Praktikum Virtual Cepat Rambat Bunyi: Gema dan Dua Mikrofon

Praktikum virtual cepat rambat bunyi ini mencakup dua metode klasik di sekolah untuk mengukur cepat rambat bunyi di udara. Pertama, siswa mengukur waktu gema dari dinding yang berjarak 50 m, sekali dengan satu tepukan dan sekali dengan bertepuk 20 selang mengikuti irama gema. Kemudian mereka menempatkan dua mikrofon pada jarak yang diukur, membaca selang waktu antara kedua pulsa pada osiloskop dua kanal, dan memplot Δt terhadap d. Gradiennya memberi v. Galat acak yang realistis menunjukkan mengapa pengulangan dan grafik lebih baik daripada satu bacaan. Setiap nilai di bawah dibaca dari simulasi.

Keterkaitan dengan kurikulum

• Cambridge IGCSE Physics 0625, 3.4 (bunyi): metode yang melibatkan pengukuran jarak dan waktu untuk menentukan cepat rambat bunyi di udara.
• AQA GCSE Physics 8463, 4.6.1.2 (sifat-sifat gelombang): menjelaskan metode untuk mengukur cepat rambat gelombang bunyi di udara.
• AQA A-level Physics 7408, 3.3.1.1 (gelombang berjalan): v = fλ, di sini dengan ultrasonik dan osiloskop sebagai pengayaan.

Simulic tidak berafiliasi dengan Cambridge University Press & Assessment maupun AQA dan tidak didukung oleh keduanya.

Sebelum praktikum (5 menit)

Minta siswa menetapkan prediksi, di kertas atau sebagai pertanyaan 1 pada tautan kelas:

"Mikrofon B dipindahkan dari jarak 0,80 m menjadi 1,60 m dari mikrofon A. Apa yang terjadi pada selang waktu Δt antara kedua pulsa?"

Sebagian siswa memperkirakan tidak ada perubahan, karena "cepat rambat bunyi itu tetap".

Langkah kerja dalam simulasi

Bagian A: gema (5 menit)

1. Klik tab Gema. Biarkan Suhu udara θ pada 20 °C dan Jarak ke dinding d pada 50 m.
2. Tekan Tepuk sekali dan tunggu stopwatch. Lalu tekan Tepuk 20 selang. Ulangi keduanya sekali lagi. Tabel terisi dengan sendirinya.

Metode	N	T (s)	t = T/N (s)	v = 2d/t (m/s)
Satu gema	1
Berirama	20

Bagian B: dua mikrofon (15 menit)

1. Klik tab Dua mikrofon. Biarkan Suhu udara θ pada 20 °C dan Basis waktu pada 1 ms/div.
2. Atur Jarak antarmikrofon d ke 0,40 m dan tekan Tepuk.
3. Biarkan Kursor 1 pada 1,00 div, tempat pulsa A dimulai. Geser Kursor 2 ke awal pulsa B (seret di layar atau gunakan penggeser), lalu tekan Catat.
4. Ulangi pada 0,80, 1,20, 1,60, dan 2,00 m. Baca garis kecocokan terbaik di bawah tabel.

d (m)	0,40	0,80	1,20	1,60	2,00
Δt (ms)
v = d/Δt (m/s)

Hasil yang diharapkan

• Gema, pada halaman yang baru dibuka: satu gema terbaca 0,37 s (270 m/s), lalu 20 selang terbaca 5,77 s (347 m/s). Pengulangannya memberi 0,34 s (294 m/s) dan 5,65 s (354 m/s). Waktu pulang-pergi sebenarnya 0,29 s, jadi waktu reaksi 0,1–0,2 s merusak pengukuran satu gema.
• Dua mikrofon: pembacaan kursor yang teliti memberi Δt = 1,14, 2,34, 3,50, 4,68, dan 5,84 ms. Nilai v masing-masing adalah 351, 342, 343, 342, dan 342 m/s (rata-rata 344 m/s).
• Grafik: garis lurus dengan gradien 2,935 ms/m dan titik potong −0,022 ms, jadi v = 1/gradien = 341 m/s. Model memberi 343 m/s pada 20 °C.
• Pada d = 1,00 m di halaman yang baru dibuka, pulsa B dimulai 2,89 ms setelah pulsa A.

