Aufgaben: Der Schall

In einem Labor wird eine elektrische Klingel in eine Glasglocke gehängt und die Luft wird nach und nach abgepumpt. Die Abbildung zeigt den Versuchsaufbau.

1. a) Beschreibe, was man hört, während die Luft abgepumpt wird.
2. b) Was zeigt dieser Versuch darüber, was der Schall zur Ausbreitung braucht?
3. c) Warum sprechen zwei Astronauten auf der Mondoberfläche per Funk miteinander, selbst wenn sie nebeneinanderstehen?

Der Schall breitet sich in der Luft als Abfolge von verdichteten und verdünnten Luftbereichen aus, die sich von der Quelle bis zum Ohr fortbewegen. Die Abbildung zeigt diese Verdichtungs- und Verdünnungsbereiche.

1. a) Wandert die Luft vom Lautsprecher bis zu deinem Ohr oder schwingt sie nur um ihre Ruhelage?
2. b) Ist der Schall unter Berücksichtigung der Richtung, in der die Luft schwingt, bezogen auf die Ausbreitungsrichtung der Welle eine Transversal- oder eine Longitudinalwelle? Begründe.
3. c) Beschreibe, wie du das mit einer auf dem Tisch gespannten Schraubenfeder modellieren würdest.

Der Lautsprecher in der Sporthalle ist $68\ \text{m}$ von deinem Standort entfernt, wie in der Abbildung gezeigt.

Wie lange braucht der Schall, bis er deine Ohren erreicht? Gegeben: Der Schall breitet sich in der Luft mit $340\ \text{m/s}$ aus.

Bei einer Gitarre schwingt die erste Saite (die dünnste) leer mit $330\ \text{Hz}$ und die sechste (die dickste) mit $82,5\ \text{Hz}$.

1. a) Welche der beiden Saiten klingt höher?
2. b) Von welcher Größe der Welle hängt die Tonhöhe (hoch oder tief) eines Schalls ab?
3. c) In welcher Einheit wird diese Größe gemessen?

Zwei Personen schlagen dieselbe Taste eines Klaviers an, eine mit sehr viel mehr Kraft als die andere.

1. a) Welcher der beiden Töne klingt lauter?
2. b) Die Lautstärke eines Schalls (laut oder leise) hängt mit der Intensität zusammen: Von welcher Größe der Welle hängt sie ab?
3. c) Ändert sich die Tonhöhe der Note, wenn man sie kräftiger anschlägt? Begründe.

Ein junges, gesundes menschliches Ohr nimmt Töne zwischen etwa $20\ \text{Hz}$ und $20\,000\ \text{Hz}$ wahr. Gib an, ob wir jeden dieser Schalle hören können, und nenne den Bereich, zu dem sie gehören:

1. a) Ein Schall von $15\ \text{Hz}$.
2. b) Ein Schall von $440\ \text{Hz}$.
3. c) Ein Schall von $25\,000\ \text{Hz}$.

Wie heißen Schalle mit einer Frequenz über $20\,000\ \text{Hz}$ und welches Tier nutzt sie, um sich im Dunkeln zu orientieren?

Eine Geige und eine Flöte spielen denselben Ton, ein a mit $440\ \text{Hz}$, und mit derselben Lautstärke. Die Abbildung zeigt die Form der Wellen, die jedes Instrument erzeugt.

1. a) Warum erkennen wir trotzdem, welches Instrument gerade spielt?
2. b) Wie heißt diese Eigenschaft des Schalls? Erkläre, worin sich die Wellen unterscheiden, die jedes Instrument erzeugt.

Während eines Gewitters siehst du den Blitz und zählst $4\ \text{s}$, bis du den Donner hörst, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Wie weit ist das Gewitter von dir entfernt? (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)
2. b) Warum kannst du die Zeit vernachlässigen, die das Licht des Blitzes bis zu dir braucht?

Du rufst vor einer Wand und hörst das Echo $0,5\ \text{s}$ später, wie in der Abbildung gezeigt.

