Musik (Werkstatt)

Werkstatt zu Musik und Physik

1 Jahr Physikunterricht am Gymnasium, Grundlagen der harmonischen Schwingung

8 Schulstunden à 45 Minuten

Folgendes könnte der Lehrer seinen Schülern zu Beginn der Werkstatt mitteilen:

"Sie werden in den nächsten 8 Unterrichtsstunden eine Werkstatt zum Thema Physik und Musik bearbeiten. Sie arbeiten dabei selbständig während den normalen Unterrichtszeiten.
Es gibt insgesamt 24 Werkstattposten. Diese sind auf Ihrem Lernpass, den Sie bereits erhalten haben, aufgeführt. Einige dieser Posten sind obligatorisch. Mindestens diese müssen Sie nach den 8 Arbeitsstunden bearbeitet haben. Eigentlich sollten Ihnen ca. 6 Stunden genügen, um die obligatorischen Posten zu erledigen; es bleiben Ihnen also schätzungsweise 2 Stunden für die freiwilligen Posten. Die obligatorischen Posten sind auf dem Lernpass fettgedruckt. Von den Posten Klavier (11) und Gitarre (12) müssen Sie nur einen bearbeiten. Ebenso haben Sie beim Posten Mikrophon (14) zwei Wahlmöglichkeiten.
Bei jedem Posten liegt ein Arbeitsauftrag auf. Dort steht genau, welche Arbeiten Sie an diesem Posten erledigen sollen. Lesen Sie immer zuerst die Einleitung und beginnen Sie dann mit dem Arbeitsauftrag. Bei vielen Posten existiert ein Arbeitsblatt, in welches Sie die Antworten zu den gestellten Fragen eintragen können. Die ausgefüllten Arbeitsblätter zeigen Sie mir und erhalten dafür, falls die Anforderungen erfüllt sind, auf dem Lernpass meine Unterschrift; diese bestätigt Ihnen, dass Sie den betreffenden Posten bearbeitet haben. Den Lernpass geben Sie mir am Schluss der Werkstatt ab. Alle anderen Blätter können Sie behalten.
Gleich neben dem Namen des Postens steht auf dem Lernpass, wieviel Zeit Sie für diesen Posten etwa aufwenden sollen. Dabei handelt es sich nur um eine Richtzeit. Es ist gut möglich, dass Sie bei einem Posten etwas schneller fertig sind oder etwas länger brauchen. Behalten Sie aber den Rahmen von 8 Stunden im Auge.
Sie bearbeiten die Posten alle entweder in Zweiergruppen oder allein. Manche Posten können Sie allein nicht lösen, andere müssen Sie allein bearbeiten. Auch diese Information finden Sie auf dem Lernpass. Suchen Sie sich einen Partner. Die meisten Posten werden Sie vermutlich zu zweit bearbeiten wollen. Sollten Sie sich für einen Posten trennen müssen bzw. wollen, macht das auch nichts.
Grundsätzlich können Sie die Posten in beliebiger Reihenfolge angehen. Manche Posten können Sie allerdings erst bearbeiten, wenn Sie vorher einen anderen Posten abgeschlossen haben. Die Voraussetzungen zu jedem Posten sind auf dem Lernpass notiert.
Bei einigen Posten müssen Sie einen Funktionsgenerator bedienen. Falls Sie seine Bedienung nicht kennen, dann lesen Sie zuerst die Anleitung, die beim Generator liegt. Wenn Sie sonst irgendwo Probleme haben und nicht weiterkommen, dann können Sie mich oder die Kollegen, die den Posten schon bearbeitet haben, fragen.
Bei jedem Posten hat es ein Blatt, auf welchem Sie Vorschläge machen können, was am Posten verbessert werden könnte. Vielleicht müssen Sie gar auf Fehler in der Postenbeschreibung hinweisen. Damit machen Sie zukünftigen Klassen die Arbeit etwas leichter."

Es besteht die Möglichkeit, nach der Durchführung der Werkstatt eine Prüfung schreiben zu lassen. Fragen sollten Sie nur Dinge, die in den obligatorischen Posten bearbeitet wurden, oder die in der Theorie bei den obligatorischen Posten erklärt wurden. Dazu steht Ihnen der beiliegende Fragenkatalog im Anhang I zur Verfügung. Auf jeden Fall wäre es besser, wenn Sie den Schülern am Anfang mitteilen, ob Sie eine Prüfung machen wollen oder nicht. Weiter sind die Lösungen zu den Arbeitsaufträgen zu jedem Posten im Anhang V zu finden.

Kurzanleitung für den Funktionsgenerator LEADER

Der Funktionsgenerator erzeugt Spannungsschwingungen. Sie können die Frequenz der Schwingung einstellen und sie können die Form der Schwingung wählen.

Einstellen der Frequenz
Die Frequenz wird durch die Tasten FREQ RANGE und den Drehknopf links eingestellt. Die Zahl auf dem Drehknopf (oben bei der Markierung) multipliziert mit der Zahl über der gedrückten Taste ergibt die Frequenz in Hertz.

Beispiel:
Der Drehknopf steht auf 4. Die Taste x10k ist gedrückt
Die Frequenz ist 4 * 10 kHertz = 40 kHertz = 40'000 Hertz
Es werden also 40'000 Schwingungen pro Sekunde erzeugt.

Mit dem Drehknopf ATTENUATION können Sie die Amplitude ("Stärke") des Signals einstellen.

Wahl der Schwingungsform
Bei diesem Funktionsgenerator können Sie nur zwischen zwei Schwingungsformen wählen:
- Sinusschwingungen
- Rechtecksschwingungen
Sie können mit dem roten Knopf auf dem Drehknopf ATTENUATION zwischen diesen beiden Formen wechseln. Ist der Knopf herausgezogen, erhalten Sie eine Rechtecksschwingung, ist er hineingedrückt, eine Sinusschwingung.

