5. – 10. Schuljahr

Alexander Pusch

Schnell wie der Schall

Experimente zur digitalen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

Das „Schulhofexperiment zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ist weitläufig bekannt: Eine Person klatscht deutlich sicht- und hörbar in die Hände. Die Schülergruppe steht in z.B. 100 m Entfernung und bestimmt mit einer Stoppuhr die Zeit zwischen dem Klatschen, das sie sehen, und dem eintreffenden Schall. Hier können qualitativ bereits anschaulich Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht und Schall durch die zeitliche Verzögerung zwischen den beiden Signalen ausgemacht werden. Die so ermittelten quantitativen Ergebnisse sind allerdings stark von der Reaktionszeit der manuellen Messung beeinflusst und vergleichsweise ungenau.
Im Gegensatz zu anderen Beiträgen dieses Heftes gibt es in diesem Artikel keine Unterteilung zwischen Schlüsselexperiment und digitalem Medium, da das (historische) Standardexperiment selber „digitalisiert ist und hier nun computergestützt durchgeführt wird.
Historische Experimente
Im Jahre 1687 veröffentlichte Isaac Newton die Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, in der er u.a. einen Wert für die Schallgeschwindigkeit voraussagte. Frühe Experimente mit Kanonen lieferten dann durch die Messung des Zeitunterschieds zwischen dem Lichtblitz des Mündungsfeuers und dem Abschussgeräusch bei großen Entfernungen zur Kanone bereits Werte im Bereich von 331,5 m/s. Der Literaturwert für die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft (20 °C) liegt bei 343,2 m/s.
Moderne Experimente
Während bei großen Distanzen, wie beispielsweise bei einem Gewitter, die Schallgeschwindigkeit durch Abschätzen bzw. Stoppen der Zeit ermittelt werden kann, ist dies in den Dimensionen des Klassenzimmers nicht mehr möglich.
Mit digitalen Medien hier in Form eines Computers mit Stereo-Soundkarte und zwei Mikrofonen – kann jedoch die Schallgeschwindigkeit auf recht einfache Art und Weise bestimmt werden (s.Kasten 1 und z.B. [1] – [2]).
Kasten 1: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit Soundkarte und Mikrofonen
Kasten 1: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit Soundkarte und Mikrofonen
Der Versuchsaufbau ist einfach und leicht zu verstehen (s. Abb. 3 ). Er wird hier ausführlich für die Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft erläutert. Die Messungen in Festkörpern und Flüssigkeiten werden ebenfalls kurz beschrieben, sind allerdings schwieriger und ihre Ergebnisse sind aufgrund von Störeinflüssen und den deutlich höheren Schallgeschwindigkeiten ungenauer.
Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft
Die Mikrofone werden in größtmöglichem Abstand z.B. auf Rolltischen in gleicher Höhe (z.B. mit Stativen) befestigt. Beide Mikrofonöffnungen sollten in Richtung der späteren Schallquelle zeigen. Der Abstand s zwischen beiden Mikrofonen wird gemessen (s.Abb. 3).
Als nächstes wird die Aufnahme in Audacity gestartet. Beide Mikrofone zeichnen nun zeitgleich auf.
Direkt hinter einem der beiden Mikrofone wird z.B. mit zwei Metallstangen oder mit den Händen ein kurzes, lautes Geräusch erzeugt. Dies kann einige Male wiederholt und dabei variiert werden, um mehrere Messungen zu erhalten (s.a. [5]). Nach dem Stoppen der Aufnahme ermittelt man mit dem Programm die Laufzeit (s. Abschnitt „Auswertung).
Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten
Dass die Schallgeschwindigkeit in Wasser deutlich größer ist als in Luft, kann den Lernenden aus dem Schwimmbad bekannt sein, denn unter Wasser sind Geräusche nur sehr schlecht zu orten. Mit gegen Feuchtigkeit geschützten Mikrofonen (z.B. mit Lack überzogen oder in Plastiktüten gesteckt) kann analog wie in Luft auch in einem Wasserbecken die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden (s. z.B. [6]).
Schallgeschwindigkeit in Festkörpern
Für eine Messung der Schallgeschwindigkeit in Festkörpern (z.B. in Stäben oder Stativmaterial) müssen die Mikrofone mit Klebeband an die Seiten des Stabes angebracht werden.
Die...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen