Funktioniert Schallleitung auch mit einem Laborkabel?

Idee: Marlies Rommel, Erich Kästner Gymnasium, Eislingen/Fils

Versuche mit der Stimmgabel gehören zum Standardrepertoire eines Anfangsunterrichts zum Thema Akustik.

Das Thema Schallleitung kommt dabei oft zu kurz. Das ist eigentlich schade, denn einige grundlegende Versuche lassen sich mit geringen Aufwand einfach durchführen. Man kann daran auch sehr gut die Modellbildung und die physikalische Denkweise verdeutllichen und schulen.

Gute und schlechte Schallleiter:
Materialien zwischen Stimmgabel und Resonanzkasten

Entfernt man die Stimmgabel vom Resonanzkasten, so kann man in den entstehenden Zwischenraum verschiedene Materialien bringen, um deren Schallleitungseigenschaften zu untersuchen.
Naheliegend und interessant sind z.B. folgende Körper:
  • Tafelschwamm
  • Styropor
  • Metallstück (Stativstange, Labormaterial)
  • ein Kunststoffstab (z.B. aus Elektrostatikexperimenten)
  • ein Holzstück
Damit kann man dann schnell gute und schlechte Schallleiter voneinander unterscheiden.		 Stimmgabel und Resonanzkasten

Folgende Fragen bleiben aber noch ungeklärt:

  • Wie funktioniert die Schallleitung eigentlich?
  • Warum leitet z.B. ein Metall den Schall besser als z.B. Styropor?

Leitet auch ein Laborkabel den Schall?

Laborkabel sind elektrische Leiter und sie sind aus Metall, dann müssten sie doch eigentlich auch den Schall gut leiten können!
Auf diese naheliegende Vermutung kommen Schülerinnen und Schüler vielleicht auch von selber.
Man kann diese Frage aber auch als Lehrerimpuls stellen und von den Schülern diskutieren lassen. So erfährt eine ganze Menge über ihre Präkonzepte der Schallleitung.

Führt man das Experiment dann durch, so ergibt sich eine Überraschung!

Während es für die Leitung des elektrischen Stroms überhaupt keine Rolle spielt, ob das Kabel straff gezogen oder gewunden auf dem Tisch liegt, ist dies für die Schallleitung sehr entscheidend!

Hier ggf. Versuchsvideo (mit Ton!!) einfügen

Ergebnis: Nur wenn das Kabel "straff gezogen" wird, leitet es den Schall, hängt es "schlaff durch", erfolgt keine Schallleitung.

Strammes Laborkabel schlaffes Laborkabel
Bild: strammes Kabel Bild schlaffes Kabel
Modell strammes Kabel Modell schlaffes Kabel
gute Schallleitung schlechte (keine) Schallleitung

Warum ist das so?

Diese Frage muss man anschließend mit der Klasse diskutieren.
Offenbar funktioniert die Schallleitung also nur wirklich dann gut, wenn die einzelnen Moleküle ihre Schwingbewegung "in gerader Linie" direkt an die Nachbarmoleküle weitergeben können.
Ist dies nicht möglich, dann wird die Schallinformation auch nicht weitergegeben.
Die Modelldarstellung (rechts) macht dies deutlich: das zweite Molekül kann die Schwingbewegung nicht an das folgende Molekül weitergeben, weil dieses nicht in einer Linie mit ihm liegt. Die Weitergabe der Schallinformation ist dadurch unterbrochen.

Modell: Newton-Wiege mit teilweise hochgestellten Kugeln

?? Modell: Schülerkette, (leichter) Schubs??

Auch beim Schnurtelefon muss die Schnur immer stramm sein!

Dass hinter dieser Überlegung ein wertvolles Prinzip steckt, das auch unabhängig vom Material des Schallleiters gilt, kann man dann mit dem bekannten Schnurtelefon zeigen:
Dabei werden in die Böden zweier Plastikbecher Löcher gebohrt und diese mit einer Schnur verbunden. Nur wenn die Schnur anschließend stramm gespannt ist und nirgends eingeklemmt wird, kann man mit den Kunststoffbechern "telefonieren".
Dabei wird der Boden des einen Kunststoffbechers in Schwingungen versetzt, wenn man in hin spricht. Die gespannte Schnur gibt die Schwingungsinformation weiter und der Boden des zweiten Kunststoffbechers schwingt dann genau im selben Takt mit. Dies hört man, wenn man den Becher ans Ohr hält.

Der erste Becher entspricht also der Stimmgabel, die Schnur dem (gespannten) Laborkabel und der zweite Becher dem Resonanzkasten.		 Bild SchnurtelefonBild :
Schnurtelefon