Kurzanleitung für den Funktionsgenerator Steinegger & Co.

Mit dem Funktionsgenerator können Sie die Frequenz (Repetierrate) und die Amplitude (Stärke) der Schwingungen einstellen. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde sich die Lautsprechermembrane bewegt. Die Frequenz wird in Hertz [Hz] gemessen. 1 Hz entspricht 1 Schwingung pro Sekunde.

1. Der Schalter "Funktion" stellt die Art der erzeugten Schwingung ein. Sie brauchen für die-sen Versuch eine Sinusschwingung, d.h. Sie drehen den Schalter im Uhrzeigersinn bis an den Anschlag.
2. Mit dem Drehknopf "Bereich" können Sie die Frequenz grob einstellen. Beachten Sie, 1 kHz sind 1000 Hz. Für diesen Versuch stellen Sie den Schalter am besten auf 1 kHz.
3. Mit dem Drehknopf "Frequenz" können Sie die Feineinstellung vornehmen. Mit ihm können Sie alle Frequenzen im eingestellten Bereich quasi lückenlos durchlaufen.
4. Der Schalter "DC-Niveau" sollte auf 0 sein.
5. "Amplitude" stellen Sie auf Maximum . Dazu drehen Sie ihn im Uhrzeigersinn bis zum An-schlag. Dieser Regler stellt die Stärke der Schwingungen ein. (Feineinstellung)
6. "Lautsprecher" stellt ebenfalls die Stärke ein. Um genügend Leistung für die Erzeugung der stehenden Wellen zu haben, sollten Sie den Regler auf ca. 3/4 einstellen.
7. Zum Einschalten drücken Sie den runden, roten Schalter hinten am Gehäuse.

Kurzanleitung für den Funktionsgenerator WAVETEK

Der Funktionsgenerator erzeugt Spannungsschwingungen. Diese werden mit einem Lautspre-cher in Töne umgewandelt.
Sie können die Frequenz der Schwingung einstellen und sie können die Form der Schwingung wählen.

Einstellen der Frequenz
Die Frequenz wird durch die Tasten FREQUENCY MULTIPLIER und den Drehknopf links eingestellt. Die Zahl auf dem Drehknopf (oben bei der Markierung) multipliziert mit der Zahl über der gedrückten Taste ergibt die Frequenz.

Beispiel:
Der Drehknopf zeigt 2.4. Die Taste 10K ist gedrückt
Die Frequenz ist 2.4 * 10 kHertz = 24 kHertz = 24'000 Hertz
Es werden also 24'000 Schwingungen pro Sekunde erzeugt.

Wahl der Schwingungsform
Mit den Tasten FUNCTION können Sie zwischen drei Schwingungsformen wählen:
- Sinusschwingungen
- Dreiecksschwingungen
- Rechtecksschwingungen

Mit dem Knopf Amplitude können Sie die Lautstärke einstellen.
Hören Sie sich ruhig einige der Töne an bevor Sie weiterfahren.

Materialliste

• 1 Monochord, mit mind. einer Saite und Vorrichtung zum Einspannen verschiedener Saiten.
• 4 Kathodenstrahl-Oszilloskope
• 2 Funktionsgeneratoren LEADER
• 2 Universal-Funktionsgenerator der Fa. Steinegger & Co, Schaffhausen
• 2 Funktionsgeneratoren WAVETEK MODEL 188
• 2 Lautsprecher
• 2 Kopfhörer (oder 1 Lautsprecher und 1 Kopfhörer)
• 4 Mikrophone mit Netzgerät (falls notwendig)
• 1 geeignetes Mikrophon mit Vorverstärker zum Anschluss an die Messkarte des PC
• 1 Schallpegelmessgerät, z.B. Brüel & Kjær Type 2232
• 1 Kundt'sches Rohr (1 Glasrohr, auf einer Seite offen, auf der anderen mit einem Schieber verschliessbar), erhältlich z.B. bei Leybold Didactic GmbH, Zähringerstr. 40, 3000 Bern 9
• Korkstaub
• 1 Trichter
• 1 Interferenzrohr nach Quincke, erhältlich z.B. bei Phywe Lehrsysteme, Kümmerly + Frey, Hallerstr. 6-10, 3001 Bern
• Verbindungskabel und Steckeradapter
  

Literaturverzeichnis

Akad: Physik II, Lektionen 9 und 10
Bertelsmann Lexikothek: Band 6, 7 und 8, 1983
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Braunweiler E.: Physik ohne Zahlen
Crawford, F.S.: Waves, berkeley physics course - volume 3, New York 1968 (mcgraw-hill book company)
Dorn / Bader: Physik, Serie A, Hannover 1989
Gobrecht, H., Bergmann-Schäffer, Lehrbuch der Experimentalphysik, 8. Auflage, Berlin 1970, (Walter de Gruyter & Co.)
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Hertli P.: Physik, 5.Auflage, Zürich 1960
Höfling, O.: Physik, 10. Auflage, Bonn 1975, (Dümmler)
Houtsma, A. J. M., Rossing, T. D., Wagenaars, W. M., Auditory Demonstrations CD, Philips
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Kadner, I.: Akustik in der Schulphysik, Deubner Köln (1994)
Kammer, H.: Physik-Skript, Gymnasium Köniz
Knobloch, W., Lehle, K., Es war die Nachtigall und nicht die Lerche, in: ELO, 1/1985, 26-28
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Rossing, T.D.: The Science of Sound, 2nd Edition, Reading Massachusetts 1990 (Addison Wesley)
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Sears, F.W.: Mechanics, Wave Motion ans Heat, Reading, Massachusetts 1965 (Addison Wesley)