PRÁCTICA Nº2 TUBO DE RESONANCIA

Transcripción

1 PRÁCTICA Nº2 TUBO DE RESONANCIA 1.- Objetivo El objetivo de esta práctica es determinar la velocidad de propagación del sonido en el aire empleando el fenómeno de la resonancia en un tubo. Además se pretenden observar las ondas estacionarias en tubo cerrado y abierto y localizar los nodos y antinodos. 2.- Equipamiento Los accesorios necesarios para la correcta realización de la presente práctica (véase figura 1) son los que se enumeran a continuación: 1. Tubo de plástico de 90 cm con escala métrica incorporada. 2. Dos soportes del tubo: uno de ellos lleva incorporado un altavoz y el otro una entrada para el pistón. 3. Pequeño micrófono con un amplificador alimentado por una batería y un conector coaxial para unirlo directamente al osciloscopio. 4. Pistón movible. 5. Varilla para mover el micrófono. 6. Dos abrazaderas para cubrir los agujeros presentes en el tubo. 7. Dos cables con bananas en ambos extremos. 8. BNC a cocodrilos. 9. Sonda de osciloscopio. 10. Generador de funciones. 11. Osciloscopio. Fig. 1. Componentes de la práctica. 1

2 3.- Montaje 1. Colocar las abrazaderas en el tubo cubriendo los orificios. 2. Colocar los soportes: el que lleva incorporado el altavoz al inicio y el otro en el extremo final del tubo. 3. Sujetar el micrófono a la varilla mediante cinta adhesiva que le entregará el encargado de laboratorio. 4. Conectar el altavoz al Output del generador de funciones. 5. Conectar el canal 1 del osciloscopio al altavoz. 6. Conectar el canal 2 del osciloscopio al micrófono. 7. Bajar a cero la amplitud y la frecuencia del generador de funciones antes de encenderlo. 8. Encender el generador de funciones y comprobar que está fijada la opción de onda sinusoidal. 9. Colocar la pila en el amplificador del micrófono y encenderlo. 10. Encender el osciloscopio. Fig. 2.- Montaje para la adecuada realización de la práctica del tubo de resonancia. 4.- Experimentos: Experimento 1 : Ondas estacionarias en un tubo abierto y cerrado Procedimiento 1. Colocar los soportes de manera que la configuración del tubo sea la de abierto. Véase figura 3. 2

3 Fig. 3.- Colocación adecuada de los soportes para que el tubo adquiera configuración de tubo abierto. 2. Introducir el micrófono, sujeto a la varilla, por el orificio situado debajo del altavoz y sitúelo, a lo largo del tubo, donde crea conveniente. 3. Fijar la señal del generador de funciones aproximadamente a 100 Hz y aumente la amplitud hasta conseguir que se escuche claramente el altavoz. Nota: a estas frecuencias es muy difícil escuchar con claridad el altavoz, por lo que se debe prestar atención. 4. Subir poco a poco la frecuencia hasta que se produzca un máximo en el sonido o al ver un aumento de la señal en el osciloscopio. Apuntar esta frecuencia en una tabla similar a la tabla 1 y, deslizando el micrófono encontrar las posiciones de los nodos y antinodos a lo largo del tubo. Anotarlas. Modo(n) Frecuencia de resonancia (νn) Posición nodo Posición antinodo Longitud de onda (λ) Velocