Inhalt:
Bau und Funktion des Ohres und seiner Teile, Richtungshören mittels der Ohr-muschel, Schallleitung und -verstärkung durch das Mittelohr, Erregung der Sin-neszellen im Innenohr
Materialien und Medien:
M 29: Kreuzworträtsel Versuch 30: Richtungshören
Modell oder Lehrtafel vom Ohr
OH-Folie oder Vervielfältigungen Abb. 5.2: „Anatomischer Bau des Ohres“, S. 26, Abb. 5.4: „Schnecke in natürlicher Lage und ausgerollt“, S. 27, Abb. 5.5: „Corti-Organ“ und Abb. 5.6:
„Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Zilien in Aufsicht“, S. 28.
Abgusspräparat von Mittelohrknöchelchen
Versuch 17: Tanzende Reiskörner, auch „Reistopf“ genannt, S. 162 Versuch 18: Zwei Tamburine, S. 163
Versuch 20: Klingende Weingläser, S. 164
Versuch 21: Reflexion von Schall an der Wasseroberfläche, S. 164 Versuch 22: Ohrdruck, S. 165
Versuch 31: Schwingungen und Töne (Saiteninstrument) Zeitrahmen:
Ca. 2 Unterrichtsstunden, ohne Kreuzworträtsel
Vorschlag für die Unterrichtsgestaltung:
Bau des Ohres
Im Anschluss an ein Brainstorming zum Bau des Ohres lernen die Schülerinnen und Schüler die noch unbekannten Begriffe spielerisch mithilfe eines Kreuzwort-rätsels kennen. Hierbei ordnen sie die vorgegebenen Lösungswörter den ver-schlüsselten Beschreibungen zu. Das Rätsel ermöglicht zugleich die selbstständi-ge Überprüfung der Lösunselbstständi-gen durch die Lernenden. In der Folselbstständi-ge werden unter Zuhilfenahme des gelösten Rätsels, d.h. der Lösungswörter und der in den Ver-schlüsselungen enthaltenen Informationen, die Abbildungen des Ohres beschrif-tet (Abb. 5.2: „Anatomischer Bau des Ohres“, S. 26, 5.4: „Schnecke in natürlicher Lage und ausgerollt“, S. 27). Anhand von Ohrmodellen werden die erarbeiteten Begriffe in Partner- oder Gruppenarbeit vertiefend angewandt, indem die Lage der einzelnen Teile in der Dreidimensionalität von außen nach innen nachvollzo-gen wird und die Bereiche äußeres Ohr, Mittelohr und Innenohr voneinander abgegrenzt werden.
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Funktion der Ohrmuscheln
Die funktionelle Bedeutung der Ohrmuscheln lässt sich am folgenden Versuch 30:
„Richtungshören“ leicht demonstrieren:
Bei einer Ohrmuschel, die mit der Hand trichterförmig vorgebogen wird, sind die Angabe der Richtung des Schalls nicht immer zutreffend, da die „vergrößerte Ohrmuschel“ zu einer veränderten Wahrnehmung der Töne auf dieser Seite führt. Damit wird die Bedeutung der Ohrmuschel für das Richtungshören deut-lich, sie bündelt jedoch nicht die Schallwellen, die viel zu langwellig dafür sind.
Es ist nicht sinnvoll hierzu einen Arbeitsbogen heraus zu geben. Es ist vielmehr von Gewinn, wenn sich die Klasse vor Beginn des Versuchs überlegt, wie das Pro-tokoll zu erstellen ist. Damit wird gesichert, dass die Schülerinnen und Schüler tatsächlich das Experiment verstanden haben; geht man darüber hinweg, rächt sich dies später bei der Auswertung, bei der Erklärungen zum Experiment nach-geschoben werden müssen.
Funktion des Mittelohres
Der Aufbau des Mittelohres wurde bereits beim „Bau des Ohres“ besprochen. Bei der Behandlung der Ohrknöchelchen ist es sehr eindrucksvoll, Abgusspräparate der Knöchelchen in Originalgröße den Schülerinnen und Schülern zu zeigen. Diese sind für ca. 40 €im Lehrmittelhandel erhältlich.
Das Mittelohr schützt das Innenohr vor dem Eindringen von Fremdpartikeln aus der Umwelt. Die Schallwellen werden vom Trommelfell auf das Innenohr über-tragen und dabei werden die Schallwellen zu Wellen mit kleineren Amplituden und größeren Drücken umgewandelt. Dieser Vorgang ist sehr wichtig, sonst wäre die Hörfähigkeit stark verringert, s. 2.2: „Hören“, S. 26, und M 30: „Wo schädigt Lärm das Ohr?“, S. 202.
