Ausbreitung und Verhalten von Licht und Schall einfach erklärt

Stell dir vor, du schaust einen spannenden Science-Fiction-Film. Ein riesiges Raumschiff explodiert mit einem gewaltigen Knall! Aber wusstest du, dass das in der Realität völlig unmöglich ist?

Im Weltall herrscht absolute Stille. Selbst die größte Explosion würde keinen einzigen Ton erzeugen. In diesem Artikel zur Ausbreitung und Verhalten von Licht und Schall finden wir heraus, warum wir die Sterne zwar sehen, aber nicht hören können, und warum bei einem Gewitter der Blitz immer vor dem Donner kommt!

Vorwissen

• Vakuum: Ein Raum, in dem sich absolut nichts befindet – nicht einmal Luft (wie im Weltall). Beispiel: In einem Vakuum könnten wir nicht atmen und ein Papierflieger würde sofort abstürzen, weil die Luft zum Gleiten fehlt.
• Ausbreitung: Licht und Schall bewegen sich von einer Quelle weg in den Raum hinein. Beispiel: Das Licht einer Taschenlampe wandert durch das Zimmer, bis es die Wand trifft.

Aufgabentyp 1: Brauchen Licht und Schall ein Transportmittel?

Um die Ausbreitung und das Verhalten von Licht und Schall zu verstehen, müssen wir uns ansehen, wie sie sich fortbewegen. Schall ist wie eine La-Ola-Welle im Fußballstadion: Er braucht „Zuschauer“ (also Teilchen wie Luft, Wasser oder Metall), die die Bewegung an den nächsten Nachbarn weitergeben. Ohne diese Teilchen kann sich der Schall nicht fortbewegen. Man nennt Stoffe, die den Schall weiterleiten, auch Ausbreitungsmedium.

Licht hingegen ist wie ein fliegender Ball. Es braucht niemanden, der es weitergibt. Es kann ganz alleine durch den leeren Raum fliegen. Deshalb erreicht uns das Licht der Sonne problemlos durch das Vakuum des Weltalls, aber wir hören keine Geräusche von den gewaltigen Sonnenstürmen.

Die klingelnde Vakuumglocke

Ziel: Wir wollen beweisen, dass Schall Luft braucht, Licht aber nicht.

Materialien: Eine durchsichtige Glasglocke, eine elektrische Klingel, eine Vakuumpumpe.

Durchführung:

1. Wir stellen die Klingel unter die Glasglocke und schalten sie ein.
2. Wir schalten die Vakuumpumpe ein, die langsam die gesamte Luft aus der Glasglocke heraussaugt.

Beobachtung: Am Anfang sehen wir den Hammer der Klingel wackeln und hören das Klingeln laut und deutlich. Je mehr Luft abgepumpt wird, desto leiser wird das Geräusch. Am Ende, wenn ein Vakuum entstanden ist, hören wir gar nichts mehr! Wir sehen aber immer noch, wie der Hammer wild gegen die Klingel schlägt.

Erklärung: Das Licht reist problemlos durch das Vakuum zu unseren Augen, deshalb sehen wir die Bewegung. Der Schall kann jedoch nicht mehr zu unseren Ohren reisen, weil die Luft als Ausbreitungsmedium fehlt.

Aufgabentyp 2: Wer ist schneller: Licht oder Schall?

Wenn Licht und Schall ein Rennen machen, gewinnt das Licht immer – und zwar mit einem gigantischen Vorsprung!

Die Lichtgeschwindigkeit in der Luft beträgt unglaubliche $300.000 \text{ km/s}$. Das ist so schnell, dass das Licht in einer einzigen Sekunde fast achtmal um die ganze Erde fliegen könnte! Für uns sieht es so aus, als wäre das Licht sofort da.

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft ist mit etwa $340 \text{ m/s}$ viel langsamer.

Deshalb sehen wir bei einem Gewitter zuerst den Blitz und hören erst einige Sekunden später den Donner, obwohl beide genau gleichzeitig oben in der Wolke entstehen!

