Ausbreitung von Schall sichtbar machen

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

PEITING

Jugend forscht 2015

Elisabeth SchwarzJacob Schwarz

Schule:

Professor Fritz-Hoffmann GymnasiumKölleda

Ausbreitung von Schall sichtbar machen

Schüler experimentieren 2015

Von Elisabeth und

Jacob Schwarz

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Inhaltsverzeichnis 1. Vorstellung 2. Der Schall

2.1. Was ist Schall? 2.2. Die Schallgeschwindigkeit

3. Physikalische Zusammenhänge

3.1. Abhängigkeit der Wahrnehmung 3.2. Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit

4. Die Experimente

4.1. Experiment 1 – Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall 4.2. Experiment 2 – Schallwellen sichtbar machen 4.3. Experiment 3 – Schallwellen haben Kraft

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1. Vorstellung Wir, Elisabeth und Jacob Schwarz, sind Geschwister und nahmen uns schon seit langer Zeit vor, gemeinsam zu forschen und zu experimentieren. Dies liegt darin begründet, dass wir naturwissen-schaftlich interessiert sind. Bisher konnten wir uns jedoch nicht auf ein gemeinsames Thema einigen. Nach zufälligem Sehen eines Dokumentarfilmes fanden wir die Problemstellung, ob man Schallwellen tatsächlich sichtbar machen kann, ziemlich spannend. Sofort waren wir begeistert, und nach kurzer Zeit kamen uns immer mehr Ideen und Fragen. Wir machten uns gemeinsam einen Plan, wie wir vorgehen sollten und was unser Thema sein soll. An erster Stelle stand für uns das Sichtbarmachen der Ausbreitung von Schallwellen durch geeignete Experimente und die Formulierung geeigneter Erklärungen für unsere Beobachtungen. Hierfür bereiteten wir einige Experimente vor. Sie bilden den Hauptteil dieser Arbeit. Vorher gibt es noch die nötigen Erklärungen zu den Abhängigkeiten von Schall und dessen Ausbreitung. Wir haben im Laufe der Experimente und der teilweise stundenlangen Recherchen viel über Schall gelernt sowie unsere Fragen beantwortet und wichtige Eigenschaften entdeckt. Im Folgenden können unsere Ergebnisse gelesen werden. Jacob und Elisabeth Schwarz

Besonderen Dank an unsere Eltern, welche uns die ganze Zeit unterstützten.

Ebenfalls möchten wir unserer Lehrerin Frau Ziganki danken, da sie uns stets mit

Rat und Tat zur Seite stand.

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2. Der Schall 2.1. Was ist Schall (Luftschall)? Der Schall, das sind Wellen, welche sich in der Luft und anderen Medien ausbreiten. Es sind unter anderem Geräusche, die der Mensch mit dem Gehör aufnehmen kann. Denn wenn ein Geräusch entsteht, wird an dieser Stelle die Luft weggedrückt. Die Luft kommt in Bewegung, wodurch sie dichter zusammengedrückt wird. Diese zusammen-gedrückte Luft breitet sich dann mit unfassbarer Geschwindigkeit aus. Diese Geschwindigkeit beträgt 340 Meter pro Sekunde, bei einer Lufttemperatur von 15°C. Das ist langsamer, als das Licht. Dadurch kommt es auch zu dem Blitz- und- Donner-Phänomen. Da der Schall langsamer ist, kann man den Donner erst viel später hören, als man den Blitz sieht. Es vergehen teilweise mehrere Sekunden. Werden nun über einen längeren Zeitraum mehrere Töne abgegeben, bilden sich immer neue Wellen. Vorstellbar wird das, wenn man einen Stein ins Wasser fallen lässt. Hier sehen wir eine wellenförmige Ausbreitung. Dies zeigt, wie der Schall ungefähr aussieht. Trotzdem bleibt das nur ein Vergleich. Wenn man den Schall jedoch wirklich sichtbar machen will und sehen will, dass er in der oben erklärten Form existiert, muss man tricksen. Dies geht zum Beispiel mit dem Reis-Experiment oder dem Spiegeltrick.

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2.2. Die Schallgeschwindigkeit Die oben genannten Informationen beschreiben den Schall an sich. Da aber die Schallgeschwindigkeit auf Grund ihres wesentlichen Bestandteiles der Ausbreitung von Schallwellen eine sehr bedeutende Rolle spielt, möchten wir nun näher auf sie eingehen. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Schall (das Geräusch) wellenförmig ausbreitet, denn der Schall ist nicht sofort überall. Eigentlich ist die Geschwindigkeit relativ einfach zu bestimmen. Ein Beispiel: Wenn man einen Schuss aus einer Waffe abgibt und die Zeit zwischen dem Aufflammen des Mündungsfeuers und dem Moment stoppt, in dem man den Knall hört, hat man den ersten Teil erfüllt. Nun muss die Entfernung zwischen Waffe und "Hörer" bestimmt werden. Aus der Entfernung und der Zeit kann dann die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde berechnet werden. Bei 15°C Lufttemperatur sollte dieser Wert bei 340m/s liegen. (Tipp am Rande: Sollte man dieses Experiment durchführen, ist es von Vorteil, wenn man die Waffe nicht direkt auf den Zeitnehmer richtet!)

