Schall - Physik
Schall - Physik
Einleitung
Schall begegnet Dir überall: beim Sprechen, in der Musik, im Straßenverkehr und beim Donner. In der Physik bezeichnet Schall mechanische Schwingungen, die sich in einem elastischen Stoff als Welle ausbreiten. Dieser Stoff heißt Medium. Luft ist ein Medium, aber auch Wasser, Holz, Metall oder eine gespannte Schnur können Schall übertragen.
Eine Schallquelle versetzt Teilchen in Schwingung. Die Teilchen wandern dabei nicht mit der Welle bis zu Deinem Ohr. Sie schwingen um ihre Ruhelage und geben die Störung an benachbarte Teilchen weiter. Dadurch werden Energie und Information übertragen.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie Schall entsteht, wie er sich ausbreitet, welche Größen eine Schallwelle beschreiben und wie das Ohr Schall wahrnimmt. Du untersuchst außerdem Echo, Resonanz, Dopplereffekt, Ultraschall und Lärmschutz.
Grundlagen des Schalls
Schallquelle, Medium und Empfänger
Jeder Schallvorgang lässt sich mit drei Bausteinen beschreiben:
- Schallquelle: Ein Körper schwingt, zum Beispiel eine Stimmgabel, eine Lautsprechermembran oder eine Saite.
- Medium: Ein elastischer Stoff überträgt die Schwingung.
- Schallempfänger: Ein System nimmt die Schwingung auf, zum Beispiel das Ohr oder ein Mikrofon.
Merke: Schall ist eine mechanische Welle. Deshalb kann er sich im Vakuum nicht ausbreiten. Licht und Funkwellen benötigen dagegen kein stoffliches Medium.
Schall als Longitudinalwelle
In Luft und Wasser breitet sich Schall meist als Longitudinalwelle aus. Die Teilchen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung. Dabei entstehen abwechselnd Verdichtungen mit erhöhtem Druck und Verdünnungen mit vermindertem Druck.
In Festkörpern können zusätzlich Transversalwellen auftreten. Für den schulischen Einstieg wird Luftschall meistens als Longitudinalwelle betrachtet.
Eine Stimmgabel als Schallquelle
Wird eine Stimmgabel angeschlagen, schwingen ihre Zinken. Sie drücken die Luftteilchen abwechselnd zusammen und ziehen sich wieder zurück. Ein Resonanzkasten kann den hörbaren Ton verstärken, weil eine größere Luftmenge und eine größere Fläche mitschwingen.
Größen einer Schallwelle
Frequenz und Periodendauer
Die Frequenz gibt an, wie viele vollständige Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz. Die Periodendauer ist die Zeit für eine vollständige Schwingung.
Eine hohe Frequenz wird meist als hoher Ton wahrgenommen, eine niedrige Frequenz als tiefer Ton.
Amplitude und Lautstärke
Die Amplitude beschreibt die größte Auslenkung einer Schwingung. Bei Schall in Luft betrachtet man häufig die Stärke der Druckschwankung. Größere Druckamplituden führen unter vergleichbaren Bedingungen zu einem stärkeren Lautstärkeeindruck.
Die wahrgenommene Lautstärke hängt jedoch auch von Frequenz, Dauer, Entfernung und Empfindlichkeit des Gehörs ab. Deshalb sind physikalischer Schallpegel und subjektive Lautstärke nicht genau dasselbe.
Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit
Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten gleicher Schwingungsphase, bei Luftschall zum Beispiel zwischen zwei Verdichtungen. Für jede Welle gilt:
Dabei ist die Schallgeschwindigkeit. Daraus folgt:
Bei gleicher Schallgeschwindigkeit besitzen hohe Frequenzen kurze Wellenlängen und tiefe Frequenzen lange Wellenlängen.
Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Medium und von seinem Zustand ab. In trockener Luft beträgt sie bei 20 °C ungefähr 343 m/s. In Wasser liegt sie ungefähr bei 1480 m/s, in Stahl je nach Sorte und Wellenart oft bei etwa 5000 m/s.
| Medium | Ungefähre Schallgeschwindigkeit |
|---|---|
| Luft bei 20 °C | 343 m/s |
| Wasser | 1480 m/s |
| Stahl | 5000 m/s |
Für Luft kann im schulischen Bereich näherungsweise gerechnet werden:
Dabei ist die Lufttemperatur in Grad Celsius.
Entfernung mit einem Echo bestimmen
Bei einem Echo legt der Schall den Weg zum Hindernis und wieder zurück. Deshalb wird durch zwei geteilt:
Beispiel: Kommt ein Echo nach 0,40 s zurück, liegt die Wand bei ungefähr 68,6 m entfernt.
