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Interferenz von akustischen Wellen

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Interferenz von akustischen Wellen
Alternativtext

Bauteile des Experiments

Kurzbeschreibung
Interferenz zum Hören mit akustischen Wellen.
Kategorien
RUB
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. II
Basiskonzept: Energie
Sonstiges
Durchführungsform Schülergruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie {{{AnzahlExp}}}
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Marvin Mallach
Kontakt: @
Uni: {{{Uni des Autors}}}
Betreuer*in: {{{Name des Betreuers}}}
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Dieses Experiment sollte qualitativ die Interferenz von akustischen Wellen zeigen. Besonders ist, dass man das Interferenzmuster nicht sieht, sondern direkt hören kann. Natürlich wird es zur Anschauung sichtbar gemacht. Das Experiment kann mit der ganzen Klasse als Gruppe durchgeführt werden.

Didaktische Analyse

Exemplarische Bedeutung

Wellen gelten als ein zentrales Prinzip der Natur und die Wellentheorie ist eine fundamentale Theorie, die auf viele Bereiche anzuwenden ist. Als Beispiele seien hier das Superpositionsprinzip, die Kohärenz, das Huygens´sche Prinzip, sowie Brechung und Reflexion genannt.

Gegenwartsbedeutung

In der Gegenwart einer Schülerin oder eines Schülers kommen einerseits zufällige Wellenerscheinungen, wie beispielsweise die Interferenz am Gefieder einer Purpurkehlnymphe oder Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten (Ölfilm auf dem Wasser), andererseits gewollte Interferenzerscheinungen, wie beispielsweise der Ultraschall in der medizinischen Diagnostik oder das Radar zur Geschwindigkeitsmessung vor. Des Weiteren haben Wellen im Physikunterricht eine große innerphysikalische Bedeutung. Wellen kommen in den Bereichen Optik, Mechanik, Akustik und Quantenphysik vor und ihre Eigenschaften bleiben immer dieselben. Mal nutzt man Welleneigenschaften, um Wellencharakter nachzuweisen, ein anderes mal weiß man, dass es sich um Wellen handelt und nutzt die Welleneigenschaften aus.

Zukunftsbedeutung

In der Zukunft wird man Interferenzerscheinungen von Wellen in der Quantenmechanik ausnutzen. Ziel ist es irgendwann den Wellencharakter von Teilchen nachzuweisen. Man macht sich die Eigenschaften zu nutze und zeigt, dass Teilchen Welleneigenschaften besitzen.

Struktur des Inhalts

Zuerst wird man in der Schule mechanische Wellen und ihre Charakteristika einführen. Hier werden die Begriffe Wellenberg, Wellental, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Superpositionsprinzip eingeführt. Der nächste Schritt ist die Einführung akustischer Wellen, Zu den vorher eingeführten Begriffen kommen jetzt die Begriffe Schwebung und Reflexion. Als nächster großer Baustein wäre das Licht als elektromagnetische Welle dran. Mit Versuchen an Einzelspalt, Doppelspalt und Gitter zeigt man, dass alle Eigenschaften von Wellen vorhanden sind. Danach würden die Mikrowellen eingeführt werden. Besonders ist hierbei, dass alle Welleneigenschaften im makroskopischen Bereich gezeigt werden können. Zum Schluss nutzt man die Welleneigenschaften aus, um den Wellencharakter des Elektrons nachzuweisen.

Zugänglichkeit

An der Struktur des Inhalts erkennt man direkt die vielen Möglichkeiten einen Zugang zu Wellen und Interferenzerscheinungen zu bekommen. Als klassisches Beispiel nenne ich hier die Wellenwanne, an der man unter anderem die Interferenz an einem Doppelspalt veranschaulichen kann. Ein weiterer Zugang sind "Wellenfolien" auf dem Overheadprojektor: zwei Folien mit äquidistanten, konzentrischen Kreisen verschiebt man gegeneinander, sodass das Interferenzmuster zu sehen ist. Lichtwellen bringt man am Doppelspalt zum interferieren. Mit Mikrowellen kann man Interferenzerscheinungen im makroskopischen Bereich zeigen. Der Versuch Mikrowellen am Doppelspalt ist hier einzusehen.

Versuchsanleitung

Aufbau

Abb. 1: Versuchsaufbau im Raum


Für diesen Versuch wird Folgendes benötigt:

  • 2 Lautsprecher
  • Sinusgenerator
  • Kabel

Die Lautsprecher stellt man gegenüber auf, sodass ihre Membranen aufeinander zeigen (Abbildung 1). Der Abstand sollte möglichst groß gewählt sein, am Besten man nutzt die komplette Raumbreite aus. Der Sinusgenerator versorgt beide Lautsprecher mit demselben Signal: Die Frequenz sollte zwischen 500 Hz und 700 Hz betragen.

Abb. 2: Versuchsaufbau im Freien

Um störende Effekte, wie beispielsweise die Reflexion an den Gegenständen im Raum, klein zu halten, könnte man diesen Versuch im Freien durchführen. Wenn man den Versuch im Freien durchführt, können die Boxen auch wie in Abbildung 2 stehen. Dabei ist es einfacher Parallelen zu Interferenzversuchen mit einem Doppelspalt herzustellen. Um ein möglichst "scharfes" Interferenzmuster zu erzeugen, sollte der Abstand der Lautsprecher dann ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge betragen.


Durchführung

Der Beobachter stellt sich jetzt genau zwischen beide Lautsprecher auf und bewegt sich langsam auf einen Lautsprecher zu. Dann bewegt sich der Beobachter in die andere Richtung, also auf den anderen Lautsprecher zu. Als nächstes weitet man den Bereich aus, indem man denselben Laufweg versetzt abläuft. So "ertastet" man den ganzen Raum. Um den Ton, den man hört, zu visualisieren, sollte man laute Stellen und leise Stellen auf dem Boden markieren, beispielsweise mit Kreide. Des Weiteren kann es helfen, das Signal genauer zu bestimmen, wenn man den Ton mit einem Mikrofon aufnimmt, welches an einem Voltmeter angeschlossen ist. Hierdurch hält man die Fehler, die beispielsweise durch den Abstand unserer Ohren zustande kommen, etwas geringer.

Beobachtung

Die Markierungen auf dem Boden zeigen das Interferenzmuster der Schallwellen. Je nach Abstand der Lautsprecher variiert das Muster, d.h. die Struktur bleibt erhalten, aber Anzahl und Abstand der Maxima und Minima ändern sich. Auch durch Variation der Frequenz ändert sich das Interferenzmuster, denn mit der Frequenz ändert sich nach die Wellenlänge.

Sicherheitshinweise

keine

Literatur

Alle Bilder in diesem Artikel wurden selbst erstellt.

Siehe auch