Neuhold - JKU
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Akustik<br />
Vorwiegend 2.Klasse<br />
Schulversuchspraktikum im WS 2001/02<br />
<strong>Neuhold</strong> Christoph 9756805<br />
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INHALTSVERZEICHNIS<br />
1. Einleitung<br />
1.1 Lernziele<br />
1.2 Quellen<br />
2. Versuche<br />
2.1 Entstehung des Schalls<br />
2.1.1 Schwingendes Lineal<br />
2.1.2 Spritzendes Wasser<br />
2.1.3 Verrußte Platte<br />
2.2 Ausbreitung des Schalls und Schallgeschwindigkeit<br />
2.2.1 Dosentelephon<br />
2.2.2 Kundt’sche Röhre<br />
2.3 Schallwellen<br />
2.3.1 Lochsirene I<br />
2.3.2 Lochsirene II<br />
2.3.3 Resonanz<br />
2.4 Zweidimensionale Schallquellen<br />
2.4.1 Chladnische Figuren<br />
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1. Einleitung<br />
Akustik ist bereits Stoffgebiet der 2. Klasse. Es kommt lehrplanmäßig am Ende dieser<br />
Schulstufe vor und wird unter dem Kapitel „Schall und Lärmschutz“ beigebracht. Es soll<br />
erreicht werden, nachdem der Begriff Druck -laut Lehrplan - bereits eingeführt worden ist,<br />
Schall als Druckausbreitung zu verstehen.<br />
Meines Erachtens ist es in diesem Stoffgebiet besonders wichtig, dass für dieses alltägliche<br />
Thema (wir klopfen auf den Tisch, wir pfeifen mit den Fingern, mit der Gitarre kann man<br />
unterschiedliche Töne erzeugen) nach dem Unterricht den Schülern Antworten für ganz<br />
normale Situationen zur Verfügung stehen. Sie sollen auch Verständnis für Lautstärke<br />
(warum ist es lauter, wenn ich fester auf den Tisch klopfe) entwickeln.<br />
Die Geschwindigkeit des Schalls soll ihnen ein Begriff werden (ich sehe den Mann hämmern,<br />
doch höre ich den Schlag erst später) und so sollen sich die Schüler somit wieder eine<br />
alltägliche Erfahrung erklären können.<br />
Der Zusammenhang Tonhöhe – Frequenz im Zusammenhang mit Schall als Welle gehört<br />
genauso zu den alltäglichen Bereichen (Musikschule,...) mit der Komponente des<br />
physikalisch-wissenschaftlichen Ausdruckes.<br />
Zusammenfassend soll in diesem Kapitel der Alltag den Schülern erklärt werden, mit dem<br />
Wunsch des Verständnisses für tagtägliche Ausnutzung dieses Wissens.<br />
1.1 Lernziele:<br />
Stofflicher Natur:<br />
- Schall als Druckausbreitung<br />
- Entstehung des Schalls<br />
- Ausbreitung des Schalls<br />
- Schallwellen<br />
- Tonhöhe und Frequenz<br />
Alltäglicher Natur:<br />
- Erklärung vieler täglicher Phänomene<br />
- Anwendung im täglichen Leben<br />
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1.2 Quellen:<br />
- Mappe Schulversuchspraktikum<br />
- Physik 2 (Gollenz-Konrad-Breuer)<br />
- Physik 2 (Sexl-Raab-Streeruwitz)<br />
- Physik Tipler<br />
2. Versuche:<br />
Es werden hier im folgenden 9 verschiedene Versuche vorgestellt, die ich in 4 verschiedene<br />
Bereiche gegliedert habe. Es beginnt mit der Entstehung des Schalls, wobei man diesen Teil<br />
auch ruhig mit Schallerreger betiteln könnte, weiters Ausbreitung des Schalls inklusive<br />
Schallgeschwindigkeit. Der dritte Bereich nennt sich Schallwellen in dem auch Tonhöhe –<br />
Frequenz, sowie Resonanz vorgestellt werden.<br />
Dem vierten Bereich, den Chladnischen Figuren, widmete ich ebenfalls ein ganzes Kapitel,<br />
genannt zweidimensionale Schallquellen.<br />
2.1 Entstehung des Schalls:<br />
Diese Versuche haben das Ziel zu veranschaulichen, dass ein hinreichend stark und rasch<br />
schwingender Körper zu einem Schallerreger wird und dass die Schwingungsweite/Amplitude<br />
für die Lautstärke verantwortlich ist.<br />
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2.1.1 Schwingendes Lineal:<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Lineal<br />
- Ev. Schraubstock (ansonsten Handballen)<br />
Man spannt das Lineal in einen Schraubstock – ohne dieses Werkzeug presst man es mit<br />
dem Handballen fest auf den Tisch – und bring es einmal stärker einmal weniger stark zum<br />
Schwingen<br />
Abbildung(en): aufgrund der Einfachheit wurde hiervon keine Aufnahme gemacht<br />
Ergebnisse:<br />
