Ausbreitung und Eigenschaften von Schall

Ausbreitung und Eigenschaften von Schall Übung

• Benenne die Eigenschaften von Schallwellen.

  Tipps

  Für die Strecke von Berlin nach Hamburg braucht der Schall etwas mehr als 10 Minuten.

  Du kannst Dinge hören, auch wenn du sie nicht sehen kannst.

  Lösung

  Schallwellen haben einige grundlegende Eigenschaften, die das Verhalten des Schalls beeinflussen.

  Zunächst können Schallwellen gebeugt und reflektiert werden. Deshalb kannst du vor der Häuserecke schon hören, ob sich hinter dieser jemand unterhält (Beugung), oder du hörst dein Echo, wenn du in die Berge rufst (Reflexion).

  Dabei wird der Schall besonders gut von glatten Oberflächen zurückgeworfen. Bei Oberflächen, die einem Eierkarton ähneln, wird nur wenig Schall reflektiert.

  Der Schall breitet sich außerdem mit einer je nach Medium festgelegten Geschwindigkeit aus. In der Luft ist diese etwa $ 340 \frac{m}{s} $. In drei Sekunden legt der Schall also eine Strecke von einem Kilometer zurück.

• Bestimme die Schallgeschwindigkeiten.

  Tipps

  Eine Schallwelle besteht aus schwingenden Teilchen.

  Auch unter Wasser sind Geräusche hörbar.

  Je mehr Teilchen, desto schneller kann der Schall sein.

  Lösung

  Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium, in dem sich der Schall ausbreitet.

  Am besten kennen wir den Schall im Medium Luft. Bei jedem Gespräch, das wir führen, oder jedem Song, den wir im Radio hören, breiten sich Schallwellen durch die Luft aus.

  Schall kann sich aber auch durch andere Medien ausbreiten, wie etwa durch Wasser. Sicher hast du schon einmal bemerkt, dass du mit untergetauchtem Kopf in der Badewanne sehr deutlich hörst, wenn du an die Wand der Wanne klopfst. Denn auch im Wasser breitet sich der Schall aus. Hier ist die Anzahl der Teilchen sogar noch höher als die der Luft und es können mehr Teilchen zur Schallwellenbildung angeregt werden. Die Geschwindigkeit des Schalls im Wasser beträgt etwa $1480 \frac{m}{s}$.

  Breitet sich die Schallwelle in einem Vakuum aus, wie etwa dem Weltall, so gibt es keine Teilchen, die schwingen können (das Vakuum ist ja ein vollends geleerter Raum), so können sich die Schwingungen der Stimmbänder oder Gitarrensaiten nicht weiterbewegen, es fehlt das Medium.

• Erkläre, warum es keinen Schall im Weltall gibt.

  Tipps

  Im Weltall gibt es keine Luft.

  Im Weltall herrscht ein Vakuum.

  Eine Schallwelle breitet sich aufgrund der Schwingung von Teilchen in der Luft aus.

  Lösung

  Im Weltall gibt es keinen Schall, doch woran liegt das ? Schauen wir uns zunächst einmal an, wo der Schall herkommt und wie dieser sich ausbreitet:

  Der Schall entsteht durch die Schwingung eines Körpers, wie etwa der Membran einer Lautsprecherbox. An der Grenze zwischen Membran und Luft wird die Schwingung in die Luft übertragen. Dabei beginnen die Teilchen der Luft ebenfalls zu schwingen und breiten so die Schallwelle aus.

  Im Weltall herrscht nun ein Vakuum, das heißt, es gibt keine Teilchen in der Luft, die schwingen und so den Schall weiterleiten können. Aus diesem Grund kann ein Astronaut dem anderen nur über Funk mitteilen, was er sagen will, nicht aber direkt, auch wenn sie direkt nebeneinander schweben.

• Ermittle die Entfernung des Gewitters.

  Tipps

  Rechne mit der Schallgeschwindigkeit von $ 340 \frac{m}{s} $

  Der Blitz ist ein Lichtimpuls, dieser breitet sich für menschliches Ermessen unendlich schnell aus.

  Der Donner ist eine Schallwelle (mit Schallgeschwindigkeit)

  Lösung

  Unter normalen Umständen breitet sich der Schall in Luft mit einer Geschwindigkeit von $ 340 \frac{m}{s} $ aus.

  Weiterhin wissen wir, dass das Licht sich ohne Zeitverzögerung ausbreitet. Es ist so schnell, dass man diese Verzögerung in der Regel nicht wahrnehmen kann.

  Sehen wir also den Blitz(Licht), wissen wir, dass der Donner(Schall) darauf folgt und kennen so also den Zeitpunkt, zu dem die Schallwelle des Donners erzeugt wurde. Man zählt dann die Sekunden t, bis die Schallwelle hörbar ist (bis man den Donner hört) und rechnet:

  $ s = 340 \frac{m}{s} \cdot t $

  Für eine Zeitdifferenz (Blitz-Donner) von $ t = 5s $ ergibt sich eine Strecke von:

  $ s = 340 \frac{m}{s} \cdot 5s = 1700m $.

  Mit diesem Trick kannst du immer abschätzen, ob ein Gewitter weit von dir weg oder zu nah an dir dran ist und du lieber in Deckung gehen solltest.

• Bestimme, wie der Schall entsteht.

  Tipps

  Die Ausbreitung der Schallwelle ist das, was wir als Schall bezeichnen.

  Eine Schallwelle hat einen Herkunftsort.

  Lösung

  Der Schall entsteht durch das schnelle Schwingen eines Körpers, wie etwa der Saiten einer Gitarre. Diese Schwingungen werden an die umgebende Luft weitergeleitet. Die Teilchen der Luft schwingen nun ebenfalls und transportieren die Schallwelle so durch den Raum. So kannst du den Ton von der Gitarrensaite hören, auch wenn du einige Meter entfernt bist.

  Diese Ausbreitung der Schallwellen ist das, was wir als Schall bezeichnen.

  Weitere Beispiele, bei denen eine Schwingung übertragen wird, sind etwa die Bewegung der Membran einer Lautsprecher-Box oder die Vibration der Stimmbänder, die auch deine Stimme erzeugen.

• Berechne die Strecken.

  Tipps

  Der Schall legt den Weg zwischen Olaf und Berg zweimal zurück.

  HIer ist $ v_{Schall} = 340 \frac{m}{s} $

  Lösung

  Damit Olaf den direkten Weg aus dem Gebirge zurück ins Tal findet, muss er die Stelle finden, von welcher der Schall am wenigsten zurückgeworfen wird, denn an dieser Stelle steht kein Berg, der seinen Ruf reflektieren kann.

  Olaf ruft also in verschiedene Richtungen, um zu ermitteln, wie weit die Berge von seinem aktuellen Standpunkt entfernt sind. Anschließend möchte er in die Richtung gehen, in der sich kein Berg befindet, da an dieser Stelle das Tal ist.

  Dabei legt der Schall den Weg zwischen Olaf und dem Berg zweimal zurück. Einmal hin und einmal zurück.

  So kann Olaf nun die Zeit zwischen Ausruf und Echo stoppen und daraus die Entfernungen ermitteln, die der Schall zurücklegt:

  $ s = t \cdot v = t \cdot 340 \frac{m}{s} $