Hör mal!
Aufgaben der Internationalen JuniorScienceOlympiade eignen sich gut, um mit Schüler*innen zu experimentieren
von Stephanie Schmidt-Gattung
„Finde die Lösung!“, „Gib Gas!“, oder „Papperlapapp!“ – unter einem Motto, das neugierig machen soll, erstellt ein Team der Internationalen JuniorScienceOlympiade (IJSO), einem Wettbewerb für Schüler*innen bis zum Alter von 15 Jahren, jedes Jahr einen Aufgabenkomplex aus naturwissenschaftlichen Experimenten und Versuchen. Diese bilden in der IJSO die erste Stufe eines jährlichen vierstufigen Auswahlprozesses für das Nationalteam der IJSO Deutschland, der vom IPN betreut wird. Die Aufgaben und Experimente sollen Kinder und Jugendliche für Naturwissenschaften begeistern. Sie haben aber auch den Anspruch, ein naturwissenschaftliches Thema fachübergreifend und damit multiperspektivisch zu durchleuchten. Dadurch bietet sie auch Möglichkeiten für Schüler*innen und Lehrkräfte jenseits des Wettbewerbs. Beispielhaft präsentieren wir an dieser Stelle ein Experiment aus einer Aufgabenrunde der IJSO, in der es um das menschliche Ohr geht . Es eignet sich gut für den Einsatz im Unterricht oder in einer MINT-AG.
In deutschen Schulen wird im Physikunterricht der Klassen 7-9 – je nach Bundesland – das Thema Akustik behandelt. Die Schüler*innen lernen dabei unter anderem folgende Bereiche kennen:
- Schallentstehung und -ausbreitung
- Schallgeschwindigkeit
- Tonhöhe, Lautstärke und Klangfarbe
- Resonanz und Schwingungen
Im Biologieunterricht derselben Klassenstufen – auch hier unterscheiden sich die einzelnen Bundesländer – steht die detaillierte Betrachtung von Bau und Funktionsweise eines Sinnesorganes auf dem Plan. Sehr häufig wird das Auge besprochen. Die Aufgaben der IJSO aus dem Jahr 2022 bieten an dieser Stelle die Möglichkeit, das Ohr über den Unterricht hinausgehend als weiteres Sinnesorgan einzuführen. Die Aufgaben können aber auch genutzt werden, um fächerübergreifend die Physik hinter dem Hören verständlich zu machen.
Ein zentraler Versuch dieser Aufgaben behandelt ein Modell des menschlichen Mittelohrs („Expedition ins Ohr“). Das Modell stellt die Übertragung der durch Umweltgeräusche hervorgerufenen Schwingungen des Trommelfells über die Gehörknöchelchen in das flüssigkeitsgefüllte Innenohr dar.
Die Schüler*innen bauen ein Mittelohr-Modell und beobachten, wie verschiedene akustische Signale darauf wirken. Hierbei werden auch Charakteristika der akustischen Signale behandelt. Als Transfer sollen strukturelle Analogien zwischen dem Modell und den anatomischen Komponenten des menschlichen Ohrs benannt und die Limitationen der modellhaften Darstellung bewertet werden.
Aufgaben, Musterlösungen und Begleithefte für Lehrkräfte
Zur Unterstützung der Lehrkräfte bieten wir einen Erwartungshorizont mit einem Schema für die einheitliche Bewertung der schülerseitigen Ausarbeitungen an. Ein Begleitheft stellt den Lehrkräften sowohl praktische Hinweise zur Durchführung als auch theoretische Informationen zum fachlichen Hintergrund bereit.
Die Aufgaben der IJSO entstehen jedes Jahr mit viel Begeisterung für naturwissenschaftliche Phänomene, und sie sind mit großem Engagement ausgearbeitet. Die Experimente und Versuche werden aufwendig getestet und die Aufgaben mit den Landesbeauftragten der IJSO diskutiert. Wer nun neugierig geworden ist, findet alle Aufgaben der ersten Wettbewerbsrunde samt Musterlösungen und Lehrerbegleitheften auf der Webseite der ScienceOlympiaden im Archiv der IJSO-Aufgaben.
