رنين عمود الهواء – قياس سرعة الصوت
الفيزياءالاهتزازات والموجات16–17 سنةمختبر افتراضي
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلأنبوب زجاجي فيه ماء، وفوق طرفه المفتوح شوكة رنانة تهتز بتردد 256–512 Hz. اسحب سطح الماء لتغيير طول عمود الهواء L: يعلو الصوت كثيرًا عندما L + e = (2n − 1)·λ/4، ويظهر ذلك على مقياس علو الصوت وفي منحنى علو الصوت مقابل L وفي نمط الموجة الموقوفة داخل الأنبوب، ويمكن سماعه بزر السماعة. سجّل موضعي رنين متتاليين لتجد λ = 2(L₂ − L₁) وسرعة الصوت v = λf.
الدرس: تجربة عملية: قياس سرعة الصوت بأنبوب الرنين – الموجات الموقوفة في أنبوب مغلق من أحد طرفيه
ماذا تعرض
عند وضع شوكة رنانة فوق عمود هواء يغلقه الماء من أسفل تتكوّن موجة موقوفة. يكون سطح الماء عقدة إزاحة، ويكون الطرف المفتوح قريبًا من بطن، لذا يحدث الرنين عندما L + e = (2n − 1)·λ/4؛ ويأخذ تصحيح الطرف e ≈ 0.6r في الحسبان أن البطن يقع فوق الطرف المفتوح بقليل. ويفصل بين كل رنينين متتاليين نصف طول موجي، لذا فإن λ = 2(L₂ − L₁) لا تعتمد على e، وv = λf. يستخدم النموذج العلاقة v ≈ 331 + 0.6t m/s، وشوكة يستمر صوتها بانتظام، ومعامل فقد واحدًا يعطي كل قمة عرضًا محدودًا.
طريقة الاستخدام
اختر تردد «الشوكة الرنانة» واضغط «اطرق الشوكة». اسحب سطح الماء في الأنبوب، أو استخدم منزلق «عمود الهواء L» والزرين −1 mm / +1 mm، وراقب مقياس علو الصوت والمنحنى؛ وشغّل زر السماعة لتسمع الصوت. عند أعلى صوت اضغط «سجّل L₁»، ثم اخفض الماء إلى موضع الصوت العالي التالي واضغط «سجّل L₂». قارن السرعة التي حصلت عليها بالقيمة النظرية، ثم غيّر «درجة الحرارة» أو «نصف قطر الأنبوب r» أو «تصحيح الطرف e = 0.6r».
المعاملات القابلة للتغيير
- تردد الشوكة الرنانة 256 Hz, 320 Hz, 384 Hz, 440 Hz, 512 Hz
- الطول الابتدائي لعمود الهواء 0.03–1.15 m
- درجة حرارة الهواء 0–40 °C
- احتساب تصحيح الطرف (e ≈ 0.6r)
- نصف القطر الداخلي للأنبوب 1–3 cm
أسئلة للاستكشاف
- لماذا تعطي العلاقة λ = 2(L₂ − L₁) نتيجة أدق من λ = 4L₁؟
- إذا تضاعف تردد الشوكة الرنانة، كيف تتغير المسافة بين موضعي رنين متتاليين؟
- عندما يكون الهواء أدفأ، هل يكون موضع الرنين الأول أعمق في الأنبوب أم أقرب إلى فوهته، ولماذا؟
