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Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung

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Team Digital
Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung
lernst du in der Sekundarstufe 1. Klasse - 2. Klasse - 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung

Schall – einfach erklärt

Bestimmt hast du schon einmal das Wort Schall gehört oder sogar verwendet. Dann ist dir klar, dass es etwas mit Geräuschen zu tun hat. Doch was genau ist Schall eigentlich? Erst einmal muss man sich verdeutlichen, dass Schall dann entsteht, wenn etwas schwingt. Das kann zum Beispiel die Saite einer Gitarre sein oder die Membran einer Trommel. Im Alltagsgebrauch würdest du das Wort „Schall“ vermutlich mit dem Klang des Musikinstruments gleichsetzen – in der Physik bezieht sich der Begriff „Schall“ aber vielmehr auf die Schwingungen, die sich vom Instrument ausgehend ausbreiten.

Schall – Definition

In der Physik ist Schall als mechanische Welle, die durch Druckschwankungen in einem Medium hervorgerufen wird, definiert.

Das kannst du dir so vorstellen: Wenn eine Schallquelle, zum Beispiel die Saite der Gitarre, schwingt, dann bewegt sie sich hin und her. Auch die Luftmoleküle, die die Saite umgeben, bewegen sich dabei. Nehmen wir nun an, dass sich die Saite nach rechts bewegt: Die Luftmoleküle, die sich rechts von ihr befinden, werden zusammengeschoben. Man spricht hier von einer Verdichtung der Luft. Ähnlich wie eine Feder, die zusammengedrückt wird, dehnt sich auch die verdichtete Luft wieder aus. Dabei werden weitere Luftmoleküle angeschoben und an einer benachbarten Stelle entsteht eine neue Verdichtung – die Schwankung wird weitergetragen. Wenn die Gitarrensaite nun nicht nach rechts, sondern nach links schwingt, verdichten sich die Moleküle links der Saite. Auf der rechten Seite fehlen nun Moleküle, daher gibt es hier eine Verdünnung. Diese breitet sich ebenso aus wie die Verdichtung. Schwingt die Saite immer wieder hin und her, ergibt sich daraus eine periodische Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen. Diese Druckschwankungen breiten sich in Form einer Schallwelle in der Luft aus.

Schall als longitudinale Welle in der Luft

Wie du siehst, werden die Schwingungen der Gitarrensaite über Moleküle in der Luft weitergetragen. Die Ausbreitung von Schall ist nur in einem Medium möglich. Das muss nicht zwangsläufig Luft sein: Zum Beispiel können auch im Wasser Töne übertragen werden. Oder auch in einem festen Gegenstand, zum Beispiel in einem Tisch: Hast du schon einmal auf den Tisch geklopft und dabei dein Ohr auf die Tischplatte gelegt? Du nimmst das Klopfen sehr laut wahr. Obwohl man es bei einem Tisch nicht zwangsläufig erwartet, können sich auch hier die Moleküle leicht aus ihrer Ruheposition herausbewegen und so die Schwingungen weitertragen. Im Vakuum hingegen kann sich Schall nicht ausbreiten: Hier gibt es keine Moleküle, die die Schwingungen aufnehmen können.

Im Allgemeinen kann eine Schallwelle als Longitudinalwelle betrachtet werden. Das bedeutet, dass die Ausbreitungsrichtung der Welle parallel zu der Schwingungsrichtung der Moleküle ist. Zudem findet die Ausbreitung eines Tons nicht nur in eine einzige Richtung statt. Wenn zum Beispiel jemand Gitarre in einem Raum spielt, dann hörst du überall in dem Raum die Musik, egal ob vor oder hinter der Gitarre. Das liegt daran, dass sich Schall in alle Richtungen ausbreitet: Ausgehend von der Schallquelle kann die Schallwelle daher als Kugelwelle betrachtet werden.