Das Lineal schwingt regelmäßig auf und ab und erzeugt so einen Ton, verkleinert man die<br />
Auslenkung ist dieser Ton leiser.<br />
Erklärung:<br />
Der Körper, in diesem Fall das Lineal, schwingt hinreichend stark und schnell und dient<br />
somit als Schallerreger. Die Lautstärke ist von der Schwingungsweite abhängig.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Im Gegensatz zum Ton beruht ein Geräusch auf nicht regelmäßigen Schwingungen.<br />
Aufpassen, dass das Lineal nicht bricht!<br />
Dieser Versuch ist ob seiner Einfachheit und der Tatsache, dass beinahe 100 % der Schüler<br />
dies in langweiligen Unterrichtsstunden oder sonst wo bereits praktizierten eine sehr gut<br />
Möglichkeit ein erstes Wissen für Entstehung des Schalls und Lautstärke zu vermitteln.<br />
Man kann diesen Versuch auch bei der Einführung zur Tonhöhe bringen, da die Tonhöhe nur<br />
von der Frequenz abhängt und man somit beim Schwingenlassen eines kürzeren Teils des<br />
Lineals höhere töne erzielen kann.<br />
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2.1.2 Spritzendes Wasser:<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Stimmgabel<br />
- Glas gefüllt mit Wasser<br />
Man schlägt die Stimmgabel an und hält es leicht auf die Wasseroberfläche.<br />
Abbildung(en):<br />
Ergebnisse:<br />
Wir hören einen Ton und sehen Wasser wegspritzen.<br />
Erklärung:<br />
Die Zinken der Stimmgabel führen Schwingungen aus, die durch das spritzende Wasser<br />
angezeigt werden und sie dient als Schallerreger.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
a.<br />
Stimmgabeln schwingen stets mit einer Frequenz von 440 Hz, dem sogenannten Kammerton<br />
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Man darf die Stimmgabel nur ganz leicht auf die Oberfläche halten, ansonsten das Spritzen<br />
nicht wirklich zu Vorschein kommt.<br />
Dieser Versuch dient wieder sehr gut der Veranschaulichung von Schwingung als<br />
Schallerreger.<br />
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2.1.3 Verrußte Platte:<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Stimmgabel mit Schreibspitze an einer Zinken<br />
- Verrußte Glasplatte<br />
- Zur Veranschaulichung vor Klasse: Overheadprojektor<br />
Wir schlagen die Stimmgabel an und führen diese über eine verrußte Glasplatte.<br />
Abbildung(en):<br />
Ergebnisse:<br />
Die Schreibspitze zeichnet auf der Platte ein Bild der Schwingungen<br />
Erklärung:<br />
siehe Versuch zuvor<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Man setze nur sanft auf und ziehe langsam über die Platte hinweg. So bekommt man ein<br />
gutes Bild.<br />
Dieser Versuch ist praedestiniert auf dem Overhead vorgeführt zu werden.<br />
Eine weiterführende Veranschaulichung des vorhergehenden Versuches.<br />
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2.2 Ausbreitung des Schalls und Schallgeschwindigkeit:<br />
Hier soll vorgestellt werden, dass sich der Schall sowohl in festen, als auch in flüssigen, als<br />
auch in gasförmigen ausbreitet und die Schallgeschwindigkeit 340 m/s beträgt.<br />
Hierzu zwei Versuche: das Dosentelephon, zur Veranschaulichung der Ausbreitung des<br />
Schalls in festen Stoffen (gasförmig bedarf keiner Erklärung, flüssig ist ein bisschen<br />
schwierig) und die Kundt’sche Röhre, die allerdings nicht Stoff der 2. Klasse ist, jedoch zur<br />
Messung der Schallgeschwindigkeit hervorragend.<br />
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2.2.1 Dosentelephon<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- 2 Joghurtbecher<br />
- Schnur (von zumindest 2m Lange)<br />
An den Enden der Schnur wird jeweils ein Becher befestigt. Bei gespannter Schnur spricht<br />
einer leise in den Becher, wobei ein anderer den zweiten Becher an sein Ohr hält.<br />
Abbildung(en):<br />
Ergebnisse:<br />
Trotzdem der eine sehr leise spricht, kann der zweite das Gesprochene verstehen.<br />
Erklärung:<br />
Der Schall pflanzt sich auch in festen Materialien fort, in unserem Fall die Schnur und somit<br />
ist es dem zweiten möglich etwas zu hören.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Ob ein Stoff gut oder schlecht leitet häng von seinem elastischen Verhalten ab, so leitet Luft,<br />
