قياس سرعة الصوت – توقيت الصدى، وميكروفونان على راسم الذبذبات، والموجات فوق الصوتية المتفقة في الطور

ماذا تعرض

الصوت موجة طولية، وينتقل في الهواء عند 20 °C بسرعة تقارب 343 m/s، وتزداد سرعته بنحو 0.6 m/s لكل درجة سيليزية. تقيس هذه التجربة الافتراضية سرعة الصوت بثلاث طرق. في طريقة الصدى تقيس ساعة الإيقاف زمن ذهاب الصوت إلى الجدار وعودته، فتكون v = 2d/t. وفي طريقة الميكروفونين يعرض راسم الذبذبات زمن التأخر Δt في أثناء انتقال الصوت من ميكروفون إلى الآخر، فتكون v = d/Δt. ومع مرسل الموجات فوق الصوتية، يعيد تحريك أحد المستقبلين مسافة طول موجي كامل الإشارتين إلى الاتفاق في الطور، فتكون v = fλ.

طريقة الاستخدام

اختر تبويبًا. في «الصدى»: اضبط «البعد عن الجدار d» واضغط «تصفيقة واحدة» أو «تصفيق (N = …)»، فيمتلئ الجدول تلقائيًا. في «ميكروفونان»: اضبط «المسافة بين الميكروفونين d»، واضغط «تصفيق»، وحرّك «المؤشر 1» و«المؤشر 2» إلى بداية كل نبضة، ثم اضغط «تسجيل». في «طور الموجات فوق الصوتية»: حرّك «موضع R2 x» حتى تتطابق الإشارتان، واضغط «تسجيل موضع اتفاق الطور» في كل مرة. غيّر «درجة حرارة الهواء θ» واستخدم «المنحنى» للمقارنة.

المعاملات القابلة للتغيير

• الطريقة الصدى وساعة الإيقاف, ميكروفونان وراسم ذبذبات, مستقبلان للموجات فوق الصوتية متفقان في الطور
• درجة حرارة الهواء θ -10–40 °C
• البعد عن الجدار d (الصدى) 20–200 m
• عدد فترات التصفيق N 5–40
• المسافة بين الميكروفونين d 0.2–2 m
• القاعدة الزمنية لراسم الذبذبات 0.5 ms/div, 1 ms/div, 2 ms/div, 5 ms/div
• تردد مرسل الموجات فوق الصوتية f 38–42 kHz
• الموضع الابتدائي x للمستقبل R2 بالنسبة إلى R1 0–120 mm

أسئلة للاستكشاف

1. لماذا يعطي التصفيق 20 فترة بإيقاع الصدى نتيجة أفضل من توقيت صدى واحد؟
2. لماذا يكون منحنى Δt مقابل d خطًا مستقيمًا، وكيف تحصل على v من ميله؟
3. كيف يتغير الطول الموجي للموجات فوق الصوتية عندما يصبح الهواء أدفأ، إذا بقي f ثابتًا؟