1. a) Erkläre, welchen Weg der Schall zurückgelegt hat, von dem Moment, als er deinen Mund verlassen hat, bis du ihn gehört hast.
2. b) Berechne, wie weit die Wand entfernt ist. (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)

Ein Feuerwerk explodiert $1700\ \text{m}$ von deinem Haus entfernt. Wie lange dauert es, bis du den Knall hörst, nachdem du den Lichtblitz gesehen hast? (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)

Eine Pfeife sendet in der Luft einen Ton von $340\ \text{Hz}$ aus, wo sich der Schall mit $340\ \text{m/s}$ ausbreitet.

1. a) Berechne ihre Wellenlänge.
2. b) Eine andere Pfeife sendet mit der doppelten Frequenz, $680\ \text{Hz}$, aus: Berechne ihre Wellenlänge.
3. c) Erkläre mithilfe von $v = \lambda \cdot f$, wie sich die Wellenlänge eines Schalls ändert, wenn seine Frequenz im gleichen Medium zunimmt.

Ein Lautsprecher erzeugt in der Luft einen reinen Ton von $200\ \text{Hz}$.

1. a) Berechne die Periodendauer der Welle.
2. b) Berechne ihre Wellenlänge. (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)

Der Schall breitet sich im Meerwasser mit etwa $1500\ \text{m/s}$ aus. Zwei Delfine schwimmen im Abstand von $3\ \text{km}$ voneinander.

1. a) Wie lange braucht der Schall des einen, um durch das Wasser zum anderen zu gelangen?
2. b) Wie lange würde er für dieselbe Strecke in der Luft brauchen? (In der Luft breitet er sich mit $340\ \text{m/s}$ aus; gib das Ergebnis mit einer Nachkommastelle an.)
3. c) In welchem der beiden Medien breitet sich der Schall schneller aus?

Ein Bergführer ruft zur Wand einer Schlucht, die $170\ \text{m}$ entfernt liegt.

1. a) Welche Gesamtstrecke legt der Schall zurück, vom Rufen bis er das Echo hört?
2. b) Wie lange dauert es, bis er das Echo hört? (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)

Ein Wal singt mit $20\ \text{Hz}$ und eine Fledermaus sendet ihre Rufe mit $68\,000\ \text{Hz}$ aus.

1. a) Kann das menschliche Ohr beide Töne wahrnehmen? Begründe es mit dem Hörbereich von $20\ \text{Hz}$ bis $20\,000\ \text{Hz}$.
2. b) Berechne die Wellenlänge jedes Schalls in der Luft und gib sie in einer passenden Einheit an. (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)
3. c) Bringe die sehr kleine Wellenlänge der Fledermausrufe mit ihrer Fähigkeit in Zusammenhang, winzige Insekten aufzuspüren.

In einer Stadt gibt es gleichzeitig Verkehr, Baustellen, Terrassen mit Musik und die Sirenen der Krankenwagen.

1. a) Erkläre, was man unter Lärmbelastung versteht.
2. b) Nenne zwei Auswirkungen von übermäßigem Lärm auf die Gesundheit der Menschen.
3. c) Schlage eine Maßnahme vor, um den Lärm an der Quelle zu verringern, und eine weitere, die an dem Medium ansetzt, durch das er sich ausbreitet.

Ein Wanderer ruft vor einer weit entfernten Felswand und hört das Echo $3\ \text{s}$ später.

1. a) Wie weit ist die Wand entfernt? (Der Schall breitet sich mit $340\ \text{m/s}$ aus.)
2. b) Er geht $170\ \text{m}$ auf die Wand zu und ruft erneut: Wie lange braucht das Echo jetzt?
3. c) Erkläre, warum sich die Zeit im selben Verhältnis wie die Entfernung verringert hat.

Das Echolot eines Schiffs sendet einen Ultraschallimpuls zum Meeresboden und das Echo kehrt $0,4\ \text{s}$ später zurück, wie in der Abbildung gezeigt. Der Schall breitet sich im Wasser mit $1500\ \text{m/s}$ aus.

1. a) Wie tief ist das Wasser unter dem Schiff?
2. b) Warum verwendet das Echolot Ultraschall statt hörbarer Töne?
3. c) Wenn das Schiff in ein Gebiet fährt, in dem der Meeresboden $600\ \text{m}$ tief liegt, wie lange braucht das Echo dann für den Rückweg?

