Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung

Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung Übung

• Beschreibe, was man unter Schall versteht.

  Tipps

  Schall ist die Ausbreitung einer mechanischen Störung oder einer mechanischen Schwingung in einem Medium, wie einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper, wenn wir diese mit den Ohren wahrnehmen können.

  Vakuum wird als Abwesenheit von Materie beschrieben. Das bedeutet, dass im Vakuum auch so gut wie keine Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe zu finden sind.

  Lösung

  Erzeugung von Schall:
  Fingerschnipsen führt zu einem einmaligen Anstoßen der Luftmoleküle. Diese einmalige Auslenkung führt in der Luft zu einer Verdichtung der Moleküle. Da die Luft elastisch ist, dehnt sie sich dann wieder aus und nimmt mehr Raum ein als vorher, was zu einer Verdünnung führt. Diese wiederum hat in ihrer Umgebung eine Verdichtung zur Folge. Dort geschieht das Gleiche wieder und es kommt zu einer Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen, die sich im Raum ausbreitet.
  Die Luftmoleküle können aber auch mehrfach hin- und herbewegt werden, z. B. durch eine Stimme oder eine Gitarre. Eine solche wiederkehrende Hin-und-her-Bewegung nennt man mechanische Schwingung.
  Die Ausbreitung einer Schwingung oder Störung im Raum nennt man Welle.

  Übertragung von Schall:
  Schall kann sich ausbreiten. Das erkennen wir daran, dass wir ein Geräusch an einer anderen Stelle hören können als an der, an welcher es erzeugt wurde. Schallüberträger, also das, was das Geräusch überträgt, nennt man Medien. Diese sind:

  • Gase, z. B. Luft,
  • Flüssigkeiten, z. B. Wasser, und
  • Festkörper, z. B. Stahl.

  Im Weltall herrscht Stille, weil Vakuum kein Schallüberträger ist.

  Was ist Schall?
  Schall ist also zusammengefasst die Ausbreitung einer mechanischen Störung oder einer mechanischen Schwingung in einem Medium, wie einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper, wenn wir diese mit den Ohren wahrnehmen können.

• Bestimme die Entfernung des Gewitters.

  Tipps

  Wir sehen den Blitz ohne Verzögerung.

  Durchschnittlich können wir von einer Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa $v_{Schall}= \frac{1}{3}~\frac{\text{km}}{\text{s}}$ ausgehen.

  Du kannst die Entfernung des Gewitters bestimmen, indem du die Schallgeschwindigkeit mit der Übertragungszeit, also der Zeit, die der Schall bis zu uns braucht, multiplizierst.

  Lösung

  Dort, wo das Gewitter ist, finden Donner und Blitz gleichzeitig statt. In einiger Entfernung sehen wir jedoch den Blitz, bevor wir den Donner hören.
  Um das zu verstehen, betrachten wir Blitz und Donner physikalisch:

  Blitz:
  Der Blitz ist ein Lichtsignal, welches mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wird. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt: $v_{Licht} = 300\,000~\frac{\text{km}}{\text{s}}$. Für alle Entfernungen auf der Erde ist die Zeit, die das Licht braucht, bis wir es sehen können, vernachlässigbar klein. Wir sehen den Blitz also unmittelbar.

  Donner:
  Der Donner ist ein Geräusch (Schall), also die Ausbreitung einer mechanischen Störung im Raum, welche wir mit den Ohren wahrnehmen können.
  Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium. In der Luft ist sie abhängig von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Bei $0~^{\circ}\text{C}$ beträgt sie etwa: $v_{Schall} = 320~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Bei $20~^{\circ}\text{C}$ beträgt sie etwa: $v_{Schall} = 340~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Durchschnittlich können wir von einer Schallgeschwindigkeit in Luft ausgehen von etwa: $v_{Schall}= \frac{1}{3}~\frac{\text{km}}{\text{s}}$.

  Entfernungsbestimmung:
  Mit diesen Überlegungen können wir die Entfernung des Gewitters bestimmen, indem wir die Schallgeschwindigkeit mit der Übertragungszeit, also der Zeit, die der Schall bis zu uns braucht, multiplizieren. Da wir mit $v_{Schall} = \frac{1}{3}~\frac{\text{km}}{\text{s}}$ rechnen, müssen wir nur die Übertragungszeit in Sekunden durch $3$ dividieren und erhalten somit die Entfernung in Kilometern.

