Menschen liegt ungefähr zwischen 20 Hz und 20 000 Hz. Er ist individuell verschieden und verändert sich unter anderem mit dem Alter. Frequenzen unterhalb des Hörbereichs heißen [[Infraschall]], Frequenzen oberhalb des Hörbereichs [[Ultraschall]].

[[Datei:Animal hearing frequency range.svg|500px|rahmenlos|center]]

Sehr lauter oder lang anhaltender Schall kann das Gehör schädigen. Deshalb sind Abstand, Pausen und geeigneter [[Gehörschutz]] wichtig.

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== Schall sichtbar machen und messen ==

Ein [[Mikrofon]] wandelt Druckschwankungen in ein elektrisches Signal um. Ein [[Oszilloskop]] oder eine geeignete Messsoftware kann dieses Signal als Kurve darstellen.

In einem Zeitdiagramm kannst Du erkennen:

# Der Abstand zwischen zwei gleichen Stellen der Kurve zeigt die Periodendauer.
# Viele Perioden in derselben Zeit bedeuten eine hohe Frequenz.
# Eine große Auslenkung der Kurve bedeutet eine große Signalamplitude.
# Die Form der Kurve hilft dabei, Ton, Klang und Geräusch zu unterscheiden.

[[Datei:Sound waves from a SG on a 'scope.png|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:CPT-Sound-ADC-DAC.svg|500px|rahmenlos|center]]

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== Einfache Experimente ==

'''Sicherheit:''' Erzeuge keine sehr lauten Töne direkt am Ohr. Halte bei Lautsprechern Abstand und beginne immer mit niedriger Lautstärke.

# [[Linealversuch]]: Lasse ein Lineal unterschiedlich weit über eine Tischkante ragen und zupfe es an. Eine kürzere freie Länge schwingt meist schneller und erzeugt einen höheren Ton.
# [[Gummibandversuch]]: Spanne ein Gummiband unterschiedlich stark. Eine stärkere Spannung führt meist zu einer höheren Frequenz. Ein kräftigeres Anzupfen vergrößert vor allem die Amplitude.
# [[Stimmgabelversuch]]: Schlage eine Stimmgabel vorsichtig an und halte sie über Wasser. Kleine Spritzer zeigen die Schwingung der Zinken.
# [[Schall sichtbar machen]]: Spanne Folie über eine Schüssel und lege wenige Reiskörner darauf. Ein naher, nicht zu lauter Ton kann die Körner bewegen.
# [[Oszilloskopvergleich]]: Nimm denselben Ton einmal leise und einmal lauter auf. Vergleiche die Amplitude, ohne die Frequenz zu verändern.

[[Datei:PSM V13 D055 Tuning fork and sound vibration.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=KkAyfK2IDZ0 |500|center}}

{{BR}}
== Merksätze ==

# '''Frequenz bestimmt vor allem die Tonhöhe.'''
# '''Amplitude und Schalldruck beeinflussen die Stärke des Schalls.'''
# '''Dezibel beschreibt einen logarithmischen Pegel.'''
# '''Der Höreindruck hängt auch vom menschlichen Ohr ab.'''
# '''Tonhöhe und Lautstärke können unabhängig voneinander verändert werden.'''

