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Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien 03:01 min

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Transkript Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien

Die Schallgeschwindigkeit wird oft mit 343 Metern pro Sekunde angegeben, aber das gilt nur unter der Bedingung, dass sich der Schall in 20 Grad Celsius warmer Luft fortbewegt. Unter anderen Bedingungen kann die Schallgeschwindigkeit sehr unterschiedlich sein. In Wasser ist Schall über viermal schneller als in Luft. Schallwellen sind Druckschwankungen, die sich wellenförmig in einem Medium ausbreiten. Der Schall in einem Medium kann nur so schnell sein wie die Übertragung der Schwingung eines Teilchens zum nächsten. Aber was ist die Folge? Die Schallgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur. Wenn Moleküle erwärmt werden, bewegen sie sich schneller. Das ermöglicht ihnen eine schnellere Weitergabe der Schallschwingungen. Stellen wir uns die Wechselwirkung der Teilchen einfach mal als regelmäßig angeordnete Kugeln vor, die untereinander mit Schraubenfedern verbunden sind. Dann ist die Anziehung der Teilchen umso stärker, je elastischer das Medium ist. Wenn wir nun eine Schallwelle durch unser Modell wandern lassen, werden die Schraubenfedern gestreckt und gestaucht. Je elastischer das Material ist, desto schneller wird die Schwingung weitergeleitet und desto schneller wandert auch die Welle. Die Beschaffenheit des Mediums kann also die Geschwindigkeit stark beeinflussen. Im Allgemeinen pflanzt sich Schall in Festkörpern schneller fort, weil dort die Wechselwirkung zwischen den Teilchen am größten ist. Danach folgen die Flüssigkeiten und erst dann die Gase, weil sie die geringsten Wechselwirkungen aufweisen. In Medien unterschiedlicher Dichte, aber mit gleicher Teilchenanordnung, bewegt sich der Schall im weniger dichten Medium schneller, weil die Masse der einzelnen Moleküle dort kleiner ist. Um die leichteren Moleküle zu bewegen, wird weniger Energie benötigt, sodass sich der Schall schneller ausbreiten kann. Heliumatome haben eine geringere Masse als Luftmoleküle, daher ist der Schall in Helium dreimal schneller als in Luft. Die Schallgeschwindigkeit hängt also von sehr vielen Faktoren ab. Darum ist es unmöglich, von einer allgemein gültigen Schallgeschwindigkeit zu sprechen.

Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme, wie weit das Gewitter entfernt ist.

    Tipps

    Das Licht eines Blitzes ist nahezu sofort über weite Entfernungen sichtbar.

    Berechne, welchen Weg das Licht in dieser Zeit zurück legt.

    Lösung

    Der Schall legt in Luft etwa 340 Meter pro Sekunde zurück. In drei Sekunden reist der Schall demnach 1020 Meter weit, also etwa einen Kilometer.

  • Sortiere die Schallgeschwindigkeiten.

    Tipps

    Ölmoleküle sind schwerer als Wassermoleküle.

    Je stärker die Bindung zwischen den Atomen, desto schneller der Schall.

    Lösung

    Die Schallgeschwindigkeit in einem Stoff ist höher, wenn die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen darin stärker sind. Diese Bindungen sind umso stärker, je fester ein Stoff ist. In der Luft ist die Schallgeschwindigkeit deshalb geringer als in den beiden Flüssigkeiten und im Holz ist sie noch höher. Die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit in Wasser und Öl bestimmt das Gewicht der einzelnen Moleküle. Weil die Moleküle des Öls schwerer sind als die Wassermoleküle, ist die Schallgeschwindigkeit im Wasser etwas höher.

  • Beschreibe die Schallausbreitung.

    Tipps

    Je stärker die Bindungen zwischen den Molekülen, desto fester ist ein Stoff.

    Schall breitet sich durch die Schwingungen der Moleküle in einem Stoff aus.

    Lösung

    In einem Medium pflanzt sich der Schall als Welle fort, indem die Moleküle des Mediums vor und zurück schwingen. Deshalb wird die Schallgeschwindigkeit davon bestimmt, wie schnell die Schwingungen von Molekül zu Molekül weiter gegeben werden. Je stärker die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen sind, desto stärker kann ein Molekül das nächste anstoßen. Deshalb ist der Schall in Gasen langsamer als in Flüssigkeiten und in Festkörpern am schnellsten.

