[일반물리학실험]Resonance Tube

실험 목적

1. 어떤 음원에서 관속으로 전달되는 음파의 에너지가 최대가 되는 공명주파수를 측정하고 이때 생겨나는 정상파의 공명 모드를 측정한 뒤 관의 길이와의 관계를 조사한다.

2. 기초적인 전자장비인 oscilloscope의 사용법을 익히기 위해 소리의 속도를 관계식을 이용해서 구해본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

파장, 주기 및 진폭이 같은 두 파동이 반대 방향에서 진행하여 계속 겹쳐지게 되면 그 합성파는 몇 개의 부분으로 나누어져 제각기 진동하면서 파동의 모양은 어느 쪽으로도 진행하지 않는다. 이 때 매질의 각 부분만이 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 진동하면서 파동이 서 있는 것처럼 보인다. 이와 같은 파동을 정상파라 하고, 항상 이동하지 않는 점을 마디, 진폭이 큰 곳을 배라고 한다.

폐관공명(왼쪽)과 개관공명(오른쪽)

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

공명관, Oscillator, 마이크, 파동발생장치

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 공명관의 공명부 길이를 고정시킨다.

2) 파동 발생장치와 오실레이터를 켠다.

3) 파동 발생장치의 발생 변화시켜가면서, 오실레이터에서 최대의 진폭을 가지는 파동 부분을 찾아본다.

4) 그 파동들을 기록하여 분석한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

관의 길이를 고정시켜 놓고, 파동의 주파수를 변화시키면서 정상파가 발생하는 주파수만을 기록하는 방식의 실험만 하였다. 실험에서, 관의 길이는 40.7㎝였고, 실험실의 온도가 실온이라고 할 때 음파의 속도는 346.14m/s 가 된다.

본 실험에 사용한 관은 양쪽 끝이 모두 막힌 폐관이고, 따라서 이론적인 정상파의 주파수를 계산할 수 있다.

 

n	1	3	5	7	11	13	17
파장	1.17	0.32	0.22	0.16	0.11	0.09	0.07

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 공명관을 이용하여, 파동을 쏘아 그 주파수를 변화시켜 가면서 오실로스코프를 이용하여 파장을 관찰하는 것을 목적으로 하는 실험이었다. 하지만 본 실험에서도 오차가 발생하였는데, 이 오차의 원인이 무엇인지 분석해보았다.

 

실험을 할 때 우리가 귀로 관에서 나오는 소리가 가장 큰 진동수를 공명 진동수라 가정하였다. 그러나 이론적으로는 공명 진동수가 아주 많아야 하는데 실험상으로는 그렇지 않았다. 왜 그럴까? 우리가 실험에서 사용한 관은 파동의 E 중 일부를 흡수하게 된다. 그래서 벽에 부딪혀서 돌아오는 진동수는 처음의 진동수와 약간 차이가 나게 되고 따라서 이 두개의 파동(원래 파동과 반사된 파동)이 맥놀이 현상을 이루게 된다. 즉, 실험에서 크다고 느끼는 주파수는 맥놀이 현상에서 큰 주기의 피크 점을 가리키게 되므로 n이 완벽한 정수도 아니되고, 매우 많은 공명 진동수를 찾을 수도 없게 된다.

 

또한, 실험에 사용한 기기상의 오차가 있을 수 있다. 원하지 않은 소리의 반사나 흡수, 또는 산란 때문에 실험상의 오차가 발생하였다. 다른 그룹과 동시에 소리를 듣는 실험을 하였기 때문에 소리가 헷갈렸거나 소리를 잘못 들었을 수 도 있다. 또 여러 가지 원인이 있겠지만, 이러한 원인들로 인해 오차가 발생하여 실험값에 차이가 생겼으리라고 생각할 수 있다.

 

참고 문헌

Essential University Physics by Richard Wolfson, Pearson Addison Wesley, 1st Edition