Schallgeschwindigkeit messen – Echo, zwei Mikrofone am Oszilloskop, Ultraschall in Phase
PhysikSchwingungen und WellenAlter 16–17
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Zum Starten anmeldenEin virtueller Versuch, der die Schallgeschwindigkeit in Luft auf drei Arten misst: das Echo von einer Wand mit der Stoppuhr messen (ein einzelnes Echo oder Klatschen im Takt des Echos über viele Intervalle), die Laufzeit zwischen zwei Mikrofonen an einem Zweikanal-Oszilloskop ablesen (v = d/Δt) und einen Ultraschallempfänger verschieben, bis beide Signale wieder in Phase sind, um die Wellenlänge zu bestimmen (v = λf). Mit Messtabelle, Mittelwert und Standardabweichung, linearen Diagrammen mit Ausgleichsgerade und dem Einfluss der Lufttemperatur.
Lektion: Schallgeschwindigkeit in Luft: Echomethode, zwei Mikrofone und Oszilloskop sowie v = λf; Einfluss der Temperatur
Was sie zeigt
Schall ist eine Longitudinalwelle; in Luft von 20 °C breitet er sich mit etwa 343 m/s aus, und seine Geschwindigkeit steigt um etwa 0,6 m/s pro Grad Celsius. Dieser virtuelle Versuch misst sie auf drei Arten. Bei der Echomethode misst eine Stoppuhr die Zeit, die der Schall zur Wand und zurück braucht, also v = 2d/t. Mit zwei Mikrofonen zeigt ein Oszilloskop die Laufzeit Δt zwischen ihnen, also v = d/Δt. Mit einem Ultraschallsender bringt das Verschieben eines Empfängers um eine ganze Wellenlänge die beiden Signale wieder in Phase, also v = λf.
So funktioniert es
Wählen Sie einen Reiter. Echo: Stellen Sie Abstand zur Wand d ein und drücken Sie Einmal klatschen oder N Intervalle klatschen; die Tabelle füllt sich selbst. Zwei Mikrofone: Stellen Sie Mikrofonabstand d ein, drücken Sie Klatschen, schieben Sie Cursor 1 und Cursor 2 an den Beginn der Pulse und drücken Sie Erfassen. Ultraschall in Phase: Verschieben Sie Position von R2 x, bis die Kurven übereinstimmen, und drücken Sie jedes Mal Phasengleiche Position erfassen. Ändern Sie Lufttemperatur θ und vergleichen Sie mit Diagramm.
Einstellbare Parameter
- Methode Echo und Stoppuhr, Zwei Mikrofone und ein Oszilloskop, Zwei Ultraschallempfänger in Phase
- Lufttemperatur θ -10–40 °C
- Abstand zur Wand d (Echo) 20–200 m
- Anzahl der Klatschintervalle N 5–40
- Mikrofonabstand d 0,2–2 m
- Zeitbasis des Oszilloskops 0,5 ms/div, 1 ms/div, 2 ms/div, 5 ms/div
- Frequenz des Ultraschallsenders f 38–42 kHz
- Startposition x von R2 gegenüber R1 0–120 mm
Fragen zum Erkunden
- Warum liefert Klatschen im Takt des Echos über 20 Intervalle ein besseres Ergebnis als das Messen eines einzelnen Echos?
- Warum ist das Diagramm von Δt gegen d eine Gerade, und wie erhalten Sie v aus ihrer Steigung?
- Wie ändert sich die Wellenlänge des Ultraschalls, wenn die Luft wärmer wird und f gleich bleibt?