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

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

{{MC}}

'''Welche Bewegung erzeugt Schall?'''
(Eine Schwingung)
(!Eine gleichförmige Geradeausbewegung)
(!Eine dauerhafte Ruhe)
(!Eine reine Erwärmung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Größe bestimmt bei einem reinen Ton vor allem die Tonhöhe?'''
(Die Frequenz)
(!Die Masse des Zuhörers)
(!Die Farbe der Schallquelle)
(!Die Raumtemperatur allein)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''In welcher Einheit wird die Frequenz angegeben?'''
(Hertz)
(!Dezibel)
(!Pascal pro Meter)
(!Newtonsekunde)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie hängen Frequenz und Periodendauer zusammen?'''
(Sie sind umgekehrt proportional)
(!Sie sind immer gleich groß)
(!Sie sind unabhängig)
(!Sie wachsen stets gemeinsam)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bewirkt bei gleicher Frequenz meist eine größere Amplitude?'''
(Einen stärkeren Schall)
(!Einen höheren Ton)
(!Einen tieferen Ton)
(!Eine längere Periodendauer)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zur Dezibelskala ist richtig?'''
(Sie ist logarithmisch)
(!Sie ist eine Längenskala)
(!Sie misst ausschließlich die Tonhöhe)
(!Sie hat keine Einheit)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was zeigt ein Oszilloskop im Akustikversuch?'''
(Ein elektrisches Signal als Kurve)
(!Die Farbe des Tons)
(!Die Masse der Luft)
(!Die Temperatur des Ohrs)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Kann ein hoher Ton leise sein?'''
(Ja, Tonhöhe und Lautstärke sind verschieden)
(!Nein, hohe Töne sind immer laut)
(!Nein, nur tiefe Töne können leise sein)
(!Ja, aber nur im Vakuum)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum können gleiche Schallpegel unterschiedlich laut wirken?'''
(Das Ohr reagiert auf Frequenzen unterschiedlich empfindlich)
(!Die Frequenz hat niemals Einfluss auf die Wahrnehmung)
(!Dezibel misst nur die Tonhöhe)
(!Jeder Mensch hört alle Frequenzen gleich)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Maßnahme schützt das Gehör?'''
(Abstand und Hörpausen)
(!Lautsprecher direkt ans Ohr halten)
(!Die Lautstärke schrittweise erhöhen)
(!Gehörschutz bei Lärm abnehmen)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Frequenz || Anzahl der Schwingungen pro Sekunde
|-
| Amplitude || Maximale Auslenkung aus der Ruhelage
|-
| Hertz || Einheit für Schwingungen je Sekunde
|-
| Periodendauer || Zeit für einen vollständigen Ablauf
|-
| Dezibel || Einheit eines Schallpegels
|-
| Stimmgabel || Schallquelle mit nahezu reinem Ton
|-
| Oszilloskop || Gerät zur Darstellung elektrischer Signale
|-
| Isophone || Kurve gleicher Lautstärkeempfindung
|}
{{E}}
<br>

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

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Hohe Frequenz'''
| hoher Ton
|-
| '''Niedrige Frequenz'''
| tiefer Ton
|-
| '''Große Amplitude'''
| starker Schall
|-
| '''Kleine Amplitude'''
| schwacher Schall
|-
| '''Kurze Periodendauer'''
| schnelle Schwingung

