Cộng hưởng cột khí – đo tốc độ truyền âm

Phục vụ chủ đề Sóng dừng, Vật lí 11 (Chương trình GDPT 2018), phần thực hành đo tốc độ truyền âm bằng cộng hưởng cột khí. Ống thuỷ tinh dài 1,2 m chứa nước; cột không khí phía trên kín ở mặt nước và hở ở miệng ống. Âm thoa rung ở miệng ống làm cột khí cộng hưởng khi L + e = (2n − 1)·λ/4, trong đó e ≈ 0,6r là hiệu chỉnh đầu ống (bụng sóng nằm hơi cao hơn miệng ống). Mô hình lấy tốc độ âm v ≈ 331 + 0,6t (m/s), coi âm thoa dao động đều liên tục, và gộp mất mát năng lượng (bức xạ ở miệng ống, ma sát với thành ống) vào một hệ số tắt, nên mỗi đỉnh cộng hưởng có độ rộng hữu hạn và các đỉnh sau thấp hơn đỉnh đầu. Độ to hiển thị là biên độ âm tương đối, không phải số đo decibel. Chọn tần số âm thoa (256–512 Hz), bấm Gõ âm thoa rồi kéo mặt nước (hoặc thanh trượt) xuống dần: đồng hồ độ to, đồ thị độ to theo L và tiếng âm thoa (bật bằng nút loa) cùng tăng mạnh ở các vị trí cộng hưởng, trong ống hiện hình sóng dừng với nút sóng ở mặt nước. Ghi L₁ và L₂ ở hai vị trí cộng hưởng liên tiếp: chương trình tính λ = 2(L₂ − L₁), v = λf, so với giá trị lí thuyết ở nhiệt độ đã chọn và đưa vào bảng để lấy trung bình nhiều lần đo. Lấy hiệu L₂ − L₁ khử được hiệu chỉnh đầu ống; từ L₁ còn ước lượng được e. Đổi bán kính ống hoặc tắt hiệu chỉnh để thấy L₁ thay đổi còn L₂ − L₁ thì không. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao tính λ = 2(L₂ − L₁) cho kết quả chính xác hơn λ = 4L₁? – Tần số âm thoa tăng gấp đôi thì khoảng cách giữa hai vị trí cộng hưởng liên tiếp thay đổi thế nào? – Khi nhiệt độ không khí tăng, vị trí cộng hưởng thứ nhất nằm sâu hơn hay nông hơn trong ống? Vì sao?