8. – 11. Schuljahr

Christopher Kurth

Wie weit ist das Gewitter entfernt?

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Luft mithilfe einer Video- und Tonanalyse

„Einundzwanzig, Zweiundzwanzig, Dreiundzwanzig, , Neunundzwanzig. Neun geteilt durch drei ergibt drei. Das Gewitter muss also etwa drei Kilometer entfernt sein. Einige (wenige) Schülerinnen und Schüler kennen „Omas Faustformel zur Berechnung der Entfernung eines Gewitters auch heute noch (s.a. Kasten 3 zu Vorkenntnissen und Vorstellungen zum Thema Gewitter). Das Nachvollziehen der Formel „Die Anzahl der Sekunden zwischen Blitz und Donner geteilt durch drei ergibt die Entfernung in Kilometern kann als Motivation zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit dienen.
Experimentelle Varianten
Experimente zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit finden sich in vielen Schulbüchern der Sekundarstufe I. Ebenso zahlreich sind die beschriebenen Vorgehensweisen, von denen einige in Kasten 1 vorgestellt werden.
Experimente zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Sekundarstufe I
Experimente zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Sekundarstufe I
Methode 1
Zwei Bretter werden im Sekundentakt zusammengeschlagen und aus Entfernungen von 150 Metern und 300 Metern beobachtet. Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler feststellen, dass der Knall des Zusammenschlagens für den 150 Meter entfernt stehenden Beobachter genau zwischen zwei Schlägen zu hören ist und durch den 300 Meter entfernten Beobachter wieder synchron mit den Schlägen wahrgenommen werden kann ([1], S. 9).
Methode 2
Die Zeitspanne zwischen dem Zusammenschlagen einer Startklappe und der Wahrnehmung des Schalls wird mithilfe einer Stoppuhr direkt gemessen ([2], S. 87).
Methode 3
Um dem Problem der sehr geringen Zeitspannen zu begegnen, besteht die Möglichkeit, sich vor einer Wand zu positionieren und so im Rhythmus zu klatschen, dass das Klatschen mit dem Hören des von der Wand reflektierten Schalls übereinstimmt. Eine Messung der Klatschfrequenz liefert in Verbindung mit der Entfernung zur Wand die Schallgeschwindigkeit ([2], S. 87).
Methode 4
Die Laufzeit des Schalls wird mittels zweier Mikrofone gemessen. Dabei misst eine elektronische Stoppuhr die Zeit, die der Schall zum Zurücklegen der Strecke zwischen den beiden Mikrofonen benötigt ([2], S. 87).
Ein Vorteil der Methoden 1 und 2 liegt in den Messverfahren, deren zugrundeliegende Ideen unmittelbar aus dem Betrachten eines Gewittervideos heraus gewonnen werden können. Durch die Vorgabe der Beobachtungsentfernungen von 150 bzw. 300 Metern handelt es sich beim ersten Vorschlag jedoch eher um ein Bestätigungsexperiment. Ein wesentlicher Nachteil des zweiten Vorschlags ist die geringe Messgenauigkeit aufgrund kleiner Distanzen und der Reaktionszeit der Jugendlichen.
Abgesehen vom Problem der Ungenauigkeit hat das dritte Vorgehen den Nachteil, nicht unmittelbar auf die Messung der Entfernung eines Gewitters übertragbar zu sein.
Der vierte Ansatz liefert zwar auch für kurze Strecken genauere Ergebnisse, ist jedoch im Gegensatz zu den anderen Vorschlägen durch den Einsatz der elektronischen Messinstrumente wenig anschaulich. Außerdem kann er nicht zeitgleich von mehreren Schülergruppen durchgeführt werden.
Der im Folgenden vorgestellte Ansatz vereint die Vorteile der in Kasten 1 beschriebenen Versuche, indem er mit „einfachen Mitteln eine bezogen auf den Kontext anschauliche Bestimmung der Schallgeschwindigkeit darstellt. Zudem wird durch die Videoauswertung der Zugang zu kleinen Zeitspannen bei gleichzeitig relativ genauer Messung ermöglicht.
Hinweise zum Unterricht
Ausgehend von den Gefahren eines Gewitters kann leicht die Frage motiviert werden, wie die Entfernung eines Gewitters im Alltag bestimmt werden kann. Als Unterrichtseinstieg sollte unterstützend zum Erfahrungsaustausch das Video eines Gewitters als gemeinsame Diskussionsgrundlage dienen (z.B. http://www.uni-kassel.de/fb10/index.php?id=43529). Durch die Distanzen im Kilometerbereich...

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