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3. Physikalische Zusammenhänge 3.1. Abhängigkeit der Wahrnehmung Schall kann, solange er sich in einem entsprechend hörbaren Rahmen befindet, vom menschlichen Gehör aufgenommen werden. Das betrifft den Frequenzbereich von 16Hz bis 20kHz. Was wir dabei wahrnehmen, also wie wir Schall empfinden, hängt von seiner Tonhöhe und der Lautstärke ab. Die Tonhöhe oder auch Frequenz gibt an, wie schnell die Wiederholungen in einer bestimmten Zeit auf die erste Welle folgen. Je schneller die Wiederholungen der Schwingungen erfolgen, desto höher ist auch der wahrgenommene Ton. Die Lautstärke wird durch die Amplitude der Schwingungen bestimmt. Als Amplitude wird der jeweilige Spitzenwert, also die maximal positive oder negative Auslenkung vom Nullpunkt einer sinusförmigen Welle bezeichnet. Der Schall ist nun umso lauter wahrnehmbar, je größer die Amplitude der Schwingungen ist.

3.2. Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit Die Schallgeschwindigkeit ist zum größten Teil von der Elastizität und Dichte des Mediums sowie der Temperatur abhängig. Im Vakuum ist keine Schallübertragung möglich. Je nach Aggregatzustand kommen noch weitere Abhängigkeiten hinzu. Z.B. ist die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten zusätzlich vom Druck und in Festkörpern auch vom erzeugten Wellentyp und der Frequenz abhängig. In Gasen oder Gas-gemischen (z.B. Luft) ist die Schallgeschwindigkeit jedoch unabhängig von der Frequenz. Nur die Temperatur spielt eine große Rolle. Je höher diese ist, umso schneller die Ausbreitung.

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4. Die Experimente Im nachfolgenden Teil haben wir unsere 3 Experimente aufgelistet. Alle machen auf unterschiedliche Weise die Ausbreitung von Schall sichtbar. So kann man durch das Aufleuchten der LED in Experiment 1 sehen, wo sich die „losgeschickte Schallwelle“ gerade befindet. Man kann mit diesem Experiment die Schallgeschwindigkeit messen und nachweisen. In Experiment 2 wird die wellenförmige Ausbreitung durch die kreisende Bewegung des Spiegels begreiflich gemacht. In Experiment 3 wird dann die kinetische Energie von Schall sichtbar. Die Schallwellen erregen die Luft und damit auch die Gummioberfläche. So werden die Reiskörner zum Hüpfen gebracht.

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4.1. Experiment 1 – Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall

„Experiment mit Druckluftfanfare“ Behauptung: Der Schall breitet sich in der Luft mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 340 m/s aus. Aufgabenstellung: Wie kann man die Ausbreitungsgeschwindigkeit

sichtbar machen? Material: - Maßband

- 3 Geräuschsensoren mit Mikrofon und LED (Versorgung mit Batterien)

- 3 Stäbe als Halterung - eine laute Druckluftfanfare mit mind. 100 dB

- eine Digitalkamera mit Videofunktion und mind. 50 besser 100 fps Aufnahmerate (Bilder pro Sekunde)

- Stativ - Klebeband - Hammer - Videoprogramm zur Anlayse

Durchführung:

Während optimaler Wetterbedingungen (kein Niederschlag und kein Wind) werden im Abstand von 17m die 3 Stäbe mit den daran befestigten Geräuschsensoren in den Boden gesteckt. Das heißt: der erste Stab bei 0m, der zweite bei 17m und der dritte bei 34m. Hinter der Person mit der Druckluftfanfare wird die Kamera aufgestellt wird. Diese soll alle Messgeräte und die Geräuschsensoren im Blick haben. Danach wird während einer Videoaufnahme das Lufthorn betätigt. Das Experiment wird mindestens einmal bei Nacht (LED´s besser zu sehen) und am Tag (Aufbau besser zu sehen) durchgeführt. Im Anschluss werden die Aufnahmen am Computer in Zeitlupe ausgewertet. Bei einer Aufnahmerate von 50 Bildern pro Sekunde hat man alle 0,02 Sekunden ein Bild. Eine Aufnahmerate von 100 Bildern pro Sekunde ist noch genauer. Man erhält alle 0,01 Sekunden ein Bild.

