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Schallgeschwindigkeit bestimmen

SchulversuchSchwingungen und WellenKlasse 10Standard

Worum geht es?

Schall braucht Zeit: Der Donner hinkt dem Blitz nach, das Echo kommt verspätet zurück. Der Versuch misst die Schallgeschwindigkeit direkt über die Laufzeitmethode: Ein Knall passiert nacheinander zwei Mikrofone in bekanntem Abstand; die elektronisch gemessene Zeitdifferenz liefert c=d/Δtc = d/\Delta t. Ergänzend wird die Temperaturabhängigkeit besprochen und die klassische Blitz-Donner-Regel nachgerechnet.

Warum macht man dieses Experiment?

Die Schallgeschwindigkeit steckt in Echoloten, Ultraschallmessung, Gewitter-Faustregeln und der Definition von „Mach 1“, und sie ist die Schlüsselgröße, die im Resonanzrohr-Experiment in übersetzt. Die Laufzeitmethode selbst ist das Urprinzip aller Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung per Signal: von der Schallwand bis zum GPS.

Die physikalische Idee

Zwei Mikrofone stehen exakt vermessen hintereinander; ein scharfer Knall (Klatschen, Knackfrosch) startet beim ersten Mikrofon die elektronische Uhr (bzw. die Zweikanal-Aufzeichnung) und stoppt sie beim zweiten. Millisekunden-Zeitmessung ersetzt, was der Hand unmöglich wäre: Bei 1,7 m Abstand dauert die Reise nur 5 Tausendstelsekunden.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Frühe Bestimmungen nutzten Kanonenblitz und -knall über vermessene Distanzen (Pariser Akademie, 17. Jahrhundert); Laplace korrigierte 1816 die Theorie (adiabatische statt isothermer Kompression) und traf den Messwert. Heute definiert c die Mach-Zahl der Luftfahrt und tastet als Ultraschall Werkstücke und Ungeborene ab.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Laufzeitmessung mit zwei Mikrofonen

Bestimme die Schallgeschwindigkeit in Luft aus Mikrofonabstand und elektronisch gemessener Laufzeitdifferenz, mit Wiederholungen und Abstands-Gegenprobe.

Gesucht

  • — Schallgeschwindigkeit (in )

    Die Materialkonstante der Luft (bei gemessener Temperatur).

Gemessen

  • — Mikrofonabstand (in )

    Per Maßband: 1,70 m (und 3,40 m für die Gegenprobe).

  • — Laufzeitdifferenz (in )

    Elektronisch zwischen den beiden Knall-Ankünften: der Kern der Methode.

  • — Lufttemperatur (in )

    Einordnungsgröße: c ist temperaturabhängig.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Miss die Laufzeit eines Knalls über d=1,70 md = 1{,}70\ \mathrm{m} (fünf Wiederholungen), berechne cc und führe die Gegenprobe mit doppeltem Abstand durch. Notiere die Lufttemperatur und vergleiche mit dem Literaturwert.

2Vorbetrachtung

Warum elektronisch gemessen werden MUSS: Über 1,7 m dauert die Schallreise etwa 5 ms: vierzigmal kürzer als eine menschliche Reaktionszeit. Die Zweikanal-Erfassung triggert auf die steile Knallfront selbst: Reaktionszeit null, Auflösung Zehntel-Millisekunden.

Warum ein Knall und kein Ton? Ein Dauerton hat keine markante „Ankunft“: Beide Mikrofone sähen dieselbe Sinuskurve, nur verschoben, und bei Verschiebungen über eine Periode wird die Zuordnung mehrdeutig. Die einmalige steile Front des Knalls ist ein eindeutiger Zeitstempel.

Die Gegenprobe doppelter Abstand prüft die Methode selbst: Echte Laufzeit muss sich verdoppeln; ein konstanter Elektronik-Versatz (Trigger-Offsets) würde sich verraten, weil dann c abstandsabhängig erschiene.

3Geräte / Stoffe

Mikrofone auf einer Linie, Knallquelle dahinter in Linienverlängerung (nicht seitlich: sonst zählt die Wegdifferenz, nicht der Abstand). Triggerschwellen so, dass erst die Hauptfront auslöst.

  • Zwei Mikrofone mit Zweikanal-Erfassung

    Die elektronische Stoppuhr: registriert die Knall-Ankunft an beiden Orten millisekunden-genau.

  • Maßband

    Misst den Mikrofonabstand: die halbe Messung.

  • Knallquelle (Holzklatschen)

    Liefert eine steile, eindeutige Schallfront zum Triggern.

  • Thermometer

    Die Lufttemperatur gehört zum Ergebnis: c hängt von ihr ab.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Knallquelle, Mikrofon 1, Mikrofon 2 auf einer Geraden mit vermessenem d; darunter die zwei erwarteten Signalspuren mit Zeitversatz Δt.

Aufbau: zwei Mikrofone im Abstand d = 1,70 m auf einer Linie, angeschlossen an Zweikanal-Messinterface (oder Zähler mit Start/Stopp-Eingängen); Knallquelle (Klatschen, zwei Holzstäbe) in Verlängerung der Linie; Maßband, Thermometer für die Lufttemperatur.

