Physik Realschule Bayern › Akustik › Jahrgangsstufe 8
Akustik – Schall, Tonhöhe und Lautstärke
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 8 · Bayern · Wahlbereich Akustik
Im Wahlbereich Akustik der 8. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende die Entstehung und Ausbreitung von Schall, unterscheiden Tonhöhe und Lautstärke anhand von Frequenz und Amplitude und lernen den Hörbereich kennen. Das Teilchenmodell und die Schwingungen aus der Mechanik werden hier angewandt.
Wie Schall entsteht
Schall entsteht, wenn ein Körper schwingt: eine Gitarrensaite, eine Lautsprechermembran, die Stimmlippen. Die Schwingung überträgt sich auf die Luftteilchen in der Umgebung. Diese werden abwechselnd zusammengedrückt und auseinandergezogen; so läuft eine Schallwelle durch die Luft bis zum Ohr. Schall braucht also immer ein Medium (Luft, Wasser, Feststoffe). Im luftleeren Weltraum kann sich Schall nicht ausbreiten.
Schallgeschwindigkeit
Schall breitet sich viel langsamer aus als Licht. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa \(340\,\mathrm{\frac{m}{s}}\), in Wasser und in festen Stoffen ist sie größer. Weil Licht fast augenblicklich ankommt, der Schall aber Zeit braucht, kann man aus der Zeit zwischen Blitz und Donner die Entfernung eines Gewitters abschätzen.
Beispiel 1: Echo an einer Felswand
Jemand ruft laut und hört nach \(2{,}0\,\mathrm{s}\) sein Echo von einer Felswand. Wie weit ist die Wand entfernt? Die Schallgeschwindigkeit beträgt \(340\,\mathrm{\frac{m}{s}}\).
Gegeben: \(t=2{,}0\,\mathrm{s}\), \(v=340\,\mathrm{\frac{m}{s}}\)
Gesucht: Entfernung \(s\) zur Wand
Formel: Der Schall legt Hin- und Rückweg zurück: \(2s=v\cdot t\)
Antwort: Der Schall legt in \(2{,}0\,\mathrm{s}\) insgesamt \(340\,\mathrm{\tfrac{m}{s}}\cdot 2{,}0\,\mathrm{s}=680\,\mathrm{m}\) zurück. Das ist Hin- und Rückweg, die Wand ist also \(340\,\mathrm{m}\) entfernt.
Tonhöhe und Lautstärke
Zwei Eigenschaften eines Tons lassen sich aus seiner Schwingung ablesen. Die Frequenz \(f\) gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde erfolgen; ihre Einheit ist das Hertz \((\mathrm{Hz})\). Sie bestimmt die Tonhöhe: Je größer die Frequenz, desto höher der Ton. Die Amplitude ist der größte Ausschlag der Schwingung; sie bestimmt die Lautstärke: Je größer die Amplitude, desto lauter.
Beispiel 2: Frequenz aus Schwingungen
Eine Stimmgabel führt in \(0{,}5\,\mathrm{s}\) genau \(220\) Schwingungen aus. Welche Frequenz hat sie?
Gegeben: \(220\) Schwingungen in \(t=0{,}5\,\mathrm{s}\)
Gesucht: Frequenz \(f\)
Formel: \(f=\frac{\text{Anzahl der Schwingungen}}{\text{Zeit}}\)
\( f=\dfrac{220}{0{,}5\,\mathrm{s}}=440\,\mathrm{Hz} \)
Antwort: Die Stimmgabel schwingt mit \(440\,\mathrm{Hz}\). Das ist der Kammerton a, nach dem Musikinstrumente gestimmt werden.
Der Hörbereich des Menschen reicht etwa von \(16\,\mathrm{Hz}\) bis \(20\,000\,\mathrm{Hz}\). Darunter liegt der Infraschall, darüber der Ultraschall, den manche Tiere hören und der zum Beispiel in der Medizin und zum Einparken genutzt wird. Sehr laute Geräusche können das Gehör dauerhaft schädigen.
Beispiel 3: Der Hörbereich
Ordne auf einer Frequenzachse ein, wo der hörbare Bereich, der Infraschall und der Ultraschall liegen.
Antwort: Zwischen \(16\,\mathrm{Hz}\) und \(20\,000\,\mathrm{Hz}\) liegt der Hörbereich. Tiefere Frequenzen sind Infraschall, höhere Ultraschall. Mit zunehmendem Alter sinkt die obere Hörgrenze.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Schall im Vakuum: Ohne Medium kein Schall. Im Weltraum ist es still.
- Frequenz und Amplitude verwechselt: Frequenz bestimmt die Tonhöhe, Amplitude die Lautstärke.
- Echo: Hin- und Rückweg vergessen: Beim Echo läuft der Schall zur Wand und zurück, also die doppelte Entfernung.
- Schall so schnell wie Licht: Schall ist millionenfach langsamer als Licht; deshalb kommt der Donner nach dem Blitz.
- Höher gleich lauter: Ein hoher Ton ist nicht automatisch lauter. Tonhöhe und Lautstärke sind unabhängig voneinander.
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Vorheriges Thema: Astronomie: Weltbilder und Sonnensystem
Nächstes Thema (Jahrgangsstufe 9): Druck und Teilchenmodell
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