Schall – Wahrnehmung von Geräuschen

Unser Ohr ist dazu in der Lage, Schallwellen wahrzunehmen. Die Druckschwankungen der Luft bringen das Trommelfell zum Schwingen. Diese Schwingungen werden über die Gehörknöchelchen ins Innenohr übertragen und mithilfe von Sinneszellen in elektrische Signale umgewandelt. Diese Signale werden an das Gehirn geleitet. Dort kann der Schall verarbeitet werden und wir können erkennen, um was für ein Geräusch es sich handelt.

Schall – Eigenschaften

Schall hat verschiedene Eigenschaften, die sich über seine Wellenform erklären lassen. Die Lautstärke, die wir wahrnehmen, ist durch den Ausschlag der Schallwelle vorgegeben. Die Stärke des Ausschlags wird auch als Amplitude bezeichnet. Je größer die Amplitude, desto lauter ist auch der Ton, den wir hören.

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Die Höhe des Tons ist durch die Frequenz der Schallwelle bestimmt. Bei einer hohen Frequenz sind benachbarte Wellenberge der Schallwelle nah beieinander und wir nehmen einen hohen, vielleicht sogar schrillen Ton wahr. Bei einer niedrigen Frequenz, also einem großen Abstand benachbarter Wellenberge, hören wir einen tiefen, dumpfen Ton.

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Darüber hinaus hat eine Schallwelle die Eigenschaften, die auch andere Wellen haben: So kann sie zum Beispiel reflektiert werden, wenn sie auf eine Wand trifft. Unter bestimmten Bedingungen entsteht durch die Reflexion ein Echo.

Schall – Arten

Je nach Frequenzbereich lässt sich Schall in die Bereiche Infraschall, Hörschall und Ultraschall unterteilen. Wie die Namen schon vermuten lassen, können wir nur den Hörschall wahrnehmen. Dennoch kommen auch die anderen Schallbereiche in unserer natürlichen Umgebung vor. Im Folgenden findest du eine Tabelle zu den Arten von Schall mit Beispielen:

Art Frequenzbereich Beispiel
Infraschall < 16 Hz Vibrationen von Automotoren, Vibrationen von Waschmaschinen, Kommunikation von Blauwalen
Hörschall 16 Hz bis 20 kHz alle Geräusche, die wir wahrnehmen, Kommunikation von Menschen
Ultraschall 20 kHz bis 1,6 GHz Messungen in der Medizin oder Technik,
Peilsender,
Orientierung und Kommunikation von Fledermäusen

Ist dir übrigens schon einmal aufgefallen, dass du ein hohes Piepen hörst, deine Eltern aber nicht wissen, wovon du sprichst? Das liegt daran, dass Kinder einen viel größeren Frequenzbereich wahrnehmen als Erwachsene. Mit dem Alter nimmt die Hörfähigkeit nämlich ab.

Schall – Schallwellen

Sie sind nicht nur wichtig für uns, auch viele Tiere kommunizieren mithilfe von Schallwellen. Doch was sind Schallwellen eigentlich und was haben sie mit Wasserwellen gemeinsam? Dies und vieles mehr soll im Folgenden genauer diskutiert werden.

Schall – Schallwellen einfach erklärt

Beginnen wir mit der Frage, was eigentlich Schallwellen sind.

In der Physik wird eine Schallwelle per Definition als eine mechanische Schwingung bezeichnet, die sich in einem elastischen (verformbaren) Medium (z. B. Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern) ausbreitet. Doch was bedeutet das nun genau?

Den Schall, den wir jeden Tag wahrnehmen und über den wir uns unterhalten, findet im elastischen Medium Luft statt. Sprechen wir, regen unsere Stimmbänder die Luft in ihrer Umgebung an, auf eine bestimmte Art und Weise zu schwingen. Die von unseren Stimmbändern angeregten Luftmoleküle regen wiederum ihre Nachbarmoleküle dazu an, ebenfalls zu schwingen. So verbreitet sich die Schwingung durch die Luft, bis sie schließlich an das Ohr des Empfängers gelangt. Dort angekommen überträgt die Luft ihre Schwingung an das Trommelfell im Ohr. Da wir dazu in der Lage sind, die Schwingung des Trommelfells in ein Signal für unser Gehirn umzuwandeln, können wir diese Schwingung hören.