Pertanyaan untuk siswa

1. (Prediksi, ditanyakan lagi setelah praktikum) Apa yang terjadi pada Δt ketika d menjadi dua kali lipat, dari 0,80 m ke 1,60 m?
2. Variabel mana yang harus tetap sama pada setiap pembacaan?
3. Pada d = 1,00 m, berapa Δt?
4. Berapa cepat rambat bunyi yang diberikan gradien grafik Anda?
5. Mengapa mengukur waktu 20 selang tepukan lebih baik daripada mengukur waktu satu gema?

Jawaban untuk guru: (1) Menjadi dua kali lipat, dari 2,34 menjadi 4,68 ms, karena Δt = d/v. (2) Suhu udara. (3) Terima 2,82–3,00 ms. (4) Terima 333–353 m/s. (5) Galat waktu reaksi saat memulai dan menghentikan terbagi ke 20 selang, sehingga menjadi bagian yang jauh lebih kecil dari waktu yang diukur.

Miskonsepsi umum

• "Waktu gema adalah waktu untuk mencapai dinding." Bunyi merambat ke sana lalu kembali, jadi v = 2d/t, bukan d/t.
• "Bunyi yang lebih keras merambat lebih cepat." Cepat rambatnya hanya bergantung pada udara dan suhunya.
• "Satu bacaan yang teliti sudah cukup." Pada 0,40 m, galat 0,03 ms adalah 2–3% dari Δt, itulah sebabnya titik tersebut memberi 351 m/s. Jarak yang lebih jauh dan penggunaan gradien mengurangi pengaruhnya.

Pengayaan

• Suhu: pada d = 1,00 m, atur Suhu udara θ ke 0, 20, dan 40 °C. Δt adalah 3,02, 2,92, dan 2,82 ms. Dengan Grafik pada v terhadap θ, garisnya bergradien 0,59 m/s per °C dengan titik potong 331 m/s.
• Ultrasonik sefase: pada tab Ultrasonik sefase (40 kHz), catat posisi sefase R2 pada 0, 8,5, 17,0 … 86,0 mm. Kecocokan garis memberi λ = 8,59 mm dan v = fλ = 343 m/s.

Pertanyaan umum

Bisakah tautan kelas terbuka dengan pengaturan yang tepat?

Bisa. Tautan itu terbuka di tab Dua mikrofon secara bawaan. Agar pasti, atur Metode ke Dua mikrofon dan osiloskop pada nilai awal tautan, lalu tetapkan Suhu udara θ pada 20 °C dan Basis waktu osiloskop pada 1 ms/div.

Apakah setiap siswa akan mendapat angka yang sama?

Hampir. Galat acaknya memakai benih tetap: memuat ulang atau menekan Atur ulang mengulang urutan yang sama. Urutan tepukan yang berbeda memberi nilai yang sedikit berbeda, jadi pertanyaan 3 dan 4 menerima rentang nilai.

Mengapa tidak memakai basis waktu yang lebih kecil?

Pada 0,5 ms/div pembacaan lebih presisi, tetapi pulsa B keluar dari layar setelah sekitar 1,5 m (simulasi memberi peringatan). Satu basis waktu untuk semua jarak membuat metodenya tetap sederhana.

Simulasi dan panduan terkait

Resonansi kolom udara – mengukur cepat rambat bunyi Efek Doppler – sumber bunyi yang bergerak

Untuk mengukur waktu reaksi yang merusak pengukuran satu gema, lihat praktikum virtual waktu reaksi. Untuk topik lain, lihat ide pelajaran fisika interaktif.