Was ist ein Knall?

Druckerpapier (ein DIN A4-Blatt pro SchülerIn) 

Dieses Experiment ist ungefährlich. 

Der Knall ist nicht sehr laut, dennoch sollten sehr lärmempfindliche Kinder oder Erwachsene vielleicht Ohrenschutz bei diesem Experiment tragen.  

Die Aktivität kann eingebettet werden in ein Projekt zu den 5 Sinnen (Hörsinn).  

Ein Knall ist eine Schallart, die mit dem menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Bei Schall handelt es sich um rhythmische Wellen, die in der Regel durch das Zusammenpressen und das Ausdehnen von Luft entstehen. Beim Zusammenpressen der Luft wird die Dichte der Luft größer (das heißt: dieselbe Anzahl von Luft-Teilchen befindet sich auf einem engeren Raum), beim Ausdehnen der Luft wird die Dichte kleiner (das heißt: dieselbe Anzahl von Luft-Teilchen befindet sich in einem größeren Raum). Schallwellen breiten sich kreisförmig um die Schallquelle aus. Beim Hören werden diese Schallwellen vom Ohr aufgenommen. 

Amplitude und Frequenz 

Schallarten wie Knall, Ton, Klang und Geräusch unterscheiden sich durch die Amplitude und durch die Frequenz der Schallwelle. Die Amplitude bezeichnet die Größe der Druckschwankungen. Je größer die Druckschwankungen, desto lauter der Schall. Die Lautstärke von Schall wird in Dezibel angegeben und in einem Diagramm auf der Y-Achse eingezeichnet. Gespräche haben in der Regel eine Lautstärke zwischen 40-70 Dezibel. Ab etwa 85 Dezibel kann das Gehör bereits dauerhaft geschädigt werden. Ab 120 Dezibel wird Schall nur noch als Schmerz wahrgenommen. Frequenz bezeichnet die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Je höher die Frequenz, desto mehr Schwingungen pro Zeiteinheit und desto höher der Ton. Die Frequenz wird in einem Diagramm auf der X-Achse eingezeichnet und in Hertz (Hz) angegeben (Schwingungen pro Sekunde). Der sogenannte Hörbereich des Menschen bezeichnet die Frequenzen, die ein Mensch wahrnehmen kann und liegt bei etwa 16-21 Hz bis 16.000-20.000 Hz und ist sehr individuell. Als angenehm werden Töne im Bereich zwischen 2.000 und 5.000 Hz empfunden. 

Infraschall und Ultraschall 

Unterhalb von 16 Hz werden Frequenzen als Infraschall bezeichnet und über 21.000 Hz als Ultraschall. Infraschall kommt überall in der natürlichen Umgebung vor, kann aber auch durch technische Geräte verursacht werden. Manche Tiere wie Elefanten, Giraffen und Blauwale können Infraschall wahrnehmen und nutzen diese Laute auch zur Kommunikation. Infraschallwellen mit einer sehr tiefen Frequenz breiten sich gut über große Entfernungen aus. Im Wasser haben Infraschallwellen eine besonders hohe Reichweite. Tiere wie Fledermäuse und Nachtfalter können wesentlich höhere Frequenzen als der Mensch hören, Fledermäuse z. B. bis etwa 200.000 Hz. 

Ein Knall geht mit einer plötzlichen Luftbewegung einher, die sich als Welle mit einer einmaligen hohen Amplitude kurz im Raum ausbreitet und dann schnell wieder abklingt (die Amplitude verringert sich wieder). Ein Knall kann durch eine Explosion verursacht werden (eine Luftbewegung nach außen), oder durch eine Implosion (eine Luftbewegung nach innen). Wenn beispielsweise eine Neonröhre plötzlich kaputt geht, implodiert sie mit einem Knall, die Scherben fallen nach innen. Druckwellen, bzw. Dichteschwankungen in einem elastischen Medium wie Luft sind mit dem menschlichen Ohr wahrnehmbar. Bei dieser Bewegung, wie bei auch bei Tönen, Klängen und Geräuschen ändert sich die Dichte der Luft. Das bedeutet, dass sich die Luft-Teilchen entweder plötzlich ausbreiten oder zusammenziehen. Elastisch bedeutet, dass sich zusammengepresste oder ausgedehnte Luft wieder in den Ausgangszustand zurückbegibt. Auch Wasser ist ein elastisches Medium. 

