Schallgeschwindigkeit Wie schnell breitet sich Schall aus? Mit harmonischen Eigenschwingungen kann man die Schallgeschwindigkeit ermitteln. Eine einfache Vorrichtung ist die Kundt’sche Röhre. Experiment: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Luft 57.1 Du brauchst: eine Kundt’sche Röhre (waagrecht liegende, beidseits offene Glasröhre; Korkstoppel zum Verschließen), Korkmehl oder feinen Sand, einen Tongenerator, einen Lautsprecher. Verbinde den Lautsprecher mit dem Tongenerator und stelle ihn an eines der offenen Enden der Röhre. Verschließe das andere Ende mit dem Korkstoppel. E1 a) Ändere kontinuierlich die Frequenz. Protokolliere deine Beobachtung. E4 b) Bei bestimmten Frequenzen entstehen in regelmäßigen Abständen Stellen, an denen die Schwingung besonders heftig ist (Schwingungsbäuche) und dazwischen solche, an denen der Sand liegen bleibt (Schwingungsknoten). Die Luft in der Röhre wird offensichtlich zu Eigenschwingungen angeregt. In der Röhre entstehen stehende Wellen, d.h. es kommt zur Resonanz zwischen Erreger und Luftsäule (vgl. dazu S. 62). Wähle eine stehende Welle und miss den Abstand λ/2 zwischen zwei benachbarten Knotenpunkten. Damit kennst du die Wellenlänge des Schalls. Die Frequenz f kannst du direkt am Tongenerator ablesen. Berechne die Schallgeschwindigkeit mit der Formel c = λ·f Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab und nimmt mit steigender Temperatur zu: In Luft beträgt sie bei 0°C 331 m/s, bei 20°C 343 m/s. Zwischen Sommer und Winter können Unterschiede bis zu 50 m/s auftreten! Die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20°C beträgt ca. 340 m/s, in Wasser liegt sie etwa bei 1 483 m/s, in Eisen bei 5 180 m/s. Sie ist unabhängig von der Frequenz der Schallwelle und wächst mit steigender Temperatur. Tonhöhe und Frequenz Welcher Zusammenhang besteht zwischen Tonhöhe und Frequenz? Welche Frequenzen können wir hören? Experiment: Tonhöhe und Frequenz 57.2 E3 Du brauchst: verschiedene Stimmgabeln, ein Smartphone Schlage die Stimmgabeln der Reihe nach an. Wähle ein Programm oder eine App, mit dem du akustische Schwingungen aufzeichnen kannst (z. B. PhyPhox). Beobachte, wie die Tonhöhe und das Bild am Monitor bzw. Screen zusammenhängen. Stelle eine Hypothese auf, wie Tonhöhe und Frequenz zusammenhängen. Überprüfe deine Hypothese. Experiment: Hörbereich 57.3 S4 Du brauchst: einen Tongenerator, einen Lautsprecher Teste deinen Hörbereich! Bei welchen Frequenzen kannst du den Ton gerade noch hören? Teste deine Kolleginnen und Kollegen und auch deine Lehrperson! Diskutiert mögliche Erklärungen für unterschiedliches Hörvermögen und welche Konsequenzen sich daraus ergeben. Das Experiment zeigt, dass man üblicherweise Töne in einem Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 000 Hz hört. Individuell können die Hörgrenzen sehr unterschiedlich sein. Ältere Menschen oder Menschen mit Hörproblemen hören hohe Töne weniger gut. Jedoch ist die Tonhöhe nicht von der Lautstärke abhängig. Die Tonhöhe wird durch die Frequenz der Schallwelle festgelegt. Menschen können Töne zwischen 20 Hz und maximal 20 kHz hören. 57.1 Ein Mobiltelefon – oder ein Wecker – unter der Vakuumglocke 57.2 Wellenlängenmessung von Schall mit der Kundt’schen Röhre Bewegungsbauch Bewegungsknoten 57.3 Im Allgemeinen ist der Frequenzbereich, in dem Wahrnehmung (violetter Balken) möglich ist, viel größer als jener, in dem Laute hervorgebracht werden (rot). Außerdem haben Menschen andere Hörbereiche als Tiere. Mensch Delphin Fledermaus Frequenz in Hz 106 105 104 103 102 101 100 Infraschall Wahrnehmung Erzeugung Hörschall Ultraschall 20....20 000 85....1 100 150....150 000 7 000....120 000 1 000....120 000 10 000....120 000 57.4 Mit dem Tongenerator der PhyPhox-App kannst du Töne mit bestimmten Frequenzen mit deinem Smartphone erzeugen. 57 Wellen 2 Mechanische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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