Doch kommen wir zurück zum Experiment, um das es heute gehen soll. Die Aufgabe ermöglicht einen umfassenden Einstieg in die Akustik und das Hören. Das Mittelohr-Modell macht den abstrakten Prozess der Schallübertragung im Ohr anschaulich. Zudem ermöglicht es eine grundlegende Reflexion zur Genauigkeit von Modellen.
Expedition ins Ohr: Vom Modell zum Verständnis von Zusammenhängen
Aus der Umgebung gelangt ein akustisches Signal über das Außen- und Mittelohr in das mit Flüssigkeit gefüllte Innenohr. Von dort setzt es seine Reise als Nervenimpuls bis in das Gehirn fort. Die Schüler*innen bauen ein Modell dazu und verfolgen den Weg des Schalls durch das MittelohrDie Einführung verschiedener akustischer Signale – wie Knall, Klang, Geräusch und Ton – wird an dieser Stelle aufgenommen und durch die Einführung der Begriffe Schallwelle, Amplitude und Frequenz beschreibbar.
Schülerexperiment - ein Modell entseht:
Spanne Frischhaltefolie über eine Springform, befestige die Frischhalte-Folie mit einem Gummiband und ziehe sie stramm.
Verschließe die beiden Enden eines Trinkhalms mit Knetmasse. Knicke ihn bei einer Länge von etwa 5 Zentimetern im rechten Winkel und fixiere diesen mit Klebeband.
Schneide einen Karton diagonal in zwei rechtwinklige Dreiecke. Falze die beiden kürzeren Seiten eines der beiden Dreiecke in einer Breite von einem halben Zentimeter. Befestige den gewinkelten Trinkhalm am Dreieck.
Stelle die Springform hochkant auf. Befestige den kurzen Falz des Dreiecks mit einem Klebestreifen mittig an der Außenseite der über die Springform gespannten Folie. Richte dabei den langen Falz samt Trinkhalm waagerecht aus.
Stelle ein Gefäß mit Wasser und Aluminiumschiffchen (das ist die Hülle eines Teelichtes) unter den Trinkhalm. Platziere das Schiffchen so, dass es vom kurzen Ende des Trinkhalms leicht auf die Wasseroberfläche gedrückt wird.
Versuch: Klatsche vor der offenen Seite der Springform laut in die Hände. Wiederhole den Versuch mit Topfschlagen, Trommeln, Singen, Rufen und lauter Musik aus einem Lautsprecher.
Die Aufgaben zum Modell
Notiere deine Beobachtungen und lege ein Foto deines Modells bei. Ordne den Schallereignissen mit dem größten und dem geringsten Effekt je einen der Begriffe Knall, Ton, Klang oder Geräusch zu und begründe.
Gib zu den Bereichen A-C in der Abbildung zum menschlichen Ohr und den Strukturen 1-8 des menschlichen Ohrs ihre Bezeichnung und in Stichpunkten ihre Funktion an. Fertige dazu eine Tabelle an.
Ordne den Bauteilen des Mittelohr-Modells die entsprechenden Bestandteile im menschlichen Ohr zu. Erläutere, an welchen Stellen das Modell zu stark vereinfacht und die Schallübertragung nur ungenau darstellt.
Das Modell - praktische Hinweise für Lehrkräfte
Für den Bau des Modells muss die Frischhaltefolie deutlich breiter sein als der Durchmesser der Springform. Nur so kann die Folie rundum straff über den Rand der Form gespannt und mit einem Gummiring befestigt werden.
Der Gummiring sollte eine Breite von 0,5 Zentimeter haben. Er muss nicht nur weit genug gedehnt werden können, um über die Springform zu passen, sondern auch ausreichend Spannkraft haben, um die Folie unter Spannung halten zu können. Beim Tippen auf die gespannte Membran sollte ein Geräusch erzeugt werden.