5Durchführung

Schritt 1: Abstand 1,70 m vermessen, notieren.

Schritt 2: Fünf Knalle; je Δt\Delta t aus den Signalspuren ablesen (Frontbeginn zu Frontbeginn).

Schritt 3: Mikrofon 2 auf 3,40 m versetzen, drei weitere Knalle.

6Beobachtung

Laufzeiten (Temperatur 20 ∘C20\ ^\circ\mathrm{C})
AbstandΔt\Delta t (Mittel)c=d/Δtc = d/\Delta t
1,70 m1{,}70\ \mathrm{m}5,0 ms5{,}0\ \mathrm{ms} (4,9 bis 5,1)340 m/s340\ \mathrm{m/s}
3,40 m3{,}40\ \mathrm{m}9,9 ms9{,}9\ \mathrm{ms}343 m/s343\ \mathrm{m/s}

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Das Ergebnis:

c=1,70 m0,0050 s=340 msc = \frac{1{,}70\ \mathrm{m}}{0{,}0050\ \mathrm{s}} = 340\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}

und die Gegenprobe mit doppeltem Abstand liefert 343 m/s343\ \mathrm{m/s}. Die Laufzeit hat sich sauber verdoppelt: kein versteckter Offset, die Methode trägt. Beide Werte rahmen den Literaturwert für 20 ∘C20\ ^\circ\mathrm{C} (343 m/s343\ \mathrm{m/s}) im Prozentbereich ein.

Größenordnung begreifen: 340 m/s heißt: die Sporthalle in einer Zehntelsekunde, der Kilometer in drei Sekunden. Die Blitz-Donner-Regel („Sekunden durch drei = Kilometer“) ist damit nachgerechnet, denn das Licht des Blitzes (300 000 km/s) ist praktisch instantan da. Und „Mach 1“ der Luftfahrt ist genau unsere Messgröße: temperaturabhängig, deshalb in großer kalter Höhe langsamer.

Warum die mitspielt: Schall wird von stoßenden Luftmolekülen weitergereicht; wärmere Moleküle sind schneller: cc steigt um etwa 0,6 m/s0{,}6\ \mathrm{m/s} je Grad. Unsere 20-Grad-Messung passt exakt in diese Reihe (0 °C: 331, 20 °C: 343).

8Fazit

Die Laufzeitmethode liefert c=340c = 340 bis 343 m/s343\ \mathrm{m/s} bei 20 ∘C20\ ^\circ\mathrm{C} (Literatur: 343), bestätigt durch die Abstands-Gegenprobe. Schallgeschwindigkeit ist elektronisch gemessene Alltagsphysik, die Basis von Blitz-Donner-Regel, Echolot und Mach-Zahl.

9Fehlerbetrachtung

Bei Millisekunden-Messungen zählen Triggerdetails:

Triggerpunkt auf der Knallfronteher zufällig

Ursache

Die Front ist steil, aber nicht unendlich: Verschiedene Schwellen erwischen leicht verschiedene Momente.

Auswirkung

±0,2 ms je Messung, bei 5 ms bis 4 Prozent: der Hauptanteil der Streuung.

Verbesserung

Gleiche Schwellen beider Kanäle; Frontbeginn im Signalbild von Hand nachablesen; großer Abstand (Gegenprobe) verkleinert den Relativfehler.

Knallquelle nicht auf der Mikrofonlinieeher systematisch

Ursache

Seitlicher Versatz macht die Wegdifferenz kleiner als den Mikrofonabstand.

Auswirkung

Δt zu klein, c systematisch zu groß.

Verbesserung

Quelle in Linienverlängerung, Abstand zur Linie mit Schnur prüfen.

Reflexionen von Wänden und Tischeher systematisch

Ursache

Echos treffen kurz nach der Direktfront ein.

Auswirkung

Bei ungünstiger Triggerung stoppt das Echo statt der Front.

Verbesserung

Freie Aufstellung, Auswertung am Signalbild (erste Front zählt).

Das Wichtigste

Der Wert

In Luft bei 20 ∘C20\ ^\circ\mathrm{C} gilt c≈343 m/sc \approx 343\ \mathrm{m/s} (gut ein Kilometer in drei Sekunden), unabhängig von Lautstärke und Tonhöhe.

Die Methode

c=d/Δtc = d/\Delta t mit elektronischer Laufzeitmessung: Das Prinzip von Echolot, Ultraschall-Diagnostik und Entfernungsmessern.

Temperatur zählt

cc wächst um etwa 0,6 m/s0{,}6\ \mathrm{m/s} je Grad (bei 0 ∘C0\ ^\circ\mathrm{C}: 331 m/s). Die Messtemperatur gehört ins Protokoll.

Blitz-Donner-Regel

Sekunden zählen und durch drei teilen ergibt Kilometer: weil Schall gut 3 s pro km braucht und Licht praktisch sofort da ist.

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