Varför låter ljud olika?

Mål: Veta att ljud har olika egenskaper: tonhöjd (frekvens) och ljudstryka (ljudvolym) samt veta att ljudets utbredning tar tid. Hastigheten i luft är beroende av mediet men inte av tonhöjd, ljudstyrka eller hur långt ljudet gått.

Låt eleverna göra experiment med föremål som ger ljud ifrån sig. En enkel variant är att ge varje elevgrupp en öppen burk eller en öppen plastlåda och ett gummiband som träs över burken/lådan. Uppgiften är att först att formulera en hypotes och sedan undersöka:

1. Hur kan man få en hög resp. låg ton?

2. Vad är det för skillnad på en hög och en låg ton?

3. Hur kan man göra för att få samma ton men olika ljudstyrka?

Läraren följer upp elevernas arbete och inför begreppen frekvens och ljudstyrka (ljudvolym) (se avsnitt 4.5 och 7.3). Inom naturvetenskapen används modeller för att åskådliggöra fenomen som inte syns. Tidigare har partikelmodeller använts för att förklara ljudöverföring, men att förklara överföring av olika frekvenser och framförallt ljudstyrkor med hjälp av partikelmodeller kan bli krångligt. Alla modeller har någonstans sina begränsningar. Läraren kan eventuellt nöja sig med att diskutera hur den vibration ser ut som ger upphov till olika toner resp. olika ljudstyrka. Fysiker använder oftast en matematisk modell för att visa dessa fenomen.

Människor kan inte höra alla ljud av alla frekvenser utan endast dem mellan ca 20 – 20 000 Hz. Om det finns en tongenerator passar det utmärkt att låta eleverna lyssna på olika frekvenser och pröva hur låg ton resp. hög ton de kan höra. Det är också enkelt att visa vad det är för skillnad på begreppen ljudstyrka (starka/svaga ljud) och frekvens (låga/höga toner). Eleverna kan också med hjälp av tongeneratorn pröva om de kan höra infra- resp. ultraljud.

I försöksundervisningen uppskattade eleverna en diskussionsövning i grupp där de fick lära sig om hörseln hos olika djur samtidigt som de fick bearbeta sin förståelse av begreppen frekvens (tonhöjd), hertz (Hz), ljudstyrka, decibel, infraljud och ultraljud med hjälp av ”djurkort”. Eleverna fick i uppgift att fundera ut:

Därefter fick gruppen en mängd kort med information om djurs hörsel. Texten på ett kort i taget lästes högt, eleverna diskuterade och antecknade. När alla korten var genomgångna summerade först gruppen och därefter hela klassen tillsammans på vilka sätt djur hör annorlunda samtidigt som de ovan nämnda begreppen lyftes fram, bearbetades och förtydligades (se även kap. 6). Avslutningsvis diskuterade man lämpliga svar på ursprungsfrågan. Innan eleverna startar med övningen är det bra om de vet inom vilka frekvenser människor hör. Underlag för tillverkning av kort finns i bilagan ”Djur och hörsel – kopieringsunderlag”.

För de elever som är intresserade av att lära sig mer finns det en svårare övning, avsedd att genomföras i mindre grupp, som visar på hur partikelteorin och fysikers sätt att illustrera ljudöverföring med hjälp av matematisk representation hör samman ”Varför kallar man det ljudvågor?” För att lösa de två sista uppgifterna i övningen behövs en tongenerator. Det finns ytterligare en övning med högre svårighetsgrad ”Hörs biltrafiken bättre vissa dagar?” som handlar om ljudets överföring i luft vid olika temperatur. I denna övning ritas ljud istället med hjälp av böjda streck, alltså ytterligare ett sätt att illustrera ljudets överföring. Det finns en förklaring till frågan som eleverna kan få när de är klara med sina förslag. Se bilaga ”Förklaring - Hörs biltrafiken bättre vissa dagar?”.

Låt därefter eleverna diskutera och bearbeta sin förståelse av om ljudhastigheten påverkas av förändrad frekvens eller ljudstyrka. Förslag på diskussionsfrågor finns i följande bilagor i problemsamlingen: ”Ljudhastighet och frekvens”, diskussionsfråga 5 i ”Vilka idéer är vetenskapliga?” samt ”Mysterier med ljud och ljudhastighet”. (Av påståendena i övningen ” Mysterier med ljud och ljudhastighet” är 1=falskt, 2=falskt, 3=sant, 4=falskt, 5=sant och 6=falskt).

Läraren följer upp diskussionsfrågorna när eleverna har diskuterat färdigt. Elevförståelsen kan utvärderas nu eller något senare genom att eleverna t.ex. skriver ett svar på följande fråga:

Laura och Johan står hand i hand vid ena målet på skolans fotbollsplan och väntar på Ludvig. Plötsligt får de syn på Ludvig som kommer gående bakom det andra fotbollsmålet. Båda ropar samtidigt. Laura med ljus röst och Johan med sin mörka stämma. Ludvig hör ropen men vem av dem hör han först?

I samband med detta avsnitt kan eleverna, i smågrupper, göra mätexperiment med en ljudnivåmätare (bullermätare). Inled med att eleverna får berätta var de har upplevt att det kan finnas starka ljud och var de har upplevt att det är nästan tyst. Visa sedan hur man kan mäta ljudnivåer med en ljudnivåmätare. Här passar det också bra att diskutera att ljudstyrkan minskar med avståndet bl.a. beroende på att ljudet sprider sig i alla riktningar. Det är t.ex. skillnad på att mäta ljudnivån från biltrafiken på 5 och 100 meters avstånd, något som är viktigt att tänka på när de genomför sina mätningar.

Man mäter ljudnivåer i bel eller egentligen i den mindre enheten decibel, dB. Man kan jämföra med att man kan mäta avstånd i decimeter och volym i deciliter. Örat uppfattar inte alla de frekvenser vi hör lika bra. Vi uppfattar t.ex. ljud vid lägre ljudnivåer i de frekvenser där talet ligger. Därför använder man oftast ett sk. A-filter, som registrerar ljudnivåerna på ett sätt som mer liknar örats. Femtio decibel A (dB(A)) är ungefär ljudnivån i normal hemmiljö, en starkt trafikerad gata ger ca 70 dB(A), intill högtalarna på ett diskotek kan det vara 120 dB(A) och ett gevärsskott nära örat 160 dB(A)! (Se även kap. 4.5: Ljudets egenskaper).

Eleverna kan exempelvis arbeta utifrån frågeställningen:

Var i skolan eller i skolans omgivningar kan det finnas starka ljud?

Eleverna diskuterar i mindre grupper var de anser att det är lämpligt att mäta, lär sig hur mätaren används (t.ex. ställer in mätaren på dB(A)), planerar hur mätningen skall gå till, visar planeringen för läraren och genomför sedan sina mätningar (se även avsnitt 10.1). Mätningarna och redovisningen förenklas om de antecknar sina observationer och mätvärden i en tabell. Rubrikerna i tabellen kan t.ex. vara Föremål/Plats, Avstånd till ljudkälla och Ljudnivå (dB(A)).

Ljudnivåmätningarna kan även sparas eller utökas i avsnitt 10.12 när eleverna har arbetat med hörseln.