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Skizze: Geräuschsensor mit LED Druckluftfanfare Kamera Beobachtung und Erklärung: Nacht:

Nach anfänglichen Versuchen wird klar, dass die Geräuschsensoren zu schwach für Entfernungen über 50m sind. Außerdem konnten wir mit unserer Kamera nicht mehr alle Sensoren gleichzeitig im Sucher erfassen. Um es aber einfach auswerten zu können, sollte der Abstand der Sensoren ein Teil von 340 sein (angenommene Schallgeschwindigkeit in Luft). Es zeigt sich auch, dass eine ziemlich laute Schallquelle notwendig ist. Während der Aufnahmen funktionierten alle Messungen nahezu einwandfrei. Man kann schon auf dem Rohmaterial eine leichte Verzögerung erahnen. Im Zeitlupenmodus am Computer kann man deutlich eine Verzögerung vom Betätigen der Fanfare (Aufleuchten der ersten LED) bis zum Aufleuchten der zweiten LED und dann der dritten erkennen. Zwischen der 0m "LED" und der 17m "LED“ sind es 0,04 bis 0,05 Sekunden. Bis zur 34m "LED" vergehen 0,08 bis 0,1 Sekunden. Der Schall der Druckluftfanfare benötigt also ca. 0,1 Sekunden für unsere 34-Meter-Strecke. Hochgerechnet stimmt das mit den von uns recherchierten 340 Metern in der Sekunde bei 15 °C überein. Die Umgebungstemperatur bei diesem Experiment betrug ca. 0 °C. Laut Temp.-Abhängigkeit entspricht die Ausbreitung hier 332 m/s. Die Abweichung von unserem "Messergebnis" ist aber so gering, dass sie mit unserem Experiment nicht festgestellt werden konnte.

Die Skizze auf dieser Seite wurde selbst erstellt.

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Tag: Im Gegensatz zur Nacht kann man den Aufbau des Experimentes natürlich viel besser erkennen. Jedoch konnten wir keine brauchbaren Aufnahmen gewinnen. Außer der ersten LED bei 0m ist keine weitere zu erkennen. Die Leuchtkraft ist zu schwach.

Wir messen die Entfernungen. aus

Elisabeth mit Fanfare am „Start“

Jacob baut die Sensoren auf.

Die Bilder auf dieser Seite wurden selbst erstellt.

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4.2. Experiment 2 – Schallwellen sichtbar machen „Schallschwingungen“

Behauptung: Schall erzeugt Schwingungen Aufgabenstellung: Schallwellen oder Schwingungen sichtbar machen Material: - 1 Kunststoffrohr (10cm Durchmesser, 40cm Länge) - 1 Luftballon oder Latex Einweg-Handschuh - mehrere Gummiringe zum Befestigen - eine starke Lichtquelle (LED Taschenlampe) - eine laute Schallquelle (z. B. Lufthorn) - eine Digitalkamera mit Videofunktion - 2x Stativ - 1 kleines Stück Spiegel (ca. 1cm²) - Kleber - Videoprogramm zur Analyse

Durchführung:

Zuerst spannen wir einen Einweghandschuh über ein offenes Ende des Rohres und befestigen diesen mit einem Gummiring. Die Latex-Oberfläche muss schön straff sein, wie bei einer Trommel. Danach kleben wir das Spiegelstückchen genau auf die Mitte der Oberfläche. Um Erschütterungen zu vermeiden, wird das Rohr waagerecht auf einem Stativ befestigt. Ein Notenständer eignet sich dafür hervorragend. Auf dem anderen Stativ wird unsere Lichtquelle befestigt. Gut geeignet ist eine helle Taschenlampe, bei welcher man einen kleinen, scharfen Lichtpunkt einstellen kann. Die Taschenlampe und das Rohr werden so ausgerichtet, dass das Licht der eingeschalteten Taschenlampe auf das Spiegelstück trifft. Je kleiner der Lichtpunkt, umso genauer kann man es ausrichten. Die reflektierten Lichtstrahlen sollten auf eine Wand fallen und dort als Lichtfleck sichtbar werden. Jetzt ist der Versuchsaufbau fertig. Nun kann man verschiedene Schallquellen vor das offene Ende des Rohres halten und beobachten, was mit dem Lichtfleck an der Wand passiert.