Wasser, Stahl den Schall gut, wobei Wolle Schaumstoff, Sand schlecht leitet. Daher muß der<br />
Faden gespannt sein.<br />
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Man kann bei diesem Versuch auch eine Abhöreinrichtung einbauen, wobei der selbe Aufbau<br />
ein zweites Mal benötigt wird. Zum Abhören spanne man einfach die beiden Vorrichtung<br />
übereinander.<br />
Ein wiederum sehr einfacher Versuch, der von vielen Kindern zu Hause vermutlich schon<br />
ausprobiert wurde und sich daher ideal als Mittel zur physikalischen Erklärung eignet.<br />
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2.2.2 Kundt’sche Röhre<br />
Materialien: - Kundt’sche Röhre<br />
Versuch:<br />
- Korkmehl<br />
- Tongenerator<br />
- Maßband<br />
Man verwendet einen Tongenerator und stellt ihn auf eine gewisse Frequenz. Das Korkmehl<br />
verteilt sich.<br />
Abbildungen:<br />
Ergebnisse:<br />
Der Ton wird verstärkt und das Korkmehl verteilt sich.<br />
Erklärung:<br />
Vom Stabende läuft eine Schallwelle ins Glasrohr und wird durch Reflexion hin und<br />
hergeworfen. Hat die eingeschlossene Luftsäule eine passende Länge – durch leichtes<br />
Verschieben des Stabes lässt sich dies stets leicht erreichen -, so wird die Luft zu kräftigen<br />
Eigenschwingungen angeregt.Der Schall erzeugt in der Röhre eine stehende Welle. An den<br />
Schwingungsknoten sammelt sich das Mehl, an den Schwingungsbäuchen wird es<br />
auseinandergeblasen.<br />
Der Abstand zwischen zwei Bäuchen kann gemessen werden, er beträgt lambda/2, die<br />
Frequenz kann abgelesen werden und durch die Formel c=lambda*f ergibt sich die<br />
Schallgeschwindigkeit zu 340 m/s.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Man benutze frisches Korkmehl und hoffe, dass die Röhre noch nicht zu sehr klebt.<br />
Man kann mit einer ähnlichen Anordnung auch die Schallgeschwindigkeit von Stoffen<br />
messen.<br />
Dieser Versuch ist wie bereits erwähnt nicht 2.Klasse tauglich und setzt das Wissen von<br />
Schallwellen voraus, doch war es mir wichtig beim Thema Schallausbreitung ein Verfahren<br />
zur Messung der Schallgeschwindigkeit vorzuführen.<br />
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2.3 Schallwellen – Tonhöhe und Frequenz<br />
In diesem Abschnitt der Versuche soll klar werden, dass der Schall eine Welle ist, die sich in<br />
Form von Verdichtungen und Verdünnungen an ihre Nachbarn nach allen Richtungen<br />
ausbreiten. Diese Druckausbreitung soll weiter veranschaulicht werden und außerdem sollen<br />
die Tonhöhen als reine Unterschiede der Frequenzen vorgestellt werden.<br />
Das Phänomen Resonanz wird auch vorgeführt.<br />
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2.3.1 Lochsirene Teil I<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Lochscheibe<br />
- Drehbare Halterung (motor- oder handbetrieben)<br />
- Luftstrahl<br />
Ein Luftstrom wird gegen eine gleichmäßig rotierend Lochscheibe gehalten.<br />
Abbildung(en):<br />
Ergebnisse:<br />
Wir hören einen Ton.<br />
Erklärung:<br />
Der Luftstrom wird von der rotierenden Lochscheibe abwechselnd durchgelassen oder<br />
aufgehalten. Gelangt er auf ein Loch so wird auf der Rückseite der Scheibe die Luft<br />
verdichtet. Wird der Luftstrom aber durch die Scheibe unterbrochen, folgt hinter der Scheibe<br />
auf die Verdichtung ein Verdünnung der Luft. Dieselbe Prozedur beim nächsten Loch.<br />
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Diese Stöße werden von den Luftteilchen an ihre Nachbarn weitergegeben und solch ein<br />
Ausbreitung nach allen Richtungen wird als Welle bezeichnet.<br />
Es pflanzen sich also nur die Aufeinanderfolgenden Verdichtungen und Verdünnungen fort,<br />
die an unserem Ohr eine Schallempfindung bewirken.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
An dieser Stelle sollte nun zusammengefasst werden: Die im Ohr gemachten<br />
Wahrnehmungen bezeichnen wir als Schall. Er breitet sich in flüssigen, festen und<br />