  Da Özge eine Übertragungszeit von zwölf Sekunden bestimmt hat, rechnen wir:

  $s = 12~\text{s} \cdot \dfrac{1}{3}~\dfrac{\text{km}}{\text{s}} = 12:3 ~\text{km} = 4~\text{km}$

  Das Gewitter ist also etwa vier Kilometer entfernt.

• Beschreibe die Wirkung von Lärmschutzwänden.

  Tipps

  Hier siehst du das Prinzip der Reflexion von Schall.

  Wenn Schall auf eine Kante trifft, dann wird die Kante zum Ausgangspunkt neuer Schallwellen. Dieses Phänomen nennt man Beugung. Sie ist der Grund dafür, dass wir um die Ecke hören können.

  Lösung

  Lärmschutzwände bieten einen effektiven Schutz vor Verkehrslärm. Wir betrachten im Folgenden ihre Funktionsweise aus physikalischer Sicht:

  Autos auf Straßen erzeugen Lärm, welcher Anwohnende und Tiere stören kann. Physikalisch handelt es sich bei dem Lärm um Schallwellen, die sich von der Straße in alle Richtungen ausbreiten.
  Damit sich die Schallwellen nicht zu den Anwohnenden ausbreiten, werden Lärmschutzwände errichtet. Sie stellen ein Hindernis dar, an dem die Schallwellen reflektiert werden. Um auch gegenüberliegende Gebäude vor dem Lärm zu schützen, werden häufig hochabsorbierende Wände aufgestellt. Durch sie wird die Reflexion minimiert.

  Schall wird jedoch außerdem in geringem Maße über die Wand selbst übertragen. Durch eine geeignete Wahl des Materials der Wand kann dieser Anteil auf einen vernachlässigbaren Anteil reduziert werden.
  Aber selbst wenn keine Schallwellen durch die Wand hindurchtreten, ist die Schallabschirmung nicht perfekt. Das liegt an der Beugung der Wellen an der Oberkante, deren Prinzip du in der Abbildung sehen kannst: Die Kante der Lärmschutzwand wird zum Ausgangspunkt neuer Schallwellen.
  Dadurch gelangt ein Teil des Schalls immer auch in den Bereich hinter der Wand, den sogenannten Schallschatten. Wie gut eine Lärmschutzwand den Schall letztlich abschirmt, hängt somit wesentlich von deren Höhe ab.

• Berechne die Schalllaufzeit im Wasser.

  Tipps

  Achte darauf, dass die Einheiten zueinanderpassen. Du hast folgende Angaben:

  $v_{Schall}= 1\,480~\dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ und $d = 148~\text{km}$

  Um die Zeit zu berechnen, die das Schallsignal bis zu dem Wal braucht, musst du die Entfernung durch die Schallgeschwindigkeit dividieren.

  Lösung

  Schall kann sich ausbreiten. Das erkennen wir daran, dass wir ein Geräusch an einer anderen Stelle hören können als an der, an welcher es erzeugt wurde. Schallüberträger, also das, was das Geräusch überträgt, nennt man Medien. Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, sind solche Medien.

  Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle ist abhängig vom Medium. Schall breitet sich in Wasser deutlich schneller aus als in Luft. Die Schallgeschwindigkeit in Wasser beträgt etwa:

  $v_{Schall}= 1\,480~\dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 1{,}48~\dfrac{\text{km}}{\text{s}}$

  Um die Zeit $t$ zu berechnen, die das Schallsignal bis zu dem Wal braucht, müssen wir die Entfernung $d$ durch die Schallgeschwindigkeit dividieren:

  $t = \dfrac{d}{v_{Schall}} = \dfrac{148~\text{km}}{1{,}48~\frac{\text{km}}{\text{s}}} = 100~\text{s}$

  Antwort: Nach $100~\text{s}$ hat der Lärm den Wal erreicht.

• Gib zu jeder Schalleigenschaft ein Beispiel an.

  Tipps

  Unter dem „Kaffeekränzcheneffekt“ versteht man das Phänomen, dass wir einander auch dann verstehen können, wenn mehrere Personen gleichzeitig reden.

  Hier siehst du eine Darstellung des Prinzips der Reflexion von Schallwellen.

