L’esperimento propone la misura della velocità del suono in aria in modo diretto, cioè misurando il tempo che esso impiega a percorrere uno spazio noto.
Scheda sintetica delle attività
All'estremità aperta di un tubo chiuso all'altra estremità si genera un suono molto acuto, che viene rivelato da un sensore. L’impulso sonoro si propaga nel tubo, si riflette sull’estremità chiusa e torna alla estremità aperta, generando un secondo segnale sul sensore. Misurando il tempo fra i due impulsi si determina il valore della velocità di propagazione del suono.
Risorse necessarie
Tubo di plastica con un'estremità chiusa;
stantuffo;
coperchietto di metallo per produrre suono secco;
microfono;
sistema di acquisizione dati;
software di acquisizione dati.
Prerequisiti necessari
Nozioni di base sulla teoria ondulatoria del suono;
saper utilizzare un software di gestione dei sensori on line;
saper costruire e leggere grafici e tabelle.
Obiettivi di apprendimento
Familiarizzare con i fenomeni ondulatori;
misurare la velocità del suono;
sviluppare la capacità di fare ipotesi esplicative e di verificarle sperimentalmente.
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
Descrizione dell'apparato sperimentale L'apparato sperimentale è mostrato in figura 1; il tubo di plastica di circa 0,10 - 0,15 m di diametro e 1,50 - 2,00 m di lunghezza, munito di tappo può essere acquistato nei negozi di idraulica.
Figura 1: apparato sperimentale: è mostrato il tubo, il coperchietto di metallo per generare il suono, il sensore collegato al sistema di acquisizione dati
Per costruire lo stantuffo (figura 2), si costruisce un cerchio di plastica o cartone duro che si infila perfettamente nel tubo, collegandolo a una sottile asta di metallo lunga quanto il tubo. Si fora il tappo e si infila l’asta nel tubo facendola passare per il foro del tappo in modo da lasciare il cerchio all’interno del tubo; si chiude il tubo con il tappo. In questo modo, spostando l’asta si varia la distanza fra il cerchio e il foro libero del tubo, variando così la lunghezza del cammino dell'onda sonora.
Figura 2: lo stantuffo utilizzato per variare la lunghezza del tubo
Si posiziona Il microfono all’imboccatura aperta del tubo (figura1). Si chiede agli studenti di predisporre sia i tempi di campionamento che la durata del campionamento in base alla conoscenza che essi hanno del fenomeno della propagazione del suono. In questo modo, la conoscenza teorica del fenomeno guida gli studenti a predisporre l’apparato sperimentale.
Misure sperimentali Il tubo utilizzato nell'esperimento qui riportato è di lunghezza di 1,52 m; il tappo e il disco di plastica hanno uno spessore di 0,03 m. La durata di campionamento è stata fissata a 0,02 s con una frequenza di campionamento di $10^4$ campionamenti /s. E' stata utilizzata una soglia di campionamento (triggering) che è stata variata a secondo del rumore di fondo. Sono stati acquisiti i dati con tubo di lunghezza variabile da 0,89 m a 1,49 m, a intervalli di 0,10 m per un totale di 7 misure. Le figura 3 e 4 riportano esempi di dati registrati. Figura 3: segnale misurato per una lunghezza del tubo L = 1,49 m
Figura 4: segnale misurato per una lunghezza del tubo L = 1,29 m
L'analisi dei grafici consente di determinare il tempo che l'impulso sonoro impiega a percorrere il tubo in andata e ritorno; allo scopo, individuare una particolare struttura nel segnale di partenza, individuarla nel segnale ritardato tenendo conto che esso è invertito rispetto al segnale di partenza e misurare l'intervallo di tempo tra di esse. I dati ottenuti sono riportati nella tabella seguente.
Tabella 1: intervallo di tempo che il suono impiega a percorrere diverse lunghezze del tubo
Il seguente grafico mostra l'andamento della distanza percorsa in funzione del tempo impiegato e la retta di regressione ottenuta.
Figura 5: grafico della distanza percorsa dall'impulso in funzione del tempo e retta di regressione lineare
Il valore del coefficiente lineare della retta di regressione fornisce il valore della velocità del suono, che risulta essere: $$ v = (331 \pm 7) m/s$$ in accordo entro $2 \sigma$ con il valore atteso.
Note e storia
L'attività fa parte di una collezione di esperienze preparate nell'ambito del progetto "Nuove idee per la didattica laboratoriale nei licei scientifici" finanziato dal MIUR