Wir können jedoch nicht alle beliebigen Schallwellen hören. Dies liegt daran, dass wir, wie beim Licht, nur einen bestimmten Bereich an Wellenlängen bzw. Frequenzen wahrnehmen können. Bei Schallwellen liegt der für Menschen hörbare Bereich bei Frequenzen von ca. 20 Hz bis 20 kHz. Tiere wie z. B. Wale oder Giraffen können aber auch Schall anderer Frequenzen aussenden und wahrnehmen.

Schall – Schallwellen Eigenschaften

Eine wichtige Eigenschaft bei der Ausbreitung von Schallwellen ist vor allem, dass sie die Luftmoleküle im Mittel von ihrer Ruheposition, im Gegensatz zum Wind, nicht fortbewegen. Dies kannst du auch bei Wasserwellen beobachten. Befindest du dich nicht zu dicht an einem flachen Ufer, kannst du zum Beispiel ein Blatt auf das Wasser legen. Erzeugst du nun Wellen, wird sich das Blatt zwar hin- und herbewegen, aber im Mittel, wie auch die umgebenden Wassermoleküle, auf seiner Position bleiben.

Doch was bewegt sich dann durch den Raum? Bei einer Welle bewegt sich lediglich die Energie der Schwingung durch den Raum. Im Fall von Schallwellen in Luft geschieht dies durch Druck- bzw. Dichteschwankungen. Das heißt, dass die Luftmoleküle mal stärker zusammengedrückt und mal stärker auseinandergezogen werden. Das kannst du dir wie bei einer Schwingung einer Spiralfeder vorstellen. Regst du die Feder an einem Ende zu einer Schwingung an, kannst du erkennen, dass die Feder an manchen Stellen zusammengedrückt wird, während sie gleichzeitig an anderen Stellen auseinandergezogen wird.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwelle durch den Raum bewegt, hängt von den Eigenschaften des Mediums ab, in dem sich die Welle ausbreitet. Breitet sich eine Schallwelle in Luft bei Raumtemperatur zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von ca. $\pu{343 \frac{m}{s}}$ aus, erreicht sie bei gleicher Temperatur in Wasser eine Geschwindigkeit von $\pu{1 484 \frac{m}{s}}$.

Schall – Dezibelskala

Nun haben wir geklärt, wie sich Schall ausbreitet und welche Frequenzen wir hören können, doch was unterscheidet jetzt ein einfaches Geräusch von Lärm? Die Antwort darauf bietet die Lautstärke, also die Stärke der Schwingung. Die Einheit für die Lautstärke wird als Dezibel ($\pu{dB}$) bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine logarithmische Skala. So führt jede Erhöhung der Lautstärke um ca. $\pu{6 dB}$ zu einer Verdoppelung des Schalldrucks, der von der Schwingung ausgeht. Also sind $\pu{12 dB}$, verglichen mit $\pu{6 dB}$, doppelt so laut, aber auch $\pu{86 dB}$ sind doppelt so laut wie $\pu{80 dB}$. Zum Vergleich: Ein normales Gespräch liegt bei einer Lautstärke von rund $\pu{50 dB}$, während ein startendes Flugzeug einen Wert von ca. $\pu{150 dB}$ erreicht. Ab Lautstärken über $\pu{90 dB}$ ist es sogar möglich, dass langfristige Schäden im Ohr auftreten, die mit der Zeit zur Schwerhörigkeit führen. Bei Lautstärken über $\pu{130 dB}$ können im Ohr sogar akute Schmerzen auftreten. Also pass ruhig ein wenig auf deine Ohren auf.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Was ist Schall?