Hörbereich und Schallarten
Hörbereich des Menschen
Ein junger gesunder Mensch kann ungefähr Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 000 Hz hören. Die Grenzen unterscheiden sich von Person zu Person und verändern sich mit dem Alter.
| Bereich | Frequenz | Beispiel |
|---|---|---|
| Infraschall | unter 20 Hz | sehr langsame Druckschwankungen |
| Hörschall | ungefähr 20 Hz bis 20 kHz | Sprache und Musik |
| Ultraschall | über 20 kHz | medizinische Bildgebung und Abstandssensoren |
Ton, Klang, Geräusch und Knall
| Schallart | Kennzeichen |
|---|---|
| Ton | nahezu sinusförmige, regelmäßige Schwingung |
| Klang | regelmäßige Überlagerung aus Grundton und Obertönen |
| Geräusch | unregelmäßige Mischung vieler Frequenzen |
| Knall | sehr kurze und starke Druckänderung |
Musikinstrumente können dieselbe Tonhöhe spielen und trotzdem verschieden klingen. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Obertönen und im zeitlichen Verlauf des Schalls.
Schall sichtbar und messbar machen
Schall ist unsichtbar, seine Wirkung lässt sich aber beobachten. Eine Membran kann durch Schall in Schwingung geraten. Salz- oder Reiskörner auf einer gespannten Folie bewegen sich, wenn die Folie angeregt wird. Ein Mikrofon wandelt Druckschwankungen in ein elektrisches Signal um, das auf einem Oszilloskop oder in einer Mess-App dargestellt werden kann.
Sicherheit: Erzeuge keine sehr lauten Töne direkt am Ohr. Bei Experimenten mit Lautsprechern genügt eine geringe Lautstärke.
Reflexion, Absorption und Beugung
Trifft Schall auf eine Grenzfläche, können mehrere Vorgänge gleichzeitig auftreten:
- Reflexion: Ein Teil des Schalls wird zurückgeworfen. So entsteht ein Echo.
- Absorption: Ein Teil der Schallenergie wird im Material in Wärme umgewandelt.
- Transmission: Ein Teil gelangt durch das Material hindurch.
- Beugung: Schall breitet sich hinter Kanten und durch Öffnungen weiter aus. Tiefe Töne werden wegen ihrer längeren Wellenlänge oft stärker um Hindernisse gebeugt.
Weiche, poröse Materialien können Schall gut absorbieren. Harte, glatte Flächen reflektieren ihn meist stärker. Diese Zusammenhänge sind für Raumakustik, Konzertsäle und Lärmschutz wichtig.
Resonanz und stehende Wellen
Ein schwingungsfähiges System besitzt eine oder mehrere Eigenfrequenzen. Wird es passend angeregt, kann die Amplitude stark anwachsen. Dieses Mitschwingen heißt Resonanz.
In Rohren können reflektierte Wellen mit neu eintreffenden Wellen interferieren. Bei passenden Frequenzen entstehen stehende Wellen mit Knoten und Bäuchen. Das ist wichtig für Flöten, Orgelpfeifen und andere Blasinstrumente.
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Die Rubensche Röhre macht ein stehendes Schallmuster mit Flammen sichtbar. Sie ist ausschließlich eine beaufsichtigte Demonstration für Fachräume und kein Versuch zum Nachbauen.
Dopplereffekt
Bewegen sich Schallquelle und Empfänger relativ zueinander, verändert sich die wahrgenommene Frequenz. Nähert sich die Quelle, treffen die Wellenfronten in kürzeren Abständen ein und der Ton wirkt höher. Entfernt sich die Quelle, wirkt er tiefer. Dieses Phänomen heißt Dopplereffekt.
Ein bekanntes Beispiel ist die Sirene eines vorbeifahrenden Einsatzfahrzeugs. Der Dopplereffekt wird auch in Medizin, Verkehrsmessung und Astronomie genutzt.
Das Ohr als Schallempfänger
Die Ohrmuschel sammelt Schall und leitet ihn durch den Gehörgang zum Trommelfell. Die Gehörknöchelchen übertragen die Schwingung in das Innenohr. In der Hörschnecke werden mechanische Schwingungen in elektrische Nervensignale umgewandelt. Das Gehirn verarbeitet diese Signale zu Höreindrücken.
Das Gehör ist empfindlich. Sehr hohe Schallpegel oder lange Lärmbelastung können Haarzellen im Innenohr dauerhaft schädigen.