    Die Schallgeschwindigkeit ist zudem umso höher, je leichter die einzelnen Moleküle sind und weil sich die Moleküle in einem warmen Medium schneller bewegen als in einem kalten, ist dort auch der Schall schneller.

  • Berechne die fehlenden Größen.

    Tipps

    Der Schall benötigt jeweils die halbe Zeit für den Hin- und Rückweg.

    Überlege auch anhand der Einheiten, wie du die gesuchten Größen bestimmen kannst.

    Multipliziere die Schallgeschwindigkeit mit der Zeit, um die gesamte Strecke zu bestimmen.

    Teile die Entfernung durch die Schallgeschwindigkeit, um die benötigte Zeit zu bestimmen.

    Lösung

    Unter Wasser bewegt sich der Schall mit einer Geschwindigkeit von $1500\mathrm{m/s}$ fort. In den 124 Sekunden legen die Rufe der Wale also eine Strecke von

    $1500m/s\cdot124 s=186000 m$

    zurück, also 186 Kilometer. In dieser Strecke sind der Hinweg und der Rückweg enthalten. Die Entfernung der Wale ist also genau die Hälfte und liegt bei 93 Kilometer.

    In der Luft benötigt der Schall für diese Entfernung $\frac{93000m}{343m/s}=271 \text{Sekunden}$. Für den Hin- und Rückweg wären es demnach 542 Sekunden.

  • Bewerte die Aussagen zur Schallgeschwindigkeit.

    Tipps

    Salz im Wasser verstärkt die Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen.

    Zwischen den Atomen in einem Diamanten gibt es die stärksten Bindungen.

    In einem Vakuum gibt es keine Moleküle.

    Die Nordsee hat einen deutlich höheren Salzgehalt als die Ostsee.

    Lösung

    Schall breitet sich in einem Medium aus, indem er sich der von einem Molekül zum nächsten fortpflanzt. Im Vakuum des Weltalls kann sich der Schall deshalb nicht fortpflanzen, da es dort keine Moleküle gibt. Die Schallgeschwindigkeit hängt besonders von der Stärke der Bindungen zwischen den Molekülen ab. Im Diamant gibt es die stärksten Bindungen, deshalb ist der Schall darin schneller als in allen anderen Stoffen.

    Weil Salz die Bindungen zwischen Wassermolekülen verstärkt, ist der Schall in salzigem Wasser etwas schneller als in Süßwasser. In der salzigen Nordsee ist der Schall deshalb ebenfalls schneller als in der Ostsee, die weniger salzig ist. In festem Eis sind die Bindungen ebenfalls stärker als in flüssigem Wasser und damit ist auch der Schall schneller.

    Weil auch eine höhere Temperatur die Schallgeschwindigkeit erhöht, ist der Schall in einer Sauna schneller als außerhalb.

  • Bestimme die Schallgeschwindigkeiten.

    Tipps

    Kupferatome sind etwas schwerer als Eisenatome.

    Welche Schallgeschwindigkeiten kennst du bereits?

    Heliumatome sind etwas leichter als Luftmoleküle.

    Lösung

    Die Schallgeschwindigkeit von Luft liegt bei etwa 340 m/s bei 20°C. Weil Heliumatome etwas leichter sind als die Moleküle der Luft, ist die Schallgeschwindigkeit in Helium etwas höher und liegt bei 981 m/s.

    Die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist wiederum höher, weil die Verbindungen zwischen den Molekülen etwas stärker sind als in den Gasen. Sie liegt bei etwa 1500 m/s. Die Verbindungen zwischen den Atomen der Metalle sind wiederum stärker als in der Flüssigkeit, sodass die Schallgeschwindigkeiten ebenfalls höher sind. Weil aber die Eisenatome leichter sind, ist der Schall im Eisen am schnellsten. Die Schallgeschwindigkeit im Eisen ist 5170 m/s und im Kupfer 4660 m/s.

    Im Diamant ist die Schallgeschwindigkeit mit 18000 m/s am größten.