Wird die Membran nicht ausreichend straff gespannt, wird die Druckwelle nur schlecht bis gar nicht auf die Trinkhalm-Karton-Konstruktion übertragen.
Die Knetmasse, mit der die Öffnungen des Trinkhalms verschlossen werden, hat keine funktionale Aufgabe. Das Verschließen des Halms soll der Entwicklung von Fehlvorstellungen vorbeugen. Die Druckwelle wird nicht über die Luft im Inneren des Trinkhalms übertragen. Vielmehr ist die Druckübertragung vom Trinkhalm (Gehörknöchelchen) auf das Aluminiumschiffchen (Eingang zum Innenohr) mechanischer Art.
Vor dem Ankleben sollte die Springform senkrecht aufgestellt werden, um die genaue Position, an der das Kartondreieck mit einem Klebestreifen auf der Folie befestigt werden soll, zu bestimmen.
Bei der Durchführung des Experimentes ist zu beachten, dass „explosive“ Laute mit einer starken Druckwelle, wie zum Beispiel ein starkes Klatschen in die Hände, am ehesten zu einer Bewegung der Wasseroberfläche führen.
Hintergrund-Information für Lehrkräfte zur „Reise einer Schallwelle durchs Ohr“
Alles, was wir hören, ist Schall. Dabei handelt es sich allgemein um mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium. Diese Schwingungen pflanzen sich in Form von Longitudinalwellen und in der Luft als Druck- und Dichteschwankungen fort. Liegen die Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 16 Hertz und 20 Kilohertz, können sie im menschlichen Gehör einen Schalleindruck hervorrufen.
Eine Schallwelle erreicht im Normalfall aus unserer Umgebung über das Medium Luft die Ohrmuschel und gelangt über den Gehörgang bis zum Trommelfell. Die Druckänderungen bedingen Auslenkungen des Trommelfells. Diese werden mechanisch direkt an die Gehörknöchelchen im Mittelohr weitergegeben. Durch ihre Geometrie wird das akustische Signal auf dem Weg über das Ovale Fenster - eine membranverschlossene Öffnung in der Wand der Paukenhöhle - ins Innenohr mechanisch verstärkt und auf die Flüssigkeit im Innenohr übertragen. Im Innenohr befindet sich die Hörschnecke (Cochlea). Sie arbeitet wie ein körpereigenes Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Impulse umwandelt. Diese werden über die Nervenzellen im Hörnerv ans Gehirn weitergeleitet und dort zu einem Höreindruck verarbeitet.
Das Mittelohr und die mechanische Schallübertragung
Das Mittelohr besteht aus einem luftgefüllten Raum zwischen Außen- und Innenohr, der als Paukenhöhle bezeichnet wird. Es umfasst das Trommelfell und die kleinen Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel. Das Trommelfell dient der Schallübertragung und dem Abschluss der Mittelohrräume gegen außen. Es ist eine dünne Membran mit einer Fläche von etwa 85 Quadratmillimetern und einer Dicke von etwa 0,1 Millimetern. Das eine Ende des Hammers ist mit dem Trommelfell verwachsen, so dass sich jede Auslenkung des Trommelfells direkt auf ihn überträgt. Das andere Ende des Hammers ist gelenkig mit dem Amboss verbunden. Der Amboss wiederum ist mit dem Steigbügel verbunden und die Fußplatte des Steigbügels steht in Verbindung mit der Membran, die das ovale Fenster des Innenohrs verschließt.
Wozu ist diese komplizierte Kette von Gehörknöchelchen notwendig? Das Außenohr und das Innere des Mittelohres, die Paukenhöhle, sind luftgefüllt, während das Innenohr mit Flüssigkeit gefüllt ist (Perilymphe und Endolymphe). Bei der Übertragung der Schwingungen vom Außenohr zum Innenohr findet daher ein Wechsel des Schall leitenden Mediums statt.