Knall, Ton, Klang und Geräusch 

Stellt man einen Knall in einem Diagramm dar, zeigt die Linie einen großen Ausschlag, der dann in wenige kleinere Ausschläge übergeht (Abbildung 1). Bei einem anhaltenden Ton, wie beispielsweise von einer Flöte, beschreibt die Linie eine gleichmäßige Wellenlinie, in der ein Ausschlag in den nächsten identischen Ausschlag übergeht. Je nach Tonhöhe ist der Ausschlag größer oder kleiner. Bei einem Klang überlagern sich mehrere Töne und die Line besteht auch aus gleichmäßigen wiederkehrenden Wellenbewegungen, allerdings haben die Wellen durch die Überlagerung der Töne in sich Höhen und Tiefen. Ein Geräusch wird durch eine ungeordnete Wellenlinie mit Höhen und Tiefen beschrieben. 

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Luftbewegungen, die durch einen Knall, Ton, Klang oder Geräusch über Zeit erzeugt werden.  

Bei der Wahrnehmung von Knall, Ton, Klang und Geräusch gelangen die Schallwellen durch das Außenohr in den Gehörgang, wo sie das Trommelfell zum Schwingen bringen. Über die Gehörknöchelchenkette erreichen die Schallschwingungen die Hörschnecke und setzen die Flüssigkeit in der Cochlea in Bewegung. Durch die Bewegung der Flüssigkeit werden über die Haarzellen elektrische Signale ausgelöst, die vom Hörnerv weitergeleitet werden. Der Hörnerv übermittelt die Signale ans Gehirn, wo sie als akustisches Ereignis (Sprache, Geräusch, Musik, etc.) interpretiert werden. 

Luft und Holz

Schallwellen bewegen sich in der Luft mit einer Geschwindigkeit von ca. 343m/sek aus – das entspricht 1235 km/h. Aber auch andere Materien wie Holz und Wasser können Schallwellen übertragen oder verstärken. Das kennen die SchülerInnen von Holz- und Blechblasinstrumenten. Um die Übertragung von Schallwellen durch Holz zu beobachten, lege eine (tickende) Uhr an das eine Ende eines Holztisches. Bitte nun die SchülerInnen, sich erst an das Ende mit der Uhr und dann an das andere Ende des Tisches zu stellen. Können sie das Ticken noch hören? Wie laut ist es im Vergleich dazu, wenn sie direkt neben der Uhr stehen? Nun bitte die SchülerInnen, ihr Ohr auf das Tischende gegenüber der Uhr zu legen. Hören sie das Ticken? Ist es leise oder lauter? 

Die SchülerInnen werden vermutlich feststellen, dass sie das Ticken kaum noch hören können, wenn sie am anderen Ende des Holztisches stehen. Mit dem Ohr auf der Tischplatte ist das Ticken dann wieder gut wahrzunehmen. Das liegt daran, dass das Ticken von dem Holztisch verstärkt wird. Ein Holztisch kann, ähnlich wie ein Musikinstrument, die Schallwellen aufnehmen und vertärken. 

Die Rubrik „Ideen für naturwissenschaftlichen Unterricht in der Grundschule“ wurde in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l’innovation pédagogiques et technologiques) ausgearbeitet und wendet sich hauptsächlich an LehrerInnen der Grundschule. Das Ziel der Rubrik ist es, Dich als LehrerIn mit kurzen Beiträgen dabei zu unterstützen, die naturwissenschaftliche Methode zu vermitteln. Hierzu ist es nicht nötig, dass Du bereits alles über das jeweilige Naturwissenschafts-Thema weißt. Sondern vielmehr, dass Du ein Umfeld schaffst, in dem die SchülerInnen experimentieren und beobachten können. Ein Umfeld, in dem die SchülerInnen lernen Fragen und Hypothesen zu formulieren, Ideen zu entwickeln und durch Beobachtung Antworten zu finden.  