Die einzelnen Schritte und die dem zugrunde liegende Bedeutung können mit einfachen Experimenten aus dem 2. Baustein für den Physikunterricht: „Ausbrei-tung von Schall“, S. 158, demonstriert werden. Die große Zahl einfacher hier zur Verfügung stehender Schülerexperimente legt es nahe arbeitsteilig Schülerexpe-rimente durchführen oder an Stationen lernen zu lassen. Lernen an Stationen ist sicherlich die anspruchsvollste und effektivste Art zu unterrichten, die Möglich-keiten hängen vom Vorwissen und den FertigMöglich-keiten der Schülerinnen und Schü-ler ab, den zur Verfügung stehenden Geräten und nicht zuletzt von der Klassen-größe und der Möglichkeit von Teilungsunterricht ab. Zum Lernen an Stationen gibt Münchow (s. Literaturhinweise zu den Bausteinen für den Physikunterricht, S. 222) viele Tipps.
Einer Versuchsperson werden die Augen verbunden. Sie wird aufgefordert, einmal die linke und dann die rechte Ohrmuschel mit der ganzen hinter dem Ohr anliegenden Hand nach vorn zu biegen. Dadurch wird die „Ohrmuschel vergrößert“. Vor der Versuchsperson wer-den von verschiewer-denen Stellen aus Töne erzeugt.
Im Protokoll ist zu vermerken, von wo der Ton kam und was die Versuchsperson angab.
Die Erregung des Trommelfells zeigt sehr deutlich Versuch 17: „Tanzende Reis-körner“, auch „Reistopf“ genannt, S. 162:
Ebenso bewegen die Schallwellen des gasförmigen Luftkörpers das Trommelfell.
Das schwingende Trommelfell gibt diese Schwingungen an die Mittelohrknöchel-chen weiter, ein Vorgang, der mit dem Versuch 18: „Zwei Tamburine“, S. 163, gezeigt wird:
Dabei werden Schwingungen eines gasförmigen Körpers auf einen Festkörper übertragen und dieser in Schwingungen versetzt. Die Übertragung von Schall von einem Ort mit Schallträgern unterschiedlichen Aggregatzustandes zeigt der Ver-such 20: „Klingende Weingläser“, S. 164.
Beim genauen Beobachten wird auch deutlich, dass der Draht viel weniger als die Wasseroberfläche schwingt, die scheint dem Schall weniger Widerstand ent-gegenzusetzen.
Die biologische Bedeutung dessen, dass mittels der Ohrknöchelchen an der Weiterleitung Festkörper und nicht eine Flüssigkeit beteiligt ist, zeigt der Versuch 21: „Reflexion von Schall an der Wasseroberfläche“, S. 164:
Außerhalb des Wassers ist der Schall deutlich leiser. Er ist offenkundig nicht in voller Stärke durch die Wasseroberfläche gelangt, ein Teil muss reflektiert wor-den sein. Damit dies nicht bei der Innenohrlymphe passiert, erfolgt die Weiter-leitung der Schallwellen aus der Luft über Festkörper im Mittelohr.
Die Lösung des Reflexionsproblems wird im Mittelohr durch eine Erhöhung des Schalldrucks bewirkt. Im Wesentlichen beruht diese auf dem Flächenverhältnis zwischen dem 60–90 mm2großen Trommelfell und dem 3–3,5 mm2großen ova-len Fenster (Druck = Kraft/Fläche), Druckwandlung. Diese Anpassung wird durch die Hebelwirkung der Knöchelchen noch etwas verstärkt, da der Hebelarm des Hammers 1,3-mal länger als der des Ambosses ist (genau genommen sind es Winkelhebel und die Drehmomente von Hammer und Amboss, die sich wie 1,3 : 1 verhalten), Kraftwandlung.
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Schallwellen treffen auf die über den Topf gespannte Membran, bringen diese zum Schwingen und lassen damit die darauf liegenden Reiskörner springen.Zwei Tamburine werden einander zugewandt jeweils mit 2 Schnüren aufgehängt und das erste Tamburin angeschlagen. Das zweite Tamburin empfängt die Schallwellen des ersten und gibt diese weiter. Der lose hängende und das zweite Tamburin berührende Schlägel nimmt die Schallwellen auf und schwingt weg; ganz so, wie die Ohrknöchelchen bewegt werden.
Zwei dünnwandigen halb gefüllten und nebeneinander stehenden Weingläsern wird ein dünner Draht auf den Rand gelegt. Mit einem feuchten Finger wird der Rand des einen Glases gerieben. Sobald man den Rand des einen Glases gerieben hat, wird der Schall über den Draht auf das andere Glas übertragen und man sieht dort die Wasserschwingungen.
Eine wasserdichte, läutende Uhr wird in ein kleines Aquarium gelegt. Die Schülerinnen und Schüler halten ein Ohr in das Wasser des Beckens und vergleichen die Lautstärke, die sie im Wasser gehört haben, mit der an der Wasseroberfläche.
