MISURA DELLA VELOCITA DEL SUONO

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1 MISURA DELLA VELOCITA DEL SUONO AVVERTENZA: durante lo svolgimento dell esperienza viene emesso un suono continuo che non è pericoloso ma potrebbe risultare fastidioso. Per questo motivo siete invitati a procurarvi dei tappini per le orecchie (si trovano in farmacia) oppure delle cuffie insonorizzanti (non quelle da musica!!!) L idea alla base di questa esperienza è molto semplice: misurare la distanza che separa una sorgente sonora (altoparlante) dal ricevitore (un altro altoparlante usato al contrario per produrre un segnale elettrico proporzionale alla vibrazione provocata dall onda sonora). L apparato sperimentale è schematizzato nella figura seguente: L oscillatore produce un segnale elettrico oscillante ad una frequenza di circa 10 Hz (la frequenza può anche essere diversa) che ha la forma di un onda quadra. Questo segnale, applicato all altoparlante 1, produce un suono che viene ricevuto dall altoparlante 2. Qui l oscillazione sonora produce un segnale elettrico molto piccolo, ma rilevabile. L oscilloscopio è uno strumento che viene utilizzato per misurare con precisione un segnale elettrico variabile nel tempo.le misure possono essere effettuate su un solo canale oppure simultaneamente su due canali, come nel nostro caso. Nel nostro apparato misureremo sul primo canale il segnale a forma di onda quadra che arriva dall oscillatore, e che produce il suono. Sul secondo canale misureremo invece il segnale prodotto dall altoparlante 2 quando esso viene messo in vibrazione dall onda sonora in arrivo. Questo secondo segnale apparirà in ritardo rispetto al primo, in quanto le onde sonore emesse dal primo altoparlante impiegano un certo tempo a raggiungere il secondo. Misurando questo ritardo e la distanza tra i due altoparlanti potremo ricavare la velocità del suono.

2 Nello schema seguente è riportato quello che appare sull oscilloscopio: Notiamo sul primo canale il segnale a onda quadra emesso dalla sorgente e sul secondo canale il segnale ricevuto, che ha una forma alquanto complicata. Quello che interessa è misurare il ritardo, cioè l intervallo di tempo che trascorre tra il tratto verticale (inizio dell onda quadra) e l inizio della perturbazione rilevata sul canale due. Per misurare questo ritardo basta contare gli intervalli riportati sulla griglia e fare riferimento all unità di tempo indicata sull oscilloscopio. Osserviamo che la griglia è divisa in quadrati che rappresentano un unità di tempo, e che ogni quadrato è diviso in 5 parti. L unità di tempo può essere scelta a piacere, a seconda della durata del fenomeno che si vuole misurare. Per esempio nel nostro caso è opportuno scegliere come unità di tempo un intervallo di 200 μs. Se esaminiamo la figura sopra riportata vediamo che il ritardo è poco meno di due unità: possiamo stimare che sia un quadrato intero + 4 tacche, cioè1 + 4/5 di una unità, cioè 200 μs + 4/5 di 200 μs, ossia 360 μs. Nella foto seguente è riprodotto lo schermo reale dell oscilloscopio durante la misura:

3 Per misurare la velocità del suono dobbiamo naturalmente misurare anche la distanza tra i due altoparlanti. Per farlo basta osservare la loro posizione sulla guida millimetrata, come risulta dalla foto seguente: Occorre tenere però presente che una singola misura della distanza è molto imprecisa, in quanto gli altoparlanti hanno una dimensione di parecchi centimetri e non è possibile stabilire esattamente il punto in cui ha origine (o viene ricevuto) il suono. Per questo motivo è indispensabile eseguire una serie di 10 misure, spostando ogni volta l altoparlante ricevente di 2 cm. Riporteremo poi le misure di distanza e tempo su un foglio elettronico da cui ricaveremo un grafico e, inserendo una linea di tendenza, potremo ottenere la velocità del suono. Ricordate che è necessario misurare anche la temperatura ambiente, in quanto la velocità del suono dipende dalla temperatura e solo conoscendo quest ultima si può capire se il risultato dell esperimento è in accordo o no con il valore teorico della velocità del suono.

4 MISURA DELL'INDICE DI RIFRAZIONE In questa esperienza utilizzerete un fascio laser calcolare l'indice di rifrazione del plexiglas. L'oggetto di plexiglas ha la forma di un semicerchio. Il fascio laser incide sul bordo rotondo, in modo che qualsiasi sia l'angolo di rotazione del fascio, esso incide sempre perpendicolarmente alla superficie, purché il raggio sia diretto come il raggio della circonferenza, cioè in direzione del centro. Dovrete quindi assicurarvi che il semicerchio di plexiglas sia disposto con il lato dritto perfettamente allineato con la linea tracciata sul goniometro e che il centro del semicerchio si trovi sull'asse di rotazione del goniometro stesso, come si vede nella figura. Il raggio laser dovrà puntare inizialmente lungo la direzione perpendicolare al lato piano del semicerchio. Avvertenza: prestare la massima attenzione a non guardare nella direzione del fascio laser né delle eventuali riflessioni. Non muovere il generatore del fascio laser dalla sua posizione. Una volta che l'apparato è disposto correttamente, si inizia a ruotare il goniometro osservando come varia la direzione del raggio rifratto che emerge dal lato dritto del semicerchio. Ad un certo punto, quando la rotazione è giunta in prossimità dell'angolo limite, si potranno osservare sia il raggio rifratto che il raggio riflesso.

5 Raccolta ed elaborazione dati Dovete prendere almeno 6 misure di angolo di incidenza e angolo rifratto, variando ogni volta di circa 10 l'angolo di incidenza. Successivamente con un foglio elettronico costruite un grafico in cui rappresentate in ordinata il seno dell'angolo di rifrazione e in ascissa quello dell'angolo di incidenza. Su questo grafico i valori dovrebbero essere più o meno allineati. Infatti la legge di Snell ( afferma che sin r = n sin i Quindi, inserendo una linea di tendenza, potrete ottenere il valore dell'indice di rifrazione. Nella figura seguente è riportato un esempio di grafico

6 MISURA DELLA LUNGHEZZA D ONDA DELLA LUCE EMESSA DA UN LASER Per misurare la lunghezza d onda utilizzerete un reticolo di diffrazione da 1000 righe al cm, come raffigurato nelle immagini successive. AVVISO DI SICUREZZA: prestate la massima attenzione a non dirigere lo sguardo verso la sorgente laser e a non dirigere il raggio stesso verso oggetti riflettenti Sullo schermo compariranno una serie di frange ben distanziate. Utilizzando il righello millimetrato, misurate la distanza tra il massimo della prima frangia e il massimo centrale; inoltre misurate la distanza tra lo schermo e il reticolo. Conoscendo il numero di righe per centimetro, potete calcolare la distanza tra le fenditure. Poiché l angolo a cui compaiono le righe non è piccolo come nell approssimazione utilizzata per spiegare l esperienza di Young, esprimete il seno dell angolo in funzione della tangente.