|}
{{E}}

<br>
...
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Frequenz || Welche Größe bestimmt bei einem reinen Ton vor allem die Tonhöhe?
|-
| Amplitude || Welche Größe beschreibt die maximale Auslenkung?
|-
| Hertz || Wie heißt die Einheit der Schwingungen pro Sekunde?
|-
| Dezibel || Wie heißt die Einheit des Schallpegels?
|-
| Stimmgabel || Welches Gerät erzeugt einen nahezu reinen Ton?
|-
| Schwingung || Wie heißt eine sich wiederholende Bewegung um eine Ruhelage?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Tonhöhe+und+Lautstärke+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Die { Frequenz } gibt die Zahl der Schwingungen pro Sekunde an. Ihre Einheit heißt { Hertz }. Die Zeit für eine vollständige Schwingung nennt man { Periodendauer }. Eine größere { Amplitude } bedeutet bei vergleichbaren Tönen meist einen stärkeren Schall. Ein Ton mit größerem Schalldruck wird im Allgemeinen { lauter } wahrgenommen. Der Schallpegel wird häufig in { Dezibel } angegeben. Ein { Oszilloskop } stellt ein elektrisches Signal als Kurve dar. Tonhöhe und Lautstärke können { unabhängig } voneinander verändert werden. Das menschliche Gehör arbeitet { frequenzabhängig }. Bei starkem Lärm schützt geeigneter { Gehörschutz }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Schwingendes Lineal]]: Führe den Linealversuch mit zwei freien Längen durch und beschreibe, bei welcher Länge der Ton höher ist.
# [[Wellenbilder zeichnen]]: Zeichne je ein Schwingungsbild für einen hohen leisen, einen hohen lauten, einen tiefen leisen und einen tiefen lauten Ton.
# [[Geräuschetagebuch]]: Sammle fünf Alltagsgeräusche und ordne sie nach hoher oder tiefer Tonlage sowie leiser oder lauter Wirkung.
# [[Merksatzplakat]]: Gestalte ein Plakat mit den Begriffen Frequenz, Periodendauer, Amplitude und Dezibel.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Gummiband-Untersuchung]]: Untersuche getrennt, wie Spannung und Stärke des Anzupfens den Ton verändern. Halte Deine Beobachtungen in einer Tabelle fest.
# [[Audioanalyse]]: Nimm einen möglichst gleichbleibenden Ton leise und lauter auf und vergleiche die dargestellten Kurven. Beachte Datenschutz und Lautstärkeschutz.
# [[Erklärvideo Akustik]]: Produziere ein kurzes Video, das mit zwei selbst gezeichneten Kurven den Unterschied zwischen Frequenz und Amplitude erklärt.
# [[Instrumentenvergleich]]: Vergleiche zwei Musikinstrumente und erkläre, wie sie Tonhöhe und Lautstärke verändern.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Abstandsversuch]]: Plane eine Untersuchung dazu, wie sich ein gemessener Schallpegel mit wachsendem Abstand von einer Quelle verändert. Begründe die nötigen Kontrollvariablen.
# [[Isophone auswerten]]: Beschreibe anhand einer Kurve gleicher Lautstärkeempfindung, warum tiefe und sehr hohe Töne oft einen größeren Pegel benötigen.
# [[Akustik-Interview]]: Befrage eine Fachperson aus Musik, Tontechnik, Medizin oder Arbeitsschutz zur Bedeutung von Frequenz, Pegel und Gehörschutz.
# [[Eigener Akustik-MOOC]]: Entwickle eine kurze digitale Lerneinheit mit Experiment, Erklärung, Diagramm und Selbsttest.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Diagrammanalyse]]: Zwei Schwingungsbilder besitzen unterschiedliche Frequenzen und Amplituden. Erkläre, welches Bild zu welchem Höreindruck passt und begründe Deine Entscheidung.
# [[Variablen trennen]]: Beschreibe einen Versuch, bei dem nur die Frequenz verändert wird, während die Amplitude möglichst gleich bleibt.
# [[Alltagstransfer]]: Erkläre, wie ein Lautsprecher denselben Ton einmal leise und einmal laut erzeugen kann.
# [[Instrumentenphysik]]: Übertrage den Zusammenhang von Frequenz und Tonhöhe auf eine Saite oder Luftsäule und nenne zwei veränderbare Eigenschaften.
# [[Messwert und Wahrnehmung]]: Begründe, warum ein Schallpegelmessgerät und das menschliche Ohr nicht immer zum gleichen Lautstärkeeindruck führen.
# [[Gehörschutz-Konzept]]: Entwickle Regeln für eine Schulveranstaltung mit Musik und begründe jede Regel physikalisch.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

# die Entstehung und Ausbreitung von Schall verständlich erklärst,
# Frequenz, Periodendauer und Amplitude unterscheidest,
# die Beziehung <math>f = \frac{1}{T}</math> anwendest,
# Schwingungsdiagramme sicher liest und vergleicht,
# Tonhöhe und Lautstärke als verschiedene Eigenschaften beschreibst,
# die logarithmische Bedeutung der Dezibelskala grundlegend erklärst,
# Messwert und subjektiven Höreindruck voneinander unterscheidest,
# ein Experiment planst, auswertest und mögliche Fehler benennst,
# Regeln zum Schutz des Gehörs begründest.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Schall </iframe>

Passende Vertiefungen sind [[Tonhöhe]], [[Lautstärke]], [[Frequenz]], [[Amplitude]], [[Schalldruckpegel]], [[Schwingung]] und [[Akustik]].

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Tonhöhe und Lautstärke - Physik]]'''
# [[Schall]]
# [[Schwingung]]
# [[Frequenz]]
# [[Periodendauer]]
# [[Amplitude]]
# [[Schalldruck]]
# [[Schalldruckpegel]]
# [[Gehör]]
# [[Akustik]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Akustik]]
[[Kategorie:Schall]]
[[Kategorie:Physikunterricht]]
[[Kategorie:Klasse 5-6]]
[[Kategorie:Klasse 7-8]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]

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

Tonhöhe und Lautstärke - Physik - Versionsgeschichte

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