# Practicum: echolocatie

Onderwerp: Bepalen van de geluidssnelheid met behulp van echolocatie

# Algemene beschrijving

## Omschrijving

In dit practicum schatten leerlingen de geluidssnelheid met behulp van echolocatie. De les start met een korte demonstratie waarin je laat zien hoe een echo kan worden geregistreerd met een meting in Coach 7.

De tijd tussen het moment waarop de microfoon het oorspronkelijke geluid registreert en het moment waarop de echo terugkomt, kan worden gebruikt om de geluidssnelheid experimenteel te bepalen. Je kunt zelf bepalen of je de lengte van de buis aan de leerlingen geeft, of dat zij deze zelf laten opmeten.

Na de demonstratie krijgen de leerlingen de opdracht om zelf een model van het experiment op te stellen. Voor een extra uitdagende variant kun je de microfoon enkele centimeters van de buis plaatsen. Leerlingen moeten dan inzien dat zij de extra afstand die het geluid aflegt, moeten meenemen om de geluidssnelheid correct te bepalen.

## Leerdoelen

Na het practicum kan de leerlingen:

Natuurkundige doelen:

- Uitleggen wat een echo is, hoe deze ontstaat door reflectie van geluid tegen een oppervlak en hoe deze gebruikt kan worden om de geluidssnelheid te bepalen.
- Beschrijven dat geluid zich voortplant met een eindige snelheid.
- Inzien dat het geluid bij een echo heen en terug reist en dat de afstand daarom twee keer zo groot is als de lengte van de buis.
- De geluidssnelheid berekenen met behulp van afstand en tijd.

Modeldidactiek doelen:

- Uitleggen dat een model een vereenvoudigde beschrijving is van de werkelijkheid.
- Een vereenvoudigen modelvoorstelling geven van een experiment aan de hand van verschillende representaties (blokschema, schematische weergave opstelling, letterformule).
- Reflecteren op de beperkingen van het model

## Voorkennis

Leerlingen moeten weten dat;

- Geluid een trilling is die zich voortplant door een medium (bijvoorbeeld lucht).
- Afstand en tijd gebruikt kunnen worden om snelheid te berekenen.
- Bij voortplanting van geluid sprake is van bron, medium en ontvanger.

Leerlingen moeten weten hoe;

- De formule gebruikt wordt om een snelheid te berekenen.
- Een onderzoeksvraag wordt opgesteld.
- Een hypothese wordt geformuleerd.

## Benodigdheden

- Een laptop met Coach 7
- Een Coachlab
- Een geluidssensor die aangesloten kan worden op Coach (b.v. Sound sensor coach BT80i)
- Een lange kartonnen buis van ongeveer 2,0 m
- Een perspexplaat
- Twee aluminiumstaafjes

## Opstelling en instellingen

Sluit de Coachlab aan op de laptop en verbind de geluidssensor met de Coachlab. Leg de lange buis horizontaal op een tafel. Plaats aan het uiteinde van de buis de perspexplaat; hierop zal het geluid terugkaatsen. Zet de microfoon aan de andere kant van de buis.

Je kunt de verwerking uitdagender maken door de geluidssensor op enige afstand van de buis te plaatsen.

Stel Coach in met de volgende instellingen:

- Tijdsduur: 20 ms
- Samplefrequentie: 20.000 s-1
- Aantal monsters: 400
- Triggering: 0,5 Pa
- Pretrigger: 1ms

## Meting

Druk op de groene startknop op Coach en geef een korte tik met de aluminium staafjes. Het is belangrijk dat je de staafjes daarbij stevig vasthoudt.

Je krijgt nu een grafiek te zien op Coach die er ongeveer zo uitziet:

De geluidsnelheid kan je berekenen door:

Volgens de theorie geldt:

De temperatuur was T=21 °C:

De gemeten en theoretische waarde komen dus overeen binnen de meetonzekerheid.

## Klassikale introductie van het practicum

Verdeel de klas in groepjes van twee tot drie leerlingen. Elk groepje gebruikt een whiteboard. Geef de leerlingen het stappenplan bij de uitvoering van het practicum om tot een model van het experiment te komen en dit te testen.

