Bài 15. Thực hành: Đo tốc độ truyền âm

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Thảo luận để thiết kế phương án hoặc lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo được tốc độ truyền âm bằng dụng cụ thực hành.

1. CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO

Phép đo dựa trên hiện tượng sóng dừng trong cột không khí có một đầu kín và một đầu hở.

• Đầu có pít-tông là đầu kín, tương ứng với nút dao động.

• Đầu gần loa là đầu hở, tương ứng gần đúng với bụng dao động.

Khi chiều dài cột không khí có giá trị thích hợp, xảy ra cộng hưởng và âm nghe được to nhất.

Hai chiều dài cộng hưởng liên tiếp $l_1$ và $l_2$ thỏa mãn:

$$l_2-l_1=\frac{\lambda }{2}.$$

Suy ra:

$$\mathrm{\lambda =2}\left(l_2-l_1\right).$$

Tốc độ truyền âm được tính bằng:

$$\text{v=2f}\left(l_2-l_1\right)$$

2. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

• Ống trụ trong suốt có thang chia.

• Pít-tông có thể dịch chuyển trong ống.

• Dây kéo và ròng rọc.

• Máy phát âm tần.

• Loa nhỏ.

• Giá đỡ.

Có thể sử dụng âm thoa có tần số xác định thay cho loa và máy phát âm tần.

3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Bước 1. Lắp dụng cụ

Đặt ống trụ thẳng đứng, lắp pít-tông trong ống, đặt loa gần đầu hở và nối loa với máy phát âm tần.

Bước 2. Chọn tần số

Điều chỉnh máy phát đến một tần số xác định và giữ nguyên tần số trong suốt quá trình đo.

Bước 3. Xác định vị trí cộng hưởng thứ nhất

Dịch chuyển pít-tông từ từ. Khi âm nghe to nhất lần thứ nhất, đọc và ghi chiều dài cột không khí $l_1$.

Bước 4. Xác định vị trí cộng hưởng thứ hai

Tiếp tục dịch chuyển pít-tông. Khi âm nghe to nhất ở vị trí kế tiếp, đọc và ghi chiều dài $l_2$.

Bước 5. Lặp lại phép đo

Đo $l_1$ và $l_2$ nhiều lần, sau đó tính giá trị trung bình. Quy trình xác định hai vị trí cộng hưởng liên tiếp và xử lí kết quả được trình bày trong phần thực hành của tài liệu.

4. XỬ LÍ KẾT QUẢ

Tính giá trị trung bình:

$$l_1=\frac{l_{11}+l_{12}+l_{13}}{3}\text{, }{l}_2=\frac{l_{21}+l_{22}+l_{23}}{3}.$$

Khoảng cách giữa hai vị trí cộng hưởng liên tiếp:

$$\mathrm{d=}{l}_2-l_1.$$

Bước sóng:

$$\text{λ=2d.}$$

Tốc độ truyền âm:

$$\text{v=2df.}$$

Nếu chiều dài được đo bằng centimét, phải đổi về mét trước khi tính tốc độ theo đơn vị $\mathrm{m/s}$.

Ở điều kiện thông thường, tốc độ truyền âm trong không khí vào khoảng $340\text{\hspace{0.17em}m/s}$.

5. LƯU Ý KHI THỰC HÀNH

• Chọn đúng hai vị trí cộng hưởng liên tiếp.

• Dịch chuyển pít-tông chậm khi đến gần vị trí âm to nhất.

• Thực hiện thí nghiệm trong phòng yên tĩnh.

• Giữ tần số của nguồn âm không đổi.

• Đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình.

• Đọc thang chia theo phương vuông góc để hạn chế sai số thị sai.

• Giữ ống trụ và loa ổn định trong suốt quá trình đo.

Dùng hiệu $l_2-l_1$ giúp giảm ảnh hưởng của sai số hệ thống tại đầu hở của ống và thường chính xác hơn việc dùng riêng $l_1$ hoặc $l_2$.