Schallpegel und Lärmschutz
Der Schalldruckpegel wird in Dezibel angegeben. Die Dezibelskala ist logarithmisch. Eine Erhöhung um 10 dB entspricht einer Verzehnfachung der Schallintensität.
Für den Schalldruckpegel gilt:
Dabei ist der Bezugsschalldruck in Luft.
Schütze Dein Gehör, indem Du Abstand zu lauten Quellen hältst, die Einwirkungszeit verringerst und geeigneten Gehörschutz verwendest. Kopfhörer sollten nicht unnötig laut eingestellt werden.
Anwendungen von Schall
- Medizinischer Ultraschall: Innere Strukturen werden mithilfe reflektierter Ultraschallwellen untersucht.
- Sonar: Entfernungen und Objekte unter Wasser werden über Laufzeiten bestimmt.
- Mikrofon und Lautsprecher: Schall wird in elektrische Signale und wieder zurück umgewandelt.
- Musikinstrument: Resonanzräume und stehende Wellen formen Tonhöhe und Klang.
- Lärmschutz: Absorption, Abschirmung und Abstand verringern Belastungen.
- Echolot: Wassertiefe und Fischschwärme werden über reflektierte Schallimpulse erfasst.
Zusammenfassung
Schall ist eine mechanische Welle und benötigt ein Medium. In Luft breitet er sich als Longitudinalwelle aus. Frequenz, Amplitude, Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit beschreiben die Welle. Reflexion erzeugt Echos, Resonanz verstärkt Schwingungen und Relativbewegung führt zum Dopplereffekt. Das Ohr wandelt Schall in Nervensignale um und muss vor zu hoher Lärmbelastung geschützt werden.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist Schall aus physikalischer Sicht? (Eine mechanische Welle in einem Medium) (!Ein ruhendes elektrisches Feld) (!Eine chemische Reaktion) (!Eine Form von sichtbarem Licht)
Warum kann sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten? (Weil dort kein stoffliches Medium vorhanden ist) (!Weil das Vakuum Schall vollständig reflektiert) (!Weil die Frequenz im Vakuum null wird) (!Weil dort nur tiefe Töne möglich sind)
In welcher Einheit wird die Frequenz angegeben? (Hertz) (!Pascal) (!Meter) (!Sekunde)
Wie verändert sich die Tonhöhe bei steigender Frequenz? (Sie wird höher) (!Sie wird tiefer) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie verschwindet vollständig)
Welche Gleichung verbindet Schallgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz? (c gleich Lambda mal f) (!c gleich f durch Lambda) (!c gleich Lambda plus f) (!c gleich Lambda minus f)
Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20 Grad Celsius ungefähr? (343 Meter pro Sekunde) (!34 Meter pro Sekunde) (!3000 Meter pro Sekunde) (!300000 Kilometer pro Sekunde)
Welcher Vorgang verursacht ein Echo? (Reflexion) (!Verdampfung) (!Magnetisierung) (!Kernspaltung)
Welcher Frequenzbereich wird als Ultraschall bezeichnet? (Frequenzen über 20 Kilohertz) (!Frequenzen unter 20 Hertz) (!Nur Frequenzen bei 440 Hertz) (!Alle hörbaren Frequenzen)
Welcher Teil des Ohres wird durch eintreffenden Schall zuerst deutlich in Schwingung versetzt? (Das Trommelfell) (!Der Sehnerv) (!Die Netzhaut) (!Die Nasenscheidewand)
Welche Maßnahme schützt das Gehör? (Abstand zu lauten Schallquellen vergrößern) (!Kopfhörer immer lauter stellen) (!Gehörschutz bei Lärm vermeiden) (!Lärm möglichst lange einwirken lassen)
Memory
| Schallquelle | schwingender Körper |
| Frequenz | Schwingungen pro Sekunde |
| Amplitude | größte Auslenkung |
| Wellenlänge | Abstand gleicher Schwingungsphasen |
| Resonanz | starkes Mitschwingen |
| Echo | reflektierter Schall |
| Ultraschall | Frequenz oberhalb des Hörbereichs |
| Dopplereffekt | Frequenzänderung durch Relativbewegung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Tonhöhe | Frequenz |
| Lautstärkeeindruck | Schalldruckamplitude |
| Schallausbreitung | Medium |
| Echo | Reflexion |
| Schalldämpfung | Absorption |
| Verstärkung bei Eigenfrequenz | Resonanz |
...
