Abstandsmessung mit Ultraschallwellen

Beim Arbeiten mit Ultraschallwellen werden die physikalischen Größen wie Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung am Oszilloskop sichtbar gemacht. Zudem kann die Modulation der Ultraschallwelle an einem Lautsprecher hörbar gemacht werden. Neben dem Umgang mit den physikalischen Größen kann das Experiment zur Abstandsmessung und/oder zur Messung der Schallgeschwindigkeit genutzt werden.

Theoretische Zusammenfassung

Welche physikalische Theorie steckt hinter dem Versuch. Gerne so genau wie möglich und so ausführlich wie nötig. Ein Ultraschallsender mit einer Frequenz von $f=40$ kHz wird auf eine Pendelfläche gerichtet und dort reflektiert. Die reflektierten Schallwellen werden von einem Empfänger erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Durch die Auslenkung des Pendels verändert sich die Distanz zwischen Sender und Empfänger. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit wird über den Zusammenhang

$\mathrm{\Delta }\mathrm{s}\mathrm{=}{\mathrm{c}}_{\mathrm{s}}\mathrm{\cdot }\mathrm{\Delta }\mathrm{t}$

die Änderung der Distanz s berechnet. Die zeitliche Differenz $\mathrm{\Delta }t$ zwischen Sender und Empfänger wird in diesem Experiment mit dem Oszilloskop gemessen. Ist der Abstand zwischen Sender und Empfänger bekannt, kann über diese Messung die Schallgeschwindigkeit berechnet werden. In diesem Fall gilt

${\mathrm{c}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}\frac{\mathrm{\Delta }s}{\mathrm{\Delta }t}.$

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Die Schülerinnen und Schüler sehen die Auswirkung der Pendelbewegung am Oszilloskop. Unter Verwendung der Fachsprache stärkt das Experiment die physikalische Vorstellung von Ultraschallwellen. Das Experiment ermöglicht einen Transfer zu technischen Anwendungen und bietet Möglichkeiten für den fachübergreifenden Unterricht, beispielsweise mit NuT oder Informatik.

Nötige Vorkenntnisse

Für ein besseres Verständnis sollten bei diesem Experiment der Frequenzbegriff bereits geklärt sein. Auch der Frequenzgenerator sollte vor dem Experiment vorgestellt werden. Der für den Menschen hörbare Frequenzbereich ist bekannt und ab welchen Frequenzen von Ultraschall gesprochen wird. Bei der Darstellung mit einem Oszilloskop sollten auch die Begriffe Phasenverschiebung und Amplitude bekannt sein. Um das Messergebnis richtig interpretieren zu können, sollen die Schülerinnen und Schüler vorab wissen, wozu ein Oszilloskop verwendet wird und verstehen, welche Messwerte es anzeigt. Zudem sind die Schallgeschwindigkeit und die Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeit bekannt.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Schülerinnen und Schüler können Schwierigkeiten dabei haben, warum Ultraschall nicht hörbar ist aber am Lautsprecher ein hörbarer Ton entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich die eingestellte Modulation, also die einhüllende Frequenz, hörbar ist. Bei einem Schülerexperiment können Probleme bei der Bedienung des Oszilloskopes auftreten. Bei einem Demonstrationsexperiement ist darauf zu achten, dass alle Schülerinnen und Schüler eine gute Sicht auf die Anzeige des Oszilloskopes haben. Während der Pendelbewegung verändert sich die Amplitude der Modulationsfrequenz. Zudem verschiebt sich bei der Pendelbewegung auch die Phase, was am Lautsprecher ein Rauschen hervorrufen kann. Dadurch kann der Eindruck entstehen, dass sich durch die Pendelbewegung auch die Frequenz verändert.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Im kindlichen Alter gehen Schülerinnen und Schüler (SuS) oft davon aus, dass ein Ton als punktförmiges Teilchen durch den Raum fliegt und aus einem Körper (wie zum Beispiel einer Stimmgabel) herausgeschlagen wird. In den Klassen 7/8 sowie 11/12 besteht diese Vorstellung meistens nicht mehr. Den SuS ist bewusst, dass sich Schall wellenförmig ausbreitet. Bei der Ausbreitung von Schallwellen gehen SuS davon aus, dass sich höhere Frequenzen schneller fortbewegen als tiefere.

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein

Allgemein

Klassenstufe	Klasse
Kategorie	?
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Als Liste einfügen mit den Links zur Hardware, wenn sie sich schon im Wiki befindet. Beispiel:

• Influenzmaschine

Versuchsaufbau

Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.

Schritt 1

BlaBla.

Schritt 2

Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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      Platzhalter
  

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       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0