[일반물리학실험]관의 공명 측정 장치 1부

실험 목적

1. Tube 안에서 일정한 주파수를 가진 음파가 진행해나갈때 관의 길이에 따른 음파의 공명현상을 관찰하고, 공명현상이 일어날때의 정상파의 모양을 관찰하며 이를 이용해 공기 중에서의 음속을 측정한다.

2. 주파수 발진으로 발생한 음파를 통해서 관속 음파의 공명 조건과 음파의 속도를 측정한다

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

공명현상을 설명할 때 가장 예를 많이 드는 것이 바로 그네이다. 그네를 타고 있을 때 바로 그네가 정점에 도달했다가 다시 내려가는 순간 미는 것이 가장 잘 올라간다. 여기서 내려가는 순간 미는 것, 이것이 공명현상에서 제일 중요한 W, 즉 고유 진동수이다. 즉 앞뒤로 왔다 갔다 하는 주기를 말하는 것으로 그네가 가진 W 와 뒤에 사람이 미는 빈도, 진동수, 즉 W가 일치할 때 그네가 높게 올라가는 것입니다. 즉 파동의 간섭현상인 골과 골, 마루와 마루가 서로 만나면 보강간섭을 일으키는 것과 같은 것이다. 즉, 공명현상은 파동의 간섭현상의 일종이다. 공명현상이 일어날 때 파형은 정상파가 된다.

정상파는 관의 끝에서 반사되어 오는 음파와 원래의 음파가 간섭하여 만들어진다. 정상파는 배와 마디를 가지고 있다. 배는 정상파에서 진폭이 원래의 두 배가 되어 시간에 대해 진동하는 부분이며, 마디는 진동이 없이 고정되어 있는 부분이다. 관속에서 음파는 양쪽 끝을 오가며 여러번 반사를 일으킨다. 이러한 여러 번의 반사가 있는 동안 서로 음파들이 중첩되어 일반적으로는 작은 진폭을 보일 것이다. 하지만 모든 반사파가 같은 위상을 가지고 있을 때에는 최대 진폭을 갖게 된다. 

이때의 주파수를 공명 주파수라고 한다. 관의 한쪽이 열려있다면 관의 열린 끝 부분에서 공기의 밀함과 소함이 자유롭게 번갈아 일어날 수 있으므로 배가 형성되고 닫힌 쪽은 공기의 밀함과 소함이 일어날 수 없으므로 마디가 형성되어야 한다. 본 실험에서는 관의 한쪽 끝은 막혀있고 나머지 끝은 스피커로 막았지만 이 부분에서 가장 큰 진동이 있도록 한셈이므로, 근사적으로 배가 형성되어야 한다.(만약 양쪽 끝이 막힌 금속관을 막대로 쳐 공명조건을 얻는다면 양 끝은 마디가 형성되고 한쪽이 닫힌 유리관 위에서 막대 굽쇠로 소리를 낸다면 그 끝은 배가 형성된다.)

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 공명관 1개, 받침대 1개, 소형 마이크 1개, 스피커 1개, 전선 2개

2) voltage sensor 1개, 반사관 1개, 마이크 대1개

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