Kreuzworträtsel
| Akustik | Wie heißt die Lehre vom Schall? |
| Frequenz | Welche Größe gibt Schwingungen pro Sekunde an? |
| Amplitude | Wie heißt die größte Auslenkung einer Schwingung? |
| Resonanz | Wie heißt starkes Mitschwingen bei passender Anregung? |
| Ultraschall | Wie heißt Schall oberhalb des menschlichen Hörbereichs? |
| Reflexion | Welcher Vorgang erzeugt ein Echo? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Schalltagebuch: Notiere einen Tag lang fünf verschiedene Schallquellen. Ordne jede Quelle als Ton, Klang, Geräusch oder Knall ein.
- Schwingungsskizze: Zeichne zwei Wellenbilder mit gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Amplitude. Erkläre den Unterschied.
- Bechertelefon: Baue ein Schnurtelefon aus zwei Bechern und einer Schnur. Untersuche, wann die Übertragung besonders gut funktioniert.
- Klangvergleich: Nimm denselben Ton mit zwei unterschiedlichen Instrumenten oder Alltagsgegenständen auf und beschreibe die Klangunterschiede.
Standard
- Schall sichtbar machen: Spanne Folie über eine Schüssel, lege wenige Reiskörner darauf und beobachte ihre Bewegung bei einem leisen Ton. Dokumentiere Deinen Aufbau.
- Echo-Untersuchung: Suche einen geeigneten Ort mit deutlicher Reflexion. Miss die Echozeit und schätze die Entfernung zur Wand.
- Dämmstoffvergleich: Vergleiche mehrere Materialien darauf, wie gut sie einen leisen Ton abschwächen. Halte Abstand und Lautstärke konstant.
- Instrumentenprofil: Erkläre an einem Musikinstrument, wodurch Schwingung, Resonanzraum, Tonhöhe und Klang entstehen.
Schwer
- Schallgeschwindigkeit messen: Entwickle einen Versuch zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit, führe mehrere Messungen durch und bestimme die Messunsicherheit.
- Resonanz erforschen: Untersuche die Resonanz einer Flasche oder eines Rohres bei verschiedenen Luftsäulenlängen und erkläre das Ergebnis.
- Lärmkarte der Schule: Miss an mehreren Orten ausschließlich mit ungefährlichen Pegeln, erstelle eine Karte und entwickle begründete Vorschläge zur Lärmminderung.
- Erklärvideo Schall: Produziere ein kurzes Lernvideo, das Schallquelle, Medium, Frequenz, Amplitude und eine Anwendung anschaulich verbindet.
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Lernkontrolle
- Schall im Weltraum: Begründe, warum eine Explosion im Weltraum außerhalb eines Raumschiffs nicht direkt hörbar ist, obwohl sie sichtbar sein kann.
- Gewitterentfernung: Zwischen Blitz und Donner liegen 6,0 Sekunden. Berechne die ungefähre Entfernung des Gewitters und nenne eine Annahme Deiner Rechnung.
- Instrumentenklang: Zwei Instrumente spielen denselben Grundton. Erkläre, warum sie trotzdem unterschiedlich klingen.
- Raumakustik: Ein Klassenraum hallt stark. Entwickle zwei bauliche Maßnahmen und begründe sie mit Reflexion und Absorption.
- Doppler im Alltag: Erkläre die Tonhöhenänderung einer vorbeifahrenden Sirene aus Sicht einer ruhenden Person.
- Hörschutzkonzept: Entwickle für eine Schulveranstaltung ein Konzept, das Abstand, Einwirkungsdauer und Schallpegel berücksichtigt.
Lernnachweis
Für einen gelungenen Lernnachweis solltest Du:
- die Entstehung und Ausbreitung von Schall mit Quelle, Medium und Empfänger erklären,
- Frequenz, Periodendauer, Amplitude und Wellenlänge unterscheiden,
- mit einfache Aufgaben lösen,
- Laufzeiten und Echoentfernungen berechnen,
- Reflexion, Absorption, Resonanz und Dopplereffekt an Beispielen erläutern,
- den Weg des Schalls durch das Ohr beschreiben,
- Messungen nachvollziehbar planen, dokumentieren und auswerten,
- begründete Maßnahmen zum Schutz vor Lärm entwickeln.
OERs zum Thema
Weitere freie Lernangebote
- LEIFIphysik: Schall, Schallquellen und Schallempfänger
- DLR_next: Lernmodul Schall
- Planet Schule: Wie breitet sich Schall aus?
- Wikimedia Commons: Medien zu Schallwellen
Verknüpfte Lernbereiche
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