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Résonance d'une colonne d'air – mesurer la vitesse du son

PhysiqueOscillations et ondes16–17 ans

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Un tube de verre contient de l'eau et un diapason de 256–512 Hz vibre au-dessus de son extrémité ouverte. Faites glisser la surface de l'eau pour changer la longueur L de la colonne d'air : le son devient beaucoup plus fort quand L + e = (2n − 1)·λ/4, ce que montrent un indicateur d'intensité, un graphique de l'intensité en fonction de L et l'onde stationnaire dans le tube, et que l'on entend avec le bouton haut-parleur. Relevez deux positions de résonance consécutives pour obtenir λ = 2(L₂ − L₁) et la vitesse du son v = λf.

Leçon : Travaux pratiques : mesurer la vitesse du son avec un tube de résonance – ondes stationnaires dans un tuyau fermé à un bout

Ce qu’elle montre

Un diapason placé au-dessus d'une colonne d'air fermée en bas par de l'eau crée une onde stationnaire. La surface de l'eau est un nœud de déplacement et l'extrémité ouverte est proche d'un ventre : la colonne résonne quand L + e = (2n − 1)·λ/4, la correction d'extrémité e ≈ 0,6r tenant compte du ventre situé un peu au-dessus de l'ouverture. Deux résonances consécutives sont séparées d'une demi-longueur d'onde, donc λ = 2(L₂ − L₁) ne dépend pas de e, et v = λf. Le modèle utilise v ≈ 331 + 0,6t m/s, un diapason qui sonne en continu et un seul facteur de pertes qui donne à chaque pic une largeur finie.

Mode d’emploi

Choisissez la fréquence du Diapason et cliquez sur Frapper le diapason. Faites glisser la surface de l'eau dans le tube, ou utilisez le curseur Colonne d'air L et les boutons −1 mm / +1 mm, en observant l'indicateur et le graphique ; activez le bouton haut-parleur pour entendre. Au point le plus fort, cliquez sur Relever L₁, descendez l'eau jusqu'au point fort suivant et cliquez sur Relever L₂. Comparez votre vitesse à la théorie, puis changez Température, Rayon du tube r ou Correction d'extrémité.

Paramètres modifiables

  • Fréquence du diapason 256 Hz, 320 Hz, 384 Hz, 440 Hz, 512 Hz
  • Longueur initiale de la colonne d'air 0,03–1,15 m
  • Température de l'air 0–40 °C
  • Inclure la correction d'extrémité (e ≈ 0,6r)
  • Rayon intérieur du tube 1–3 cm

Questions à explorer

  1. Pourquoi λ = 2(L₂ − L₁) donne-t-il un résultat plus exact que λ = 4L₁ ?
  2. Si la fréquence du diapason double, comment change la distance entre deux résonances consécutives ?
  3. Quand l'air est plus chaud, la première résonance se trouve-t-elle plus haut ou plus bas dans le tube, et pourquoi ?

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