Beim Übergang von einem zum anderen Medium würde an der Grenzfläche der Hauptteil der Schallwellen reflektiert werden. Das liegt an dem unterschiedlichen Widerstand (der sogenannten akustischen Impedanz), welcher der Ausbreitung der Schwingungen in verschiedenen Medien wie Luft und Perilymphe entgegenwirkt. Daher bezeichnet man die Übertragung im Mittelohr auch als Impedanzanpassung.
Die Reflexion der Schallwellen und die damit einhergehende Abschwächung des Signals wird durch die mechanische Übertragung der Trommelfellauslenkung auf die Membran des ovalen Fensters verhindert. Zwei Eigenschaften des Mittelohrs dienen der Verstärkung des Signals: Das Längenverhältnis der wirksamen Hebel der Gehörknöchelchen bewirkt eine Verstärkung um den Faktor 1,3 und das Flächenverhältnis von Trommelfell zu Steigbügelfußplatte beträgt 17:1. Der Druck am ovalen Fenster des Innenohres weist durch diese Impedanzanpassung einen 22-mal höheren Wert auf als der Druck am Trommelfell.
Die Gehörknöchelchen sind die kleinsten Knochen im menschlichen Körper. Ihre durchschnittliche Masse beträgt 23 Milligramm beim Hammer und nur 2,5 Milligramm beim Steigbügel.
Lust auf weitere Experimente zum Ohr?
Insgesamt bieten die unter dem Titel „Hör mal!“ herausgegebenen Aufgaben eine Möglichkeit naturwissenschaftliche Arbeitsweisen und systematische Analysen zu fördern sowie das kritische Denken zu schulen. Zentrale Kompetenzziele im naturwissenschaftlichen Unterricht werden damit gezielt unterstützt.
In einem weiteren Experiment, „Tanzende Körner“, wird aus einer Dose und einer Ballonmembran eine sogenannte Klangdose gebaut. Die Ballonmembran dient als schwingungsfähige Oberfläche. Salzkörner auf der Membran können durch Singen in die Dose zum Hüpfen angeregt werden. Diese visuell erfassbaren Effekte vertiefen das Verständnis zentraler akustischer Konzepte, darunter Frequenz, Amplitude und Resonanz.
Ein drittes Experiment, „Das singende Glas“, analysiert die akustischen Schwingungseigenschaften eines Weinglases. Durch das Reiben mit einem feuchten Finger wird das Glas zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die dabei entstehenden Schallfrequenzen werden mithilfe der App Phyphox bestimmt. Durch schrittweise Erhöhung der im Glas befindlichen Wassermasse werden die Auswirkungen auf die Frequenz der Schwingung untersucht. Die grafische Darstellung der Frequenz in Abhängigkeit von der Wassermasse ermöglicht den Schüler*innen eine quantitative Analyse des Zusammenhangs zwischen der Eigenfrequenz des Systems und der Masse des Wassers.
Bei diesem Experiment ist präzise Dokumentation nötig und die Schüler*innen lernen Messergebnisse systematisch auszuwerten und physikalische Zusammenhänge aus den gewonnenen Daten abzuleiten.
Über die Autorin:
Dr. Stephanie Schmidt-Gattung ist Mitarbeiterin in der IPN-Abteilung Didaktik der Chemie und Geschäftsführerin des deutschen Auswahlwettbewerbs zur Internationalen JuniorScienceOlympiad (IJSO) am IPN. Die IJSO ist einer von sechs Schülerwettbewerben, die vom IPN ausgerichtet und koordiniert werden. Die promovierte Biologin hat von 2020 bis 2024 die ansprechenden und interessanten Experimente und Aufgaben der jährlichen ersten Runde der IJSO mit Unterstützung von Expert*innen entwickelt.. schmidt-gattung@leibniz-ipn.de
Weiterführnde Quellen:
Das Experiment zum Download finden Sie unter: https://www.scienceolympiaden.de/ijso/ijso-material-aufgaben/aufgabenarchiv-download/aufgabenrunde