Wir strukturieren unsere Beiträge daher auch immer nach demselben Schema (Frage, Hypothese, Experiment, Beobachtung/Fazit),* wobei das Experiment entweder selbständig in der Klasse durchgeführt wird oder durch Abspielen eines Videos vorgezeigt wird. Dieses Schema kann eigentlich für alle wissenschaftlichen Themen angewendet werden.   

Mit dem Hintergrundwissen liefern wir weiterführende Erklärungen, damit sich interessierte LehrerInnen informieren können und aufkommende Fragen beantworten können. Außerdem besteht so die Möglichkeit, dass die SchülerInnen selbständig auf science.lu die Erklärung recherchieren. 

Wir hoffen, dass unsere Beiträge behilflich sind und von Dir in der Schule genutzt werden können. Wir freuen uns über Feedback und Anregungen und sind gerne bereit, unsere Beiträge stetig zu optimieren. Hier kannst Du uns kontaktieren.  

*In der Praxis läuft der wissenschaftliche Prozess nicht immer so linear ab. Der Einfachheit halber gehen wir in dieser Rubrik jedoch immer linear vor.  

Das Luxembourg Science Center in Differdange bietet pädagogische interaktive Experimentierstationen und Science-Demos zum Thema Akkustik an, die als Erweiterung zu diesem Experiment dienen können. Hier findest Du die Kontaktdaten, um Dich über die Angebote zu informieren: 

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Das Science Center in Differdange 
Tel: (00352) 288 399-1 
Email: / 
Webseite: http://www.science-center.lu 

Hier findest Du weitere Links zu Wissenschaftskommunikatoren und Workshop-Anbietern. 

Bietet Deine Institution auch pädagogische Aktivitäten in diesem Bereich an und möchtest Du auf science.lu verlinkt werden, nimm bitte hier Kontakt mit uns auf. 

Im SciTeach Center können sich LehrerInnen Info-, Experimentier- und Expositionsmaterial ausleihen und mit dem schülerzentrierten „forschend- entdeckenden“ Lernen vertraut machen. 

Während unsere Rubrik darauf abzielt, den SchülerInnen die naturwissenschaftliche Methode anhand einer Anleitung näher zu bringen, geht es beim Konzept vom schülerzentrierten forschend-entdeckenden Lernen darum, den SchülerInnen selbst mehr Gestaltungsmöglichkeiten zu geben. Du gibst als LehrerIn nur ein paar Materialien oder Fragen vor. Die SchülerInnen entscheiden dann selbst, wofür sie sich interessieren oder was sie ausprobieren wollen. Als LehrerIn begleitest und unterstützt Du sie dabei. 

Im SciTeach Center soll das Kompetenzlernen im naturwissenschaftlichen Unterricht gefördert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, bietet das SciTeach Center LehrerInnen die Möglichkeit, gemeinsam mit anderen LehrerInnen und dem wissenschaftlichen Personal des SciTeach Centers neue Ideen und Aktivitäten für ihren naturwissenschaftlichen Unterricht zu entwickeln. Durch diese Zusammenarbeit soll auch das Vertrauen in den eigenen Unterricht gestärkt und mögliche Ängste gegenüber freiem Experimentieren abgebaut werden. Betreut werden die Veranstaltungen von wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen der Universität Luxemburg sowie von zwei Lehrerinnen. 

Firwat héiert een de Bass souguer duerch déck Maueren? (science.lu) 

https://science.lu/de/schallwellen/warum-wird-es-leise-wenn-schnee-liegt 

https://science.lu/de/doppler-effekt/firwat-aennert-sech-den-toun-vun-engem-course-auto-wann-e-laanscht-fiert 

https://science.lu/de/covid-19-homeschooling-experimenter/looss-flamen-danzen-mat-hellef-vu-musek