Wie entsteht Schall?
Wie breitet sich Schall aus?
Wie wird Schall übertragen?
Wie schnell ist der Schall?
Wie kommt der Schall zum Ohr?
Wie wird Schall gemessen?

Transkript Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung

Ein Gewitter zieht auf. Wenn du draußen unterwegs bist, kann es nützlich sein zu wissen, wann das Gewitter bei dir eintrifft. Weißt du, wie man das macht? Irgendwie musste man zählen. Irgendwie die Zeit zwischen Blitz und Donner. Und irgendwas hatte das mit der Schallgeschwindigkeit zu tun. Dieses Video zeigt dir, wie man die Entfernung eines Gewitters bestimmen kann. Denn das Thema dieses Videos ist: Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung. Und das muss man alles wissen, um die Entfernung des Gewitters zu bestimmen? „Nope. Glücklicherweise nur einen Teil davon. Aber der Rest ist auch ganz wissenswert.“ „Fangen wir mit der Frage an, was Schall eigentlich ist.“ Wenn du mit den Fingern schnippst, hörst du ein Geräusch. Offensichtlich wird die Bewegung deiner Finger irgendwie bis zu deinem Ohr übertragen. Durch die Luft. Genau. durch die Luft. Nicht nur im räumlichen Sinne - wie durch die Luft hindurch - sondern auch im ursächlichen Sinne: wegen der Luft. Die Luft überträgt das Geräusch. „Man nennt das, was das Geräusch, also den Schall, überträgt, Medium. Medien können Gase sein, wie die Luft, aber auch Flüssigkeiten und Festkörper. Du weißt, dass man unter Wasser hören kann.“ Und auch wenn wir ausdrücklich nicht empfehlen, an Schienen zu horchen – durch Stahl kann man ebenfalls hören. Wo kein Medium ist, wird kein Schall übertragen. Im Weltall, in dem ein Vakuum vorliegt, herrscht anders als im Kino paradisische Stille. „Das Fingerschnipsen ist ein einmaliges Anstoßen der Luftmoleküle. Diese einmalige Auslenkung oder auch mechanische Störung führt in der Luft zu einer Verdichtung der Moleküle.“ Da die Luft elastisch ist, dehnt sie sich dann wieder aus, nimmt sogar mehr Raum ein als vorher, was zu einer Verdünnung führt und in ihrer Umgebung für eine Verdichtung sorgt. Dort geschieht nun dasselbe wieder und die Abfolge aus Verdichtungen und Verdünnungen breitet sich im Raum aus. Man kann das auch an der Spiralfeder nachvollziehen, oder hier in Bewegung sehen. Die Luftmoleküle können aber auch zum Beispiel durch die Bewegung deiner Stimmbänder oder einer Gitarrensaite mehrfach hin- und her bewegt werden. „Eine solche wiederkehrende Hin- und Herbewegung nennt man mechanische Schwingung. Eine mechanische Schwingung ist die wiederkehrende Hin- und Herbewegung eines Körpers um eine Ruhleage.“ Auch hier kommt es wieder zu Verdichtungen und Verdünnungen, die sich, genau wie gerade beschrieben, im Medium ausbreiten. Übrigens nennen wir die Ausbreitung einer Störung oder Schwingung im Raum Welle. Damit können wir nun endlich definieren, was Schall eigentlich ist. Schall ist die Ausbreitung einer einmaligen 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. Kurz gesagt: Schall ist der Bereich mechanischer Wellen, den wir mit den Ohren wahrnehmen können. