Physikalische Eigenschaften des Schalls: Tonhöhe und Lautstärke

Hast du schon einmal an einem Gummiband gezupft oder eine Gitarre gespielt? Manchmal klingt der Ton hoch wie das Piepsen einer Maus, und manchmal tief wie das Brummen eines Bären. Und manchmal ist die Musik flüsterleise, ein anderes Mal ohrenbetäubend laut. Wenn wir uns die physikalischen Eigenschaften des Schalls: Tonhöhe und Lautstärke genauer ansehen, verstehen wir, warum das so ist.

In diesem Artikel werden wir herausfinden, wie genau Bewegungen unsere Töne verändern. Du wirst lernen, wie Wissenschaftler Töne messen und warum ein einfaches Lineal dir alles über Musik beibringen kann!

Vorwissen

• Schwingung: Eine schnelle Hin- und Herbewegung eines Gegenstandes.

  Beispiel: Wenn du eine Gitarrensaite zupfst, bewegt sie sich sehr schnell hin und her. Diese Bewegung erzeugt den Schall.

Aufgabentyp 1: Frequenz, Tonhöhe und Hertz

Jeder Ton entsteht durch eine Schwingung. Aber nicht alle Schwingungen sind gleich schnell. Die Geschwindigkeit dieser Hin- und Herbewegungen bestimmt die Tonhöhe.

Je schneller ein Gegenstand schwingt, desto höher klingt der Ton. Je langsamer er schwingt, desto tiefer klingt der Ton.

In der Physik gibt es für diese Geschwindigkeit ein besonderes Wort: die Frequenz. Die Frequenz gibt an, wie viele Hin- und Herbewegungen ein Gegenstand in genau einer Sekunde schafft.

Gemessen wird das in der Einheit Hertz (Hz), benannt nach dem Physiker Heinrich Hertz.

Ein Beispiel: Wenn sich die Flügel einer Mücke in einer Sekunde 500-mal hin- und herbewegen, dann ist die Frequenz genau $500 \text{ Hz}$. Das erzeugt einen sehr hohen, nervigen Summton!

Auch die Länge eines Gegenstandes ist wichtig: Ein langes Lineal oder lange Stimmbänder (wie bei Erwachsenen) schwingen langsamer. Sie haben eine niedrige Frequenz und erzeugen tiefe Töne. Kurze Gegenstände schwingen schneller und erzeugen hohe Töne.

Das singende Lineal

Zweck: Wir machen hörbar, wie die Länge eines Gegenstandes die Tonhöhe verändert.

Materialien: Ein langes Plastiklineal, ein Tisch.

Durchführung:

1. Lege das Lineal so auf den Tisch, dass mehr als die Hälfte über die Tischkante hinausragt.
2. Drücke den Teil auf dem Tisch mit einer Hand sehr fest nach unten.
3. Zupfe mit der anderen Hand das freie Ende des Lineals an.
4. Schiebe das Lineal nun weiter auf den Tisch, sodass nur noch ein kurzes Stück übersteht, und zupfe erneut.

Beobachtung: Wenn das Lineal weit übersteht (lang ist), wackelt es langsam und brummt tief. Wenn nur ein kurzes Stück übersteht, wackelt es sehr schnell und der Ton ist viel höher.

Erklärung: Das kurze Lineal schwingt schneller. Es hat eine höhere Frequenz und erzeugt deshalb eine höhere Tonhöhe.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schritt 1: Anzahl der Schwingungen finden – Lies im Text nach, wie oft sich der Gegenstand hin- und herbewegt.
2. Schritt 2: Die Zeit finden – Finde heraus, in wie vielen Sekunden diese Schwingungen passieren.
3. Schritt 3: Frequenz ausrechnen – Teile die Anzahl der Schwingungen durch die Sekunden. Das Ergebnis ist die Frequenz in der Einheit Hertz (Hz).

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Amplitude und Lautstärke

Wir wissen jetzt, wie hohe und tiefe Töne entstehen. Aber was macht einen Ton laut oder leise?

Die Lautstärke hat nichts mit der Frequenz zu tun! Es ist egal, wie schnell der Gegenstand schwingt. Wichtig ist, wie stark oder weit er schwingt.

Denk noch einmal an das Lineal auf dem Tisch: Wenn du das Ende nur ein kleines bisschen nach unten drückst und loslässt, hörst du einen leisen Ton. Wenn du das Lineal aber ganz weit nach unten biegst und dann loslässt, macht es eine viel größere Bewegung und der Ton wird richtig laut.

Die maximale Weite dieser Bewegung (also wie weit das Lineal aus seiner Ruhelage nach unten gebogen wurde) nennen Wissenschaftler die Amplitude.

• Kleine Amplitude = leiser Ton
• Große Amplitude = lauter Ton

Um das sichtbar zu machen, nutzen Forscher ein Gerät namens Oszilloskop. Das ist ein Bildschirm, der Schall als Wellenlinien anzeigt.

Auf dem Bildschirm kannst du genau sehen: Ein lauterer Ton erzeugt eine Welle, die viel weiter nach oben und unten ausschlägt. Er hat eine größere Amplitude!

Wichtige Erkenntnisse

• Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen in einer Sekunde. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen.
• Die Frequenz bestimmt die Tonhöhe: Hohe Frequenz = hoher Ton, niedrige Frequenz = tiefer Ton.
• Lange Gegenstände erzeugen tiefe Töne, kurze Gegenstände erzeugen hohe Töne.
• Die Amplitude ist die größte Auslenkung (Weite) einer Schwingung.
• Die Amplitude bestimmt die Lautstärke: Große Amplitude = lauter Ton, kleine Amplitude = leiser Ton.