5. – 6. Schuljahr

Michael Weiermann und Philipp Wichtrup

Sehen, was man hört

Reale Visualisierung und Darstellung von Schallschwingungen mit dem Smartphone

In ihrem Alltag sind Schülerinnen und Schüler zahllosen Geräuschen ausgesetzt und kennen aus eigener Erfahrung diverse interessante Phänomene im Zusammenhang mit Schall. Diejenigen Physiklehrkräfte, die den Auftrag ihres Fachs auch darin sehen, das Verständnis altersangemessener, aber gleichzeitig tragfähiger Modelle zur Ordnung möglichst vieler dieser Beobachtungen zu lehren, stehen (nicht nur) im Bereich Akustik vor dem Problem, dass dabei häufig eine nicht zu vernachlässigende Abstraktionsleistung von den Lernenden erbracht werden muss.
Weil Grundlagen zur Akustik etwa in Nordrhein-Westfalen bereits in den Jahrgangsstufen 5 und 6 behandelt werden [1], stellt sich die Frage, welche Hilfsmittel eingesetzt werden können, um z.B. die Phänomene der Schallentstehung und -ausbreitung in Luft mit dazugehörigen Kenngrößen zugänglich zu machen.
Schall als mechanische Schwingung
Bei der Vermittlung der Eigenschaften von akustischen Phänomenen (Schallentstehung, -ausbreitung und -wahrnehmung) gründet sich ein tiefgehendes Verständnis auf die Beschreibung mechanischer Prozesse, die sich in Form von Schall ausprägen.
Materialien
Für die hier beschriebenen Experimente werden folgende Materialien benötigt (s.a. Abb. 1):
  • Stimmgabel,
  • Zinken,
  • Overheadprojektor,
  • Glasplatte,
  • Teelicht und Feuerzeug,
  • Smartphone mit App phyphox.
Experimente zum Schall als mechanischer Schwinungung
Als grundlegender Einstieg in den Unterricht zur Akustik wird empfohlen, durch eine Vielzahl von einfachen Versuchen (s. dazu auch [2]) Schall überhaupt erst in Verbindung mit Schwingungen zu bringen.
Die Beobachtungen dieser Versuche sollten Folgendes zeigen:
  • Schall entsteht, wenn Körper hin- und herschwingen.
  • Der dabei entstehende Klang ist umso höher, je schneller der Körper schwingt.
  • Der Klang ist umso lauter, je weiter der Körper hin- und herschwingt.
Danach ist eine zweite, wesentliche Voraussetzung für die Beschäftigung mit Schwingungsbildern sicherzustellen: Den Schülerinnen und Schülern muss klar werden, dass diese Bilder Visualisierungen der in den vorangegangenen Versuchen wahrgenommenen Körperschwingungen sind.
Visualisierung der Schwingungungen einer Stimmgabel
Als Demonstration wird eine spezielle Stimmgabel mit daran befestigtem Zinken angeschlagen und über eine mit einem Teelicht berußten Glasplatte gezogen (s. Abb. 1 ). Damit die Lernenden das entstandene Schwingungsbild sehen können, bietet es sich an, die Glasplatte auf einen Overheadprojektor oder unter eine, mit einem Beamer verbundene Kamera zu legen.
Damit können die im Unterrichtsverlauf vom Smartphone aufgezeichneten Schwingungsbilder (s. Kasten 1) in Analogie zum aufgezeichneten Bild der Stimmgabelschwingung als entsprechende Schwingungsbilder des internen Smartphone-Mikrophons angesehen werden (wobei Fragen der Übertragung des Schalls von der Quelle zum Empfänger noch ausgeklammert werden).
Kasten 1: Schwingungsbilder aufnehmen mit der App phyphox
Kasten 1: Schwingungsbilder aufnehmen mit der App phyphox
Experiment 1: Ton Klang Geräusch
Für die Unterscheidung zwischen Ton, Klang und Geräusch werden mit dem Smartphone Schwingungsbilder verschiedener Schallquellen aufgenommen.
Aufbau und Durchführung
Die Lernenden öffnen die App phyphox und wählen in der Kategorie „Akustik das Experiment „Audio-Oszilloskop.
Nach der Betätigung des „Start-Knopfes startet die Aufnahme. Es ist ratsam, dass die Lernenden in Kleingruppen zusammenarbeiten: Eine Person in der Gruppe hat die Aufgabe, Schall zu erzeugen, ein anderer sollte direkt danach auf den „Pause-Knopf drücken. So ist das Schwingungsbild eingefroren und kann von den Lernenden in Ruhe betrachtet werden.
Die Dauer der Aufnahme kann zwischen einer und 500 Millisekunden verändert werden. Je kleiner die Aufnahmezeit ist, umso schwieriger ist es, das...

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