Als inleiding op de les laat je eerst de demonstratie zien. Geef daarbij aan wat het doel van de les is: het bepalen van de geluidssnelheid in lucht. In een klassengesprek dat hierop volgt kun je belangrijke voorkennis bespreken, zoals het idee dat geluid een trilling is die zich voortplant door lucht.

Leg ook uit of herhaal hoe geluid met een computer kan worden gemeten. Je kunt bijvoorbeeld uitleggen dat een microfoon geluid omzet in een elektrisch signaal, dat vervolgens via een interface naar de computer wordt doorgestuurd. Begrippen zoals frequentie en geluidssterkte kunnen ook kort worden herhaald als deze al eerder zijn behandeld.

Na deze klassikale introductie van het practicum gaan de leerlingen zelf aan de slag met het opstellen van een model van het experiment.

## Uitvoering

De stappen hieronder kan je in een stencil delen met leerlingen.

Stap 1: Bedenk een onderzoeksvraag

- Schrijf bovenaan je whiteboard wat je wilt onderzoeken.

Stap 2: Maak een schema van bron → medium → ontvanger

- Geef aan wat de bron, het medium en de ontvanger is in de opstelling.
- Noteer welke dingen je moet meten om de geluidssnelheid te berekenen.

Stap 3: Bedenk een model

- Maak een duidelijke schets van de buis, microfoon en geluidsbron.
- Laat zien hoe het geluid zich door de buis voortplant en waar de echo terugkomt.
- Zet de meetbare grootheden op je tekening.
- Bespreek in je groepje wat er volgens jullie gebeurt. Gebruik de meetbare grootheden in je uitleg.
- Noteer de rekensom en de formule die daarbij hoort.

Stap 4: Geef een hypothese

- Geef een verwachting van de geluidssnelheid in het lokaal.
- Hierbij kun je een voorbeeld uit de praktijk gebruiken: bliksem en donder.
- Weet iemand van jullie hoe je met het verschil tussen het zien van bliksem en het horen van donder de afstand kunt inschatten?
- Probeer op basis daarvan een verwachting van de geluidssnelheid in het lokaal te formuleren.
- Denk ook na: wat gebeurt er met de tijd als de buis langer of korter is?

Stap 5: Geluidssnelheid bepalen

- Verzamel alle meetgegevens die je nodig hebt.
- Gebruik je model om de geluidssnelheid te berekenen.

Stap 6: Reflecteer op je model

- Geef antwoord op je onderzoeksvraag.
- Bekijk of je hypothese klopt of niet.
- Bespreek of je tevreden bent met het resultaat.
- Noteer de beperkingen van jouw aanpak
- Schrijf op waarin de werkelijkheid misschien verschilt van je model (wat heb je weglaten of vereenvoudigd).
- Bedenk hoe je model ook in andere situaties gebruikt kan worden (b.v. sonar in water).

## Organisatie

Tijdsplanning:

- 10 min demonstratie en inleidend klassengesprek
- 25 min uitvoering stap 1 t/m 6
- 10 min afronding kringgesprek

Het is de eerste keer niet gelukt om alle stappen te doorlopen in één les van 50 min. Daarom zijn er foto’s van de borden gemaakt. Het kringgesprek is gevoerd aan het begin van de tweede les. In dit kringgesprek is stap 6 gemeenschappelijk besproken. Na het kringgesprek is er een aantekening gegeven.

## Inhoud kringgesprek

- Leerlingen moeten met woorden uitleggen wat het model is dat ze hebben bedacht.
- Leerlingen geven aan hoe ze tot hun hypothese zijn gekomen.
- Leerlingen bepreken hoe ze de geluidssnelheid hebben bepaald.
- Leerlingen wordt gevraagd over eventuele beperkingen van hun model in een klassikaal gesprek

##

## Inhoud logboek

- Je hebt de geluidssnelheid bepaalt met behulp van echolocatie
- De snelheid bereken je met
- De afstand is 2 keer de lengte van de buis omdat het geluid op en neer gaat.
- Een model is een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid.
- Je doet altijd aannames bij het maken van een model waardoor er afwijkingen kunnen ontstaan tussen de werkelijkheid en je voorspelling.

## Voorbeeld resultaten