gasförmigen Stoffen nach allen Richtungen mit einer bestimmten Geschwindigkeit als Welle<br />
aus.<br />
Druckluft ist für diesen Versuch sehr förderlich. Die Materialien sollten in einem jeden<br />
Physikkabinett vorhanden sein.<br />
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2.3.2 Lochsirene Teil II<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Lochscheibe<br />
- Drehbare Halterung (motor- oder handbetrieben)<br />
- Luftstrahl<br />
Man verändert die Drehgeschwindigkeit der Lochscheibe.<br />
Ergebnisse:<br />
Bei höherer Drehgeschwindigkeit, höhere Tonhöhe und umgekehrt<br />
Erklärung:<br />
Bei veränderter Drehgeschwindigkeit folgen in der Schallwelle die Verdichtungen und<br />
Verdünnungen der Luft in unterschiedlichen Abständen. Die Zahl der Schwingungen, die die<br />
Luftteilchen ausführen ist verändert worden. Die Tonhöhe hängt von der Anzahl der<br />
Schwingungen pro Zeiteinheit ab.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Zeit. Zu jedem Ton gehört eine<br />
bestimmte Frequenz, je höher der Ton, desto größer die Frequenz.<br />
Die Weiterführung (Töne und Tonleiter) ist im Protokoll des Kollegen Thomas Plotz zu<br />
finden.<br />
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2.3.3 Resonanz<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- 2 Stimmgabeln gleicher Frequenz<br />
- Schlägel<br />
- Tischtennisball an Schnur<br />
- Halterung<br />
Zwei Stimmgabeln werden nebeneinander gestellt. An einen Zinken der nicht<br />
anzuschlagenden Stimmgabel wird der Tischtennisball vorgehängt. Die andere Stimmgabel<br />
wird angeschlagen.<br />
Abbildung(en):<br />
Ergebnisse:<br />
Wir hören einen Ton und die zweite Stimmgabel fängt an Mitzuschwingen, der<br />
Tischtennisball beginnt zu springen. Halten wir die angeschlagene Stimmgabel fest so<br />
schwingt die zweite noch immer und man hört noch immer den gleichen Ton.<br />
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Erklärung:<br />
Treffen auf einen schwingungsfähigen Körper Schallwellen von einer Frequenz die er selbst<br />
aussenden kann, so wird er zu starkem Mitschwingen angeregt. Dies nennt man Resonanz.<br />
Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Die Resonanz wird gestört wenn man auf einen Zinken der Stimmgabel zum Beispiel etwas<br />
Plastilin klebt.<br />
Resonanz leitet sich von dem lateinischen Wort resonare ab, das soviel bedeutet wie ertönen<br />
widerhallen.<br />
Ein sehr guter Versuch um diesen Phänomen zu zeigen, er ist auch ein Beweis dafür, dass es<br />
sich beim Schall um eine Druckausbreitung oder Druckwelle handelt.<br />
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2.4 Zweidimensionale Schallquellen<br />
2.4.1 Chladnischen Figuren:<br />
Materialien:<br />
Versuch:<br />
- Platten aus Metall<br />
- Alten Geigenbogen/Frequenzgenerator mit Lautsprecher<br />
- Feiner Sand oder Salz<br />
Man streicht mit dem Bogen über die mit dem feinen Material bedeckten Platten oder hält<br />
einen Lautsprecher unter die Platten und versetzt sie so in Schwingung.<br />
Abbildungen:<br />
Ergebnisse:<br />
Man hört einen Ton und es entstehen unterschiedliche Figuren, die von bestimmten<br />
Frequenzen, sonst schwingt die Platte nicht, und der Form abhängen. Je höher diese<br />
Frequenzen werden, desto komplizierter werden die Figuren.<br />
Erklärung:<br />
Die Platten schwingen nicht gleichmäßig über ihre Oberfläche, sonder bilden Bäuche und<br />
Knoten aus. In den Schwingungsknoten sammeln sich die Körner und bilden so die Figuren<br />
aus. Die Platten schwingen nur bei bestimmten Frequenzen. Diese sind ihre Grundfrequenz<br />
und dem zwei-, drei-,..fachen dieser.<br />
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Zusatzinfo und Hinweise:<br />
Es ist ein eher einfaches Unterfangen die Grundfrequenz zu finden, doch ist es besonders auf<br />
der runden und auf der dreieckigen Platte nicht leicht die Oberfrequenzen zu erwischen.<br />
Dies ist ein sehr anschaulicher und formschöner Versuch.<br />
Die folgende Abbildung zeigt die Möglichkeiten der Chladnischen Figuren:<br />
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