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle heißt Schallgeschwindigkeit. Sie ist abhängig vom Medium. „In der Luft ist sie deutlich abhängig von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Bei null Grad Celsius beträgt sie zirka „dreihundertzweiunddreißig“ Meter pro Sekunde, bei zwanzig Grad Celsius zirka „dreihundertvierzig“ Meter pro Sekunde. Am besten merkst du dir: Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist etwa „Ein Drittel Kilometer pro Sekunde“. In Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit zirka „eintausendvierhundertachtzig“ Meter pro Sekunde, in Stahl etwa „fünftausendachthundert“ Meter pro Sekunde. Jetzt haben wir alle Informationen zusammen, die wir für die Entfernungsbestimmung des Gewitters benötigen. Dort, wo das Gewitter tobt, finden Donner und Blitz gleichzeitig statt. In einiger Entfernung sehen wir aber den Blitz, bevor wir den Donner hören. Woran liegt das? Der Blitz ist ja ein Lichtsignal, das mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wird. Diese beträgt „dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde“. Für alle Entfernungen auf der Erde ist die Zeit, die das Licht zu uns braucht, so klein, dass wir sie ignorieren können. Der Donner hingegen ist ein Geräusch, wird also mit Schallgeschwindigkeit übertragen, „die in Luft, wie wir wissen, ungefähr ein „Drittel Kilometer pro Sekunde“ beträgt. Wenn du also, sobald du den Blitz siehst, langsam ungefähr im Sekundentakt – Einundzwanzig, Zweiundzwanzig – zählst, bis du den Donner hörst,“ und dann das Ergebnis durch drei teilst, erhältst du die Entfernung des Gewitters in Kilometern. Tadaaaa! Wir wollen noch kurz auf drei weitere Eigenschaften des Schalls eingehen, bevor wir zur Zusammenfassung kommen. Alle drei kennst du aus eigener Erfahrung. Schall wird reflektiert, wenn er auf ein Hindernis wie zum Beispiel eine Wand trifft. Wenn man in einem Raum die Sprachverständlichkeit erhören möchte, stellt man gezielt Reflexionswände hin, die den Schall in die Bereiche des Raumes lenken, in denen man sonst schwer hören würde. Das bekannteste Beispiel für Reflexion ist das Echo. Hierbei wird der Schall, die Originalwelle, in Richtung der Schallquelle als reflektierte Welle zurückgeworfen. Wenn Schall auf eine Kante trifft, dann wird die Kante zum Ausgangspunkt neuer Schallwellen. Auf diese Weise können wir um die Ecke hören. Dieses Phänomen nennt man Beugung. Schallwellen durchdringen einander ungestört. Deshalb verstehen wir einander, auch wenn mehrere Leute gleichzeitig reden. Man nennt dies auch Kaffeekränzcheneffekt. Und damit uns jetzt nichts entgeht, fassen wir zusammen. Schall ist die Ausbreitung einer mit den Ohren wahrnehmbaren mechanischen Störung oder Schwingung in einem Medium. Oder auch: Schall ist der Bereich mechanischer Wellen, den wir mit den Ohren wahrnehmen können. „Die mechanischen Wellen breiten sich innerhalb eines Mediums aus. Medien können Gase, Flüssigkeiten und Festkörper sein.“ Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium. Schallwellen werden reflektiert, gebeugt, und durchdringen einander ungestört. Um die Entfernung eines Gewitters herauszubekommen, zählt man langsam die Zeit zwischen Blitz und Donner und teilt das Ergebnis durch drei. Die Zahl, die man erhält, ist die Entfernung in Kilometern. Bekommst du heraus, wie weit das Gewitter vom Anfang entfernt gewesen ist? Schreib es in die Kommentare!

42 Kommentare
42 Kommentare
  1. 1km

    Von Lang-Sen, vor 4 Monaten
  2. Morgen Arbeit :( ich verstehe es nicht.

    Von Alexander, vor 4 Monaten
  3. Es ist ein tolles Video. Bin schon in der 7.Klasse und Physik ist mein 1.Lernjahr

    Von Sofatutorstern, vor 4 Monaten
  4. Ist es richtig?

    Von Sofatutorstern, vor 4 Monaten
  5. 23:3= 7 6666…7

    Von Sofatutorstern, vor 4 Monaten
Mehr Kommentare

Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Erzeugung und Ausbreitung von Schall, Reflexion und Beugung kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.