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Ohne Mittelohr würden ca. 99 % der Schallenergie beim Übergang in das mit Flüssigkeit gefüllte Innenohr reflektiert. Durch das Mittelohr wird die Effektivität der Schallübertragung auf das Innenohr erheblich gesteigert, von ca. 1 % der auf-genommenen Schallenergie auf 65 % (im Einzelnen s. 2.2: „Hören“, S. 26).
Eine weitere wichtige Aufgabe des Mittelohres mit seinen Knöchelchen ist aber eine Schutzfunktion. Bei sehr hohen Schallintensitäten zieht ein kleiner Muskel den Steigbügel in eine Schräglage, sodass nur noch 10 % der Schallenergie ins Innenohr gelangen. Dieser Schutzmechanismus wird „Stapedius-Reflex“ genannt (Stapes = Steigbügel). Gleichsinnig wirkt ein Muskel, der am Hammer ansetzt und damit das Trommelfell spannt, sodass das Ausmaß der Schwingungen gemindert wird.
Ein Beispiel aus der Natur soll die Wirkung des Schutzmechanismus im Mittelohr verdeutlichen: Eine singende Amsel erzeugt an ihren Ohren einen Schallpegel von ca. 120 dB. Da der Schutzmechanismus im Gegensatz zum Menschen nicht kurz-fristig ist, sondern beim Singen wirksam bleibt, werden die Ohren der Singvögel vor Überlastung und Schädigung bewahrt.
Während also im Mittelohr zu große Schallpegel gemindert werden, werden sehr kleine im Innenohr cochleär verstärkt, s. S. 30. Aber auch diese Verstärkung wird bei zu großen Schallpegeln gemindert, s. S. 32, sodass in summa an zwei Stellen des Ohres Schutzmechanismen vor Überlastung vorhanden sind.
Funktion des Innenohres
Das Ohr ist ein Schalldruckempfänger, wie der Versuch 22, S. 165: „Ohrdruck“
zeigt:
Der Druck kann leicht wahrgenommen werden, ebenso die verminderte Hör-fähigkeit. Offenkundig wird die Schallwahrnehmung durch Druckunterschiede beeinflusst, Ohren sind halt ebenso wie Mikrofone Schalldruckempfänger.
Durch ein Gespräch darüber, was mit dem Schall geschieht, sobald er das ovale Fenster am Innenohr erreicht hat, soll die Erkenntnis angebahnt werden, dass sich der Schall in der Schnecke ausbreitet. Wenn der Schall in der Flüssigkeit der Schnecke schwingt, wird die in der Schnecke befindliche Basilarmembran in Schwingungen versetzt.
Dies kann man die Schülerinnen und Schüler auch berechnen lassen. Gegeben sind dann die Radien, im Durchschnitt 8,7 und 1,8 mm für Trommelfell und ovales Fenster sowie das Längenverhältnis von 1,3 : 1 für Hammer und Amboss.
Die Schülerinnen und Schüler halten sich die Nase zu und erhöhen bei geschlossenem Mund den Druck in der Mundhöhle.
Dabei beobachten sie zum einen das Druckgefühl in den Ohren und zum anderen die Hör-leistung.
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Hierzu wird Versuch 31: „Schwingungen und Töne“ durchgeführt:
Die Lehrkraft erklärt hierzu Folgendes: Während beim Anstreichen oder Zupfen der Saite diese in Schwingungen versetzt wird und Schallwellen erzeugt, führen im Innenohr die einlaufenden Schallwellen zu Schwingungen der Basilarmem-bran.
Anhand einer OH-Folie und/oder mit Vervielfältigungen der Abb. 5.4: „Schnecke in natürlicher Lage und ausgerollt“, S. 27, Abb. 5.5: „Corti-Organ“, S. 28, und Abb.
5.6: „Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Zilien in Aufsicht“, S. 28, wird der Feinaufbau der Basilarmembran erläutert. Dabei wird zunächst auf die Übertragung der Schallwellen auf die Deckmembran hingewiesen. Die Deck-membran stößt gegen die Zilien und verbiegt sie etwas. Durch diese Aussche-rung werden die Zilien gereizt. Die Erregung wird auf Nerven übertragen, die diese Information an das Gehirn weiterleiten: Wir hören!
In Analogie dazu wird auf einem Saiteninstrument eine Saite mehrfach angestrichen oder gezupft und dabei mit der freien Hand an unterschiedlichen Stellen abgedrückt.
Je nach Länge des schwingenden Saitenteils ergeben sich unterschiedliche Tonhöhen.
BA USTEINE Hinweise für die Nutzung
der Materialien und Medien
M 29: Kreuzworträtsel
Lösungen: 1 Innenohr 2 äußeres Ohr 3 Mittelohr 4 rundes Fenster 5 Schnecke 6 Schneckengang 7 Paukentreppe 8 ovales Fenster 9 Hörnerv
10 Eustachische Röhre 11 Steigbügel
12 Vorhoftreppe 13 Hammer
14 Gleichgewichtsorgan 15 Amboss
16 Trommelfell 17 Gehörgang 18 Ohrmuschel