Interessanter Fakt: Wenn Licht und Schall durch Wasser reisen, ändern sich ihre Geschwindigkeiten. Das Wasser bremst das Licht ein wenig ab. Der Schall hingegen wird im Wasser plötzlich viel schneller als in der Luft! Wale können sich deshalb über riesige Entfernungen im Ozean unterhalten.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Da wir wissen, dass der Schall in jeder Sekunde $340 \text{ m}$ zurücklegt, können wir ganz einfach ausrechnen, wie weit ein Gewitter entfernt ist.

1. Zeit messen: Zähle die Sekunden, die zwischen dem Aufleuchten des Blitzes und dem Krachen des Donners vergehen.
2. Formel aufstellen: Die Entfernung (Strecke) berechnet sich aus der Geschwindigkeit mal der Zeit: $\text{Strecke} = \text{Geschwindigkeit} \cdot \text{Zeit}$.
3. Werte einsetzen und ausrechnen: Setze die Schallgeschwindigkeit ($340 \text{ m/s}$) und deine gemessene Zeit in die Formel ein und rechne das Ergebnis aus.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Du stehst am Fenster und siehst einen hellen Blitz. Du zählst genau $3 \text{ s}$, bis du den lauten Donner hörst. Berechne, wie weit das Gewitter von deinem Haus entfernt ist.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

3 / 3

1. 1
   Schritt 1
   Zeit messen

   Gegeben: Zeit = $3 \text{ s}$, Schallgeschwindigkeit = $340 \text{ m/s}$. Gesucht: Entfernung (Strecke).

2. 2
   Schritt 2
   Formel aufstellen

   $\text{Strecke} = \text{Geschwindigkeit} \cdot \text{Zeit}$

3. 3
   Schritt 3 · Ergebnis
   Werte einsetzen und ausrechnen

   $\text{Strecke} = 340 \text{ m/s} \cdot \textcolor{#08BFFF}{3 \text{ s}}$ $\text{Strecke} = 1020 \text{ m}$

Ergebnis:

Das Gewitter ist $1020 \text{ m}$ (also etwas mehr als einen Kilometer) von deinem Haus entfernt. Realitätscheck: Ein Kilometer ist eine typische Entfernung für ein Gewitter, das man gut sehen und hören kann. Das Ergebnis ist logisch.

Aufgabentyp 3: Wenn Licht und Schall abprallen

Was passiert, wenn Licht oder Schall auf ihrem Weg gegen ein Hindernis prallen? Sie fliegen nicht einfach hindurch, sondern werden zurückgeworfen! Dieses Zurückwerfen nennt man in der Physik Reflexion.

• Schallreflexion: Wenn du in den Bergen laut rufst, prallt der Schall an der harten Felswand ab und kommt zu dir zurück. Das hörst du dann als Echo. Auch in großen Kirchen mit runden Kuppeln wird der Schall so gut reflektiert, dass man selbst leises Flüstern weit entfernt hören kann.
• Lichtreflexion: Wenn Licht auf eine sehr glatte Oberfläche trifft, wie zum Beispiel einen Spiegel, eine Fensterscheibe oder einen stillen See, wird es ebenfalls reflektiert. Dadurch können wir unser eigenes Spiegelbild sehen.

Obwohl Licht und Schall sehr unterschiedlich sind, verhalten sie sich bei der Reflexion also ganz ähnlich!

Wichtige Erkenntnisse

• Ausbreitungsmedium: Schall braucht immer einen Stoff (wie Luft oder Wasser), um sich zu bewegen. Licht kann sich auch im völlig leeren Vakuum des Weltalls ausbreiten.
• Geschwindigkeit: Licht ist extrem schnell ($300.000 \text{ km/s}$). Schall ist viel langsamer ($340 \text{ m/s}$ in der Luft). Deshalb sehen wir den Blitz vor dem Donner.
• Reflexion: Beide können an Hindernissen abprallen. Beim Schall nennen wir das Echo, beim Licht entsteht ein Spiegelbild.