  Lösung

  Schall ist die Ausbreitung einer mechanischen Störung oder einer mechanischen Schwingung in einem Medium, wie einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper, wenn wir diese mit den Ohren wahrnehmen können. Schall hat folgende Eigenschaften:

  
  

  • Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom Medium

  Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle heißt Schallgeschwindigkeit. Sie ist abhängig vom Medium. In der Luft ist die Schallgeschwindigkeit abhängig von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Bei $0~^{\circ}\text{C}$ beträgt sie etwa: $v_{Schall}= 320~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Bei $20~^{\circ}\text{C}$ beträgt sie etwa: $v_{Schall}= 340~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. In Wasser hingegen liegt die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei etwa: $v_{Schall}= 1\,480~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Somit ist Schall in Wasser schneller als in Luft. In Stahl beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit sogar: $v_{Schall}= 5\,800~\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

  
  

  • Reflexion von Schallwellen

  Schall wird reflektiert, wenn er z. B. auf eine Wand trifft. Das bekannteste Beispiel für Reflexion ist das Echo. Hierbei wird der Schall, also die Originalwelle, in Richtung der Schallquelle als reflektierte Welle zurückgeworfen.

  
  

  • Beugung von Schallwellen

  Trifft Schall auf eine Kante, wird die Kante zum Ausgangspunkt neuer Schallwellen. Dieses Phänomen nennt man Beugung. Sie ist der Grund dafür, dass wir um die Ecke hören können.

  
  

  • Ungestörte Durchdringung von Schallwellen

  Schallwellen durchdringen einander ungestört. Deswegen verstehen wir einander auch dann, wenn mehrere Leute gleichzeitig reden (Kaffeekränzcheneffekt).

• Überprüfe, welche Kommunikationsmethode für Astronauten auf dem Mond funktioniert.

  Tipps

  Der Mond besitzt keine Atmosphäre.

  In Vakuum kann sich Schall nicht ausbreiten. Das bedeutet, dass man Gesprochenes nicht verstehen kann.

  Die Übertragung via Funk funktioniert mittels elektromagnetischer Wellen, welche sich auch im Vakuum ausbreiten.

  Es sind zwei Aussagen richtig.

  Lösung

  Wenn wir sprechen, erzeugen wir Schall. Das können wir uns so vorstellen:

  Die Bewegung unserer Stimmbänder führt zu einem Anstoßen der Luftmoleküle. Diese Auslenkung führt in der Luft zu einer Verdichtung der Moleküle. Da die Luft elastisch ist, dehnt sie sich dann wieder aus und nimmt mehr Raum ein als vorher, was zu einer Verdünnung führt. Diese wiederum hat in ihrer Umgebung eine Verdichtung zur Folge. Dort geschieht dasselbe erneut und es kommt zu einer Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen, die sich im Raum ausbreitet. Wenn wir sprechen, bewegen sich also Luftmoleküle hin und her.

  Schall kann sich auch in anderen Medien als in Luft ausbreiten, zum Beispiel in Wasser.

  Im Vakuum ist jedoch kein Medium vorhanden, in dem sich der Schall ausbreiten kann. Da der Mond keine Atmosphäre besitzt, gibt es dort auch kein Medium, in dem sich der Schall fortbewegen kann.

  
  

  • Eine Verständigung durch einander zurufen ist daher nicht möglich.
  • Zudem ist eine Verständigung über ein Megafon nicht möglich, da hier gleichfalls das Ausbreitungsmedium fehlt.
  • Eine Kommunikation über Funk ist hingegen problemlos möglich. Denn die Übertragung über Funk funktioniert mittels elektromagnetischer Wellen, welche sich auch im Vakuum ausbreiten.
  • Eine Verständigung, wenn sich die Helme berühren, ist möglich, da die schwingende Luft im Helm den Helm des sprechenden Astronauten ebenfalls minimal zum Schwingen bringt. Wenn dessen Helm den Helm des anderen Astronauten berührt, gerät auch dieser in Schwingung. Der Helm versetzt dann die Luft im Helm des hörenden Astronauten in Schwingung, sodass dieser hören kann, was der andere Astronaut gesagt hat. Das Gesprochene kommt allerdings bei dieser Kommunikationsform nicht besonders gut bei dem hörenden Astronauten an.