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Skizze:

Beobachtungen und Erklärungen Dieses Experiment stellte sich als sehr erstaunlich heraus. Zunächst experimentierten wir mit verschiedenen Licht- und Schallquellen. Am besten eignete sich eine leistungsfähige LED-Taschenlampe mit 7 Watt. Zuerst machten wir Geräusche mit unserer Stimme und riefen laut in das Rohr. Der Lichtfleck an der Wand fing an, leicht zu zittern. Also konnten wir den selbst erzeugten Schall schon einmal "sehen". Ein erster kleiner Erfolg. Nach weiteren Versuchen mit diversen Musikinstrumenten griffen wir zur bewährten Druckluftfanfare aus Experiment 1. Nun kamen wir aus dem Staunen nicht mehr heraus. Der Schall, welcher auf die Latexoberfläche mit dem Spiegelchen traf, war sehr stark. Aus dem unförmigen Lichtfleck wurde ein runder Kreis, welcher aus unterschiedlich hellen Ringen bestand. Der Schalldruck setzte also die elastische Oberfläche mit dem Spiegel in Schwingungen. Je mehr wir die Lautstärke erhöhten, umso größer wurde der Lichtkreis. Bei voller Lautstärke betrug der Durchmesser ca. 1m.

Lichtfleck auf der Wand Kunststoffrohr mit Stativ

Lichtquelle Taschenlampee

Spiegelstückchen auf Latex-Oberfläche

Schallquelle Lufthorn

Die Skizze auf dieser Seite wurde selbst erstellt.

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Wir erklären uns die Beobachtung so: Eine Bewegung des Lichtfleckes kann man nur sehen, wenn sich der Spiegel bewegt. Also muss sich der Schall wellenförmig ausbreiten. Denn nur durch eine Wellenform kann sich die dünne Latexhaut hin und her bewegen, also frei schwingen. Je größer die Lautstärke wird, umso stärker wird diese Schwingung. Höhere Lautstärke bedeutet also mehr Schalldruck im Inneren der Röhre. So kommen die immer größer werdenden Lichtkreise zustande.

Versuchsaufbau in unserer Küche; unbewegter Lichtfleck an der Wand

Bei mäßiger Lautstärke – der Lichtfleck öffnet sich

Luftfanfare mit ca. 110 db; Lichtkreis mit ca. 1m Durchmesser

Die Bilder auf dieser Seite wurden selbst erstellt.

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4.3. Experiment 3 – Schallwellen haben Kraft „Schall bewegt Reiskörner“

Behauptung: Bei der Ausbreitung von Schall entstehen Druckwellen mit denen man Gegenstände bewegen kann. Aufgabenstellung: Die Kraft des Schalldruckes nachweisen Material: - 1 Becher oder eine Blechbüchse (eine Seite offen) - 1 Luftballon - Gummiring zum Befestigen - ca. 30 Reiskörner - 1 Topf (mit einfachem Blechboden) - 1 Kochlöffel aus Holz - 1 Druckluftfanfare

Durchführung:

Wir haben uns für einen großen Plastebecher entschieden. Über diesen haben wir einen abgeschnittenen Luftballon gestülpt und mit dem Gummiring am Becherrand fixiert. Die Oberfläche des Luftballons muss schön straff gespannt sein. Der Becher steht dabei am besten auf einem Tisch. Nun werden alle Reiskörner in der Mitte der Ballonhaut platziert. Der Versuch kann beginnen. Als Erstes probieren wir den Kochtopf aus. Dieser wird mit der Öffnung in Richtung der Reiskörner gehalten. Mit dem Kochlöffel schlägt man einige Male kräftig von außen gegen den Boden des Topfes. Der Abstand zwischen Topf und Reiskörnern sollte nicht mehr als 20cm betragen. Während wir mehrere laute Geräusche erzeugen, beobachten wir gleichzeitig die Reiskörner.

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Skizze: Beobachtungen und Erklärungen Sobald wir anfangen, mit dem Holzlöffel gegen den Topf zu schlagen, springen die Reiskörner hin und her. Je stärker man schlägt, umso höher springen sie. Der Schall, welchen wir mit dem Löffel und dem Topf erzeugen, muss also die Luft vor dem Topf zusammen- oder wegdrücken. Denn nur so kann die leicht schwingende Haut des Luftballons bewegt werden. Sobald die Gummihaut wieder in den Ruhezustand zurückschwingt, werden die sehr leichten Reiskörner nach oben geschleudert. Die Reiskörner "tanzen". Damit haben wir nachgewiesen, dass der Schall die Kraft hat, Gegenstände zu bewegen. Richtig toll sichtbar wird es mit der Druckluftfanfare. Diese ist so laut, dass die Reiskörner mehrer Zentimeter hoch springen und regelrecht vom Becher weggeschleudert werden. Also, je lauter, umso größer der erzeugte Schalldruck.

Kochtopf

Luftballonhaut

Reiskörner

Plastebecher

Kochlöffel

Die Skizze auf dieser Seite wurde selbst erstellt.

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1.Versuch mit Kochtopf und Holzlöffel

Mit Druckluftfanfare – Reiskörner springen mehrere Zentimeter hoch.

Die Bilder auf dieser Seite wurden selbst erstellt.