Bài 15: Thực hành: Đo tốc độ truyền âm

1. Kiến thức trọng tâm

Mục đích của bài thực hành là đo tốc độ truyền âm trong không khí bằng phương pháp cộng hưởng trong ống khí hoặc bằng dao động kí điện tử, rồi so sánh với giá trị lí thuyết khoảng $340$ m/s ở nhiệt độ phòng.

Phương án ống cộng hưởng: dùng một ống thủy tinh dài, một đầu hở, một đầu nối với bình nước để thay đổi chiều dài cột không khí trong ống. Đặt âm thoa có tần số $f$ đã biết dao động gần miệng ống, từ từ tăng chiều dài cột khí. Khi chiều dài cột khí thỏa mãn điều kiện cộng hưởng, âm nghe to rõ nhất. Với ống một đầu kín (mặt nước), một đầu hở, điều kiện cộng hưởng lần đầu là $l = \frac{\lambda}{4}$; lần cộng hưởng tiếp theo cách lần đầu $\frac{\lambda}{2}$.

Đo hiệu số chiều dài giữa hai lần cộng hưởng liên tiếp: $\Delta l = \frac{\lambda}{2}$, suy ra $\lambda = 2\Delta l$. Tốc độ truyền âm: $v = \lambda f = 2\Delta l \cdot f$.

Phương án dao động kí: hai micrô đặt cách nhau một khoảng $d$ trên cùng phương truyền âm, tín hiệu từ hai micrô hiển thị trên dao động kí. Dịch chuyển một micrô đến khi hai sóng hiển thị cùng pha trở lại, khoảng dịch chuyển chính là bước sóng $\lambda$. Biết tần số $f$ của nguồn âm, tính $v = \lambda f$.

Khi thực hành cần giảm tiếng ồn, đọc chính xác vị trí cộng hưởng, lặp lại phép đo nhiều lần và lấy trung bình để giảm sai số.

2. Ví dụ minh họa

Dùng âm thoa tần số $512$ Hz, hai lần cộng hưởng liên tiếp trong ống khí cách nhau $33$ cm. Tính tốc độ truyền âm.

Lời giải: Hai lần cộng hưởng liên tiếp cách nhau $\frac{\lambda}{2} = 33$ cm, nên $\lambda = 66$ cm $= 0,66$ m. Tốc độ truyền âm: $v = \lambda f = 0,66 \cdot 512 \approx 338$ m/s, gần với giá trị lí thuyết trong không khí ở nhiệt độ phòng.

3. Ghi nhớ

• Cộng hưởng trong ống: âm to rõ nhất khi cột khí thỏa mãn điều kiện cộng hưởng.
• Hai lần cộng hưởng liên tiếp cách nhau $\frac{\lambda}{2}$; $v = \lambda f$.
• Lặp lại phép đo và lấy trung bình để giảm sai số.