Für Gewitter gibt es eine Faustregel: „Alle $3\ \text{s}$ zwischen Blitz und Donner entsprechen $1\ \text{km}$ Entfernung.“

1. a) Überprüfe die Regel, indem du berechnest, welche Strecke der Schall in $3\ \text{s}$ zurücklegt ($v_{\text{Schall}} = 340\ \text{m/s}$).
2. b) Welchen Fehler macht die Regel, in Metern und in Prozent? Hältst du sie für den Alltagsgebrauch für akzeptabel?
3. c) Die Regel setzt voraus, dass das Licht sofort ankommt: Berechne, wie lange das Licht des Blitzes in Wirklichkeit für $1\ \text{km}$ braucht ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$), und begründe, ob die Annahme vernünftig ist.

In Westernfilmen legen die Kundschafter das Ohr an die Bahnschiene, um zu erfahren, ob sich ein Zug nähert. Der Schall breitet sich im Stahl mit $5000\ \text{m/s}$ und in der Luft mit $340\ \text{m/s}$ aus. Ein weit entfernter Zug pfeift aus einer Entfernung von $1700\ \text{m}$. Die Abbildung zeigt die beiden Wege, auf denen der Schall ankommt.

1. a) Wie lange braucht der Pfiff durch die Luft?
2. b) Wie lange braucht er durch die Schiene?
3. c) Mit welchem Vorsprung kommt der Schall durch die Schiene an? Gib das Ergebnis mit einer Nachkommastelle an.
4. d) Erkläre anhand der Teilchen in jedem Medium, warum sich der Schall im Stahl viel schneller ausbreitet als in der Luft.

Zwei Schüler wollen die Schallgeschwindigkeit im Freien messen. Sie stellen sich $255\ \text{m}$ voneinander entfernt auf: Einer schlägt auf eine große Trommel und der andere stoppt $0,75\ \text{s}$ vom Sehen des Schlags bis zum Hören des Schalls.

1. a) Berechne die Schallgeschwindigkeit, die sie erhalten.
2. b) Warum startet der zweite Schüler die Stoppuhr, wenn er den Schlag sieht, und muss den genauen Zeitpunkt, an dem er erfolgte, nicht kennen?
3. c) Nenne zwei Fehlerquellen dieser Messung und eine Möglichkeit, den Versuch zu verbessern.

Bei einem Open-Air-Konzert ist der Schall direkt an den Lautsprechern ohrenbetäubend und in $100\ \text{m}$ Entfernung stört er kaum. Die Abbildung zeigt, wie sich die Energie der Welle bei zunehmender Entfernung vom Lautsprecher verteilt.

1. a) Welche Größe der Schallwelle nimmt mit zunehmender Entfernung von der Quelle ab und welche bleibt gleich?
2. b) Der Lautsprecher verteilt seine Energie auf immer größere Kugelflächen, je weiter sich die Welle entfernt: Erkläre mit diesem Gedanken, warum die Lautstärke mit der Entfernung so stark sinkt.
3. c) Bringe das Obige mit der Empfehlung in Zusammenhang, sich nicht lange direkt an den Lautsprechern aufzuhalten.

Eine Familie wohnt in einer Wohnung an einer stark befahrenen Straße und leidet auch nachts unter dem Verkehrslärm.

1. a) Schlage je eine Maßnahme zur Lärmminderung an der Quelle, auf dem Ausbreitungsweg und beim Empfänger vor und begründe jede Maßnahme physikalisch.
2. b) Erkläre, warum ein Doppelfenster mit Luftzwischenraum besser gegen Lärm dämmt als eine einfache Glasscheibe.
3. c) In Wohnungen verringern dicke Vorhänge, Teppiche und volle Bücherregale den Lärm: Was machen diese Materialien mit dem Schall, statt ihn zu reflektieren?

Eine Fledermaus sendet einen Ultraschallimpuls aus und empfängt das Echo, das eine Motte erzeugt, $0,02\ \text{s}$ später. (Der Schall breitet sich in der Luft mit $340\ \text{m/s}$ aus.)

1. a) Wie weit ist die Motte entfernt?
2. b) Warum können wir Menschen die Rufe der Fledermaus nicht hören?
3. c) Gegenstände, die viel kleiner sind als die Wellenlänge, reflektieren die Welle kaum: Begründe, warum es für die Fledermaus günstig ist, zur Jagd auf Insekten hohe Frequenzen mit kleinen Wellenlängen zu verwenden.