136386;1603;;J;P;Brechung von Schallwellen visualisieren-das Phänomen der Brechung mittels Temperaturgradienten in einer isolierten Kiste;Das Ziel unserer Projektarbeit ist die Brechung von Schallwellen zu visualisieren, die in einer Umgebung mit zunehmender Temperatur in Abhängigkeit der Höhe erzeugt werden. Die Visualisierung erfolgt anhand eines Geräts, welches von einem ehemaligen Masterstudenten in der Didaktik für Physik an der Uni Münster im Rahmen seiner Masterarbeit entwickelt wurde. Dank der Phasenverschiebung und einer Langzeitbelichtung des LED-Stabs (vom “Soundscanner”), welches die Wellen visualisiert, kann man so ein Wellenbild erzeugen. So wie Lichtwellen brechen, da sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem anderen Medium ändert (z.B. Luft zu Wasser), können auch Schallwellen in Temperaturdifferenzen brechen. So steigt in einer Wurzelfunktion die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur. Dies führt zur Brechung und resultiert in einer Bogenförmigen Ausbreitung des Schalls innerhalb eines Temperaturgradienten (also einer Luftschicht von kalt zu warm mit zunehmender Höhe), da es keine abrupten Grenzschichten gibt. Um solche temperaturabhängige Umgebungsbedingungen zu erfüllen, haben wir eine isolierte Holzkiste mit den Maßen 2m x 1m x 0,5m entwickelt. Zur Bildung des Temperaturgradienten in der Kiste befindet sich unten Trockeneis, während oben die Luft durch Heißluftföhne erhitzt wird. Der Soundscanner wird innerhalb der geschlossenen und isolierten Kiste an einer Halterung montiert und durch einen beweglichen Wagen im 2-Dimensionalen Raum durch Motoren und selbst gelötete Schaltungen und eigenprogrammierte Steuerungseinheiten gelenkt. Nach der Fertigstellung der Kiste haben wir durch mehrerer Versuchsdurchführungen zahlreiche Bilder mit verschieden großen Temperaturgradienten aufgenommen. Während der Versuche haben wir mit einem Frequenzgenerator Sinustöne erzeugt, die ein Wellenmuster erzeugen. Durch Langzeitbelichtungen einer Spiegel-Reflex Kamera und Überlagerung der Einzelbilder in einem Bildbearbeitungsprogramm sieht man das vollständige Wellenbild. Die Schallbrechung durch einen Temperaturgradienten in der Kiste konnte visualisiert werden. Wegen der geringen Temperaturdifferenz kann man jedoch den Unterschied der Wellenlängen nicht augenscheinlich sofort erkennen. Erst ein unmittelbarer Vergleich der Wellenlängen in der heißen Luft und in der kalten Luft hebt das erwünschte Ergebnis vor. Insgesamt weichen die gemessenen Werte der Wellenlänge durchschnittlich nicht mehr als 6% von den theoretischen Werten ab. Problematisch bei den Messungen waren jedoch die ungleichmäßige Verteilung der Luftschichten und die Bestimmung der Temperaturen an mehreren Punkten im System. Um noch bessere Ausgangsbedingungen zu schaffen, könnte man die Kiste besser isolieren, die Plattform stabilisieren oder einen noch höheren Temperaturgradienten erzeugen. Ein Anwendungsbeispiel dieses Projekts wäre die Verwendung zur Veranschaulichung im Unterricht, um zu einem besseren Verständnis dafür zu bekommen, inwiefern nicht nur Licht, sondern auch jeden andere Form von Welle - wie Schallwellen - brechen können.;Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium;Grüne Gasse 40;48143;Münster;10;NRW;(0251) 4149230;www.annette-gymnasium.de;annette@muenster.de;;Rutenbeck;Jutta;;w;;0;;Das Ziel unserer Projektarbeit ist die Brechung von Schallwellen zu visualisieren, die in einer Umgebung mit zunehmender Temperatur in Abhängigkeit der Höhe erzeugt werden. Die Visualisierung erfolgt anhand eines Geräts, welches von einem ehemaligen Masterstudenten in der Didaktik für Physik an der Uni Münster im Rahmen seiner Masterarbeit entwickelt wurde. Dank der Phasenverschiebung und einer Langzeitbelichtung des LED-Stabs (vom “Soundscanner”), welches die Wellen visualisiert, kann man so ein Wellenbild erzeugen. So wie Lichtwellen brechen, da sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem anderen Medium ändert (z.B. Luft zu Wasser), können auch Schallwellen in Temperaturdifferenzen brechen. So steigt in einer Wurzelfunktion die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur. Dies führt zur Brechung und resultiert in einer Bogenförmigen Ausbreitung des Schalls innerhalb eines Temperaturgradienten (also einer Luftschicht von kalt zu warm mit zunehmender Höhe), da es keine abrupten Grenzschichten gibt. Um solche temperaturabhängige Umgebungsbedingungen zu erfüllen, haben wir eine isolierte Holzkiste mit den Maßen 2m x 1m x 0,5m entwickelt. Zur Bildung des Temperaturgradienten in der Kiste befindet sich unten Trockeneis, während oben die Luft durch Heißluftföhne erhitzt wird. Der Soundscanner wird innerhalb der geschlossenen und isolierten Kiste an einer Halterung montiert und durch einen beweglichen Wagen im 2-Dimensionalen Raum durch Motoren und selbst gelötete Schaltungen und eigenprogrammierte Steuerungseinheiten gelenkt. Nach der Fertigstellung der Kiste haben wir durch mehrerer Versuchsdurchführungen zahlreiche Bilder mit verschieden großen Temperaturgradienten aufgenommen. Während der Versuche haben wir mit einem Frequenzgenerator Sinustöne erzeugt, die ein Wellenmuster erzeugen. Durch Langzeitbelichtungen einer Spiegel-Reflex Kamera und Überlagerung der Einzelbilder in einem Bildbearbeitungsprogramm sieht man das vollständige Wellenbild. Die Schallbrechung durch einen Temperaturgradienten in der Kiste konnte visualisiert werden. Wegen der geringen Temperaturdifferenz kann man jedoch den Unterschied der Wellenlängen nicht augenscheinlich sofort erkennen. Erst ein unmittelbarer Vergleich der Wellenlängen in der heißen Luft und in der kalten Luft hebt das erwünschte Ergebnis vor. Insgesamt weichen die gemessenen Werte der Wellenlänge durchschnittlich nicht mehr als 6% von den theoretischen Werten ab. Problematisch bei den Messungen waren jedoch die ungleichmäßige Verteilung der Luftschichten und die Bestimmung der Temperaturen an mehreren Punkten im System. Um noch bessere Ausgangsbedingungen zu schaffen, könnte man die Kiste besser isolieren, die Plattform stabilisieren oder einen noch höheren Temperaturgradienten erzeugen. Ein Anwendungsbeispiel dieses Projekts wäre die Verwendung zur Veranschaulichung im Unterricht, um zu einem besseren Verständnis dafür zu bekommen, inwiefern nicht nur Licht, sondern auch jeden andere Form von Welle - wie Schallwellen - brechen können.;;1603;Can Beslendi, Rebecca Pelke;m;Beslendi;Can;Münster;Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium;Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium;Münster;19;w;Pelke;Rebecca;Ennigerloh;Annette-von-Droste-Hülshoff-Gymnasium;Münster;17;;;;;;;;Jugend Forscht;Physik;Physik;Mallach;Marvin;;;;;3;;;;;;;;;;;;;;;;
;2016;39