Wie fängt man Schall?

Teaser „Wie fängt man Schall?“

Was wird vermittelt?

Was ist Schall und wie entsteht er? Was ist der Unterschied zwischen hohen und tiefen Tönen?

Im Experiment „Wie fängt man Schall?“ erforschen die Kinder, wie man Schall messbar machen und, falls notwendig, dämpfen kann. Die Kinder bauen zuerst eine einfache Karton-Gitarre, um zu verstehen, dass Schall durch schwingende Luft entsteht. Je kürzer die Saite, desto höher ist der Ton – und je stärker die Schwingung, desto lauter klingt er. Danach messen sie mithilfe von Mikrofonen, Maßband und Tablet die Schallgeschwindigkeit und berechnen sie eigenständig. Abschließend testen sie verschiedene Materialien in Holzkisten, um herauszufinden, wie sich Schall am besten dämpfen lässt. Das beste Ergebnis liefert Akustikschaumstoff: Er streut und schluckt die Schallwellen. So gelingt es schließlich, einen Trompetenklang so zu dämpfen, dass der Nachbar nicht mehr gestört wird. Im optionalen Expertentest lernen die Kinder, wie man durch das Messen von Zeitabständen zwischen Blitz und Donner die Entfernung eines Gewitters bestimmt.

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Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Einsatz im Unterricht

Dauer: ca 30-40 Minuten

Lernziel: Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie Schall entsteht, wie man die Schallgeschwindigkeit misst und wie verschiedene Materialien Schall dämpfen können.

Einstieg

Die Lernenden betreten das virtuelle Labor und folgen der Einführung von Dr. Blubber. Eine Animation zeigt, wie ein Mädchen Trompete übt und der Nachbar sich über den „Lärm“ von über 60 Dezibel – das Maß für Lautstärke – beschwert, den er in seinem Wohnzimmer gemessen hat. Es soll herausgefunden werden, wie Schall entsteht und wie man ihn messen kann.

Schritt 1: Materialien auswählen

Nun suchen die Lernenden die benötigten Materialien im virtuellen Materialschrank.
  • drei Gummibänder
  • einen leeren Milchkarton
  • zwei Stifte
  • zwei Stative
  • zwei Mikrofone
  • ein Tablet
  • ein Verbindungskabel
  • ein Maßband
Hinweise helfen den Lernenden bei der Auswahl.

Schritt 2: Karton-Gitarre bauen und ausprobieren

Die Lernenden spannen die drei Gummibänder um den Milchkarton – fertig ist die Karton-Gitarre. Mit einem Plektron werden die Saiten gezupft. Alle „Saiten“ klingen gleich. Danach werden die zwei Stifte schräg unter die Gummibänder gelegt. Beim Zupfen klingt nun jede Saite anders. Den Grund dafür gibt die richtige Antwort auf die Quizfrage: Die Saiten sind nun unterschiedlich lang – und je kürzer eine Saite ist, desto schneller schwingt sie und desto höher ist der von ihr erzeugte Ton. Ein Erklärfilm erläutert die Entstehung von Schall durch schwingende Luft, wobei Lautstärke von der Amplitude und Tonhöhe von der Frequenz abhängt.

Schritt 3: Messstrecke auslegen und Mikrofone positionieren

Dr. Blubber erläutert, dass Schall im Alltag auch in Form eines Überschallknalls eines Düsenjets oder Gewitterdonner vorkommt. Nun soll die Geschwindigkeit des Schalls gemessen werden. Die Lernenden legen das Maßband auf 1 m aus und positionieren die beiden Stative an den Enden. Die Mikrofone werden jeweils in Klemmen an den Stativen befestigt. Anschließend werden die Mikrofone mit dem Audioprogramm im Tablet über zwei Kabel verbunden.

Schritt 4: Ton erzeugen und Signale aufnehmen

Die Karton-Gitarre wird direkt beim dem rechten Mikrofon platziert. Die drei Saiten werden mit dem Plektrum gezupft. Die Lernenden erkennen zwei Audiospuren auf dem Tablet: Sie sehen zwei zeitlich versetzte Ausschläge (Ankunft am ersten bzw. zweiten Mikrofon). Sie lesen den Wert ab und tragen die Zeitdifferenz ein: 3 tausendstel Sekunden (die Maßeinheit ist vorgeben).

Schritt 5: Schallgeschwindigkeit berechnen

Die Lernenden beantworten die Frage, wie man die Geschwindigkeit von Schall berechnen kann – wie viel Zeit der Schall gebraucht hat, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Sie tragen die ihnen bekannten Werte in eine vorgegebene Formel ein: 1 Meter geteilt durch 3 tausendstel Sekunden = 333 Meter pro Sekunde. Dies entspricht etwa 1.235 km/h und ist schneller als ein Passagierflugzeug fliegt. Erreicht ein Flugzeug diese Geschwindigkeit, verdichten sich die Druckwellen zu einer Schockwelle – dem Überschallknall.

Schritt 6: Aufbau zur Schalldämmung vorbereiten

Die Lernenden sollen nun einen Weg finden, wie man Schall einfangen bzw. wie man verhindern kann, dass der „Trompetenlärm“ die Wand des Nachbarn erreicht. In einer Versuchsreihe stellen sie einen Mini-Lautsprecher auf den Tisch und platzieren drei Holzkisten daneben: eine ohne Innenverkleidung, eine mit Teppich ausgekleidet und eine mit Akustikschaumstoff. Ein Tablet spielt ein kurzes, lautes Musikstück ab.

Schritt 7: Schall einfangen

Nacheinander werden die Kisten über den Lautsprecher gestülpt. Die Lernenden bewerten die Lautstärke. Anschließend wählen sie die Kiste, die den Schall am besten einfängt. Sie erkennen: die ungedämmte Kiste dämpft kaum, der Teppich dämpft mittel, Schaumstoff mit den Spitzen dämpft am besten.

Schritt 8: Erklärung und Schlussfolgerung

Das Geheimnis des Akustikschaumstoffs wird gelüftet: Schräg stehende Flächen lenken den Schall in verschiedene Richtungen ab, sodass er das Holz der Kiste nicht zum Schwingen bringt. Außerdem ist der Schaumstoff porös, weich und verformbar, wodurch die Energie der Schallwellen durch Reibung in Wärme umgewandelt und stark gebremst wird. Eine Animation zeigt, wie Karin beim Trompete spielen die Öffnung des Instruments in eine selbstgebaute Kiste mit Akustikschaumstoff hält. Der Nachbar misst nur noch 40 Dezibel ihres Spiels, ist besänftigt und beschwert sich nicht mehr.

Schritt 9: Aufräumen

Die Lernenden entscheiden, ob sie das virtuelle Labor selbst aufräumen oder dies automatisch erledigen lassen möchten. Wenn sie sich für das selbstständige Aufräumen entscheiden, müssen sie die benutzten Materialien korrekt sortieren.

Expertentest (optional)

Im Expertentest zählen die Lernenden die Sekunden zwischen Blitz und Donner und tragen die Zeit ein. Daraus wird automatisch die Entfernung des Gewitters berechnet. Sie schlussfolgern aus der Messreihe, dass das Gewitter näherkommt und sie sich besser in Sicherheit bringen sollten. Die Lernenden erhalten ein Expertendiplom, wenn sie den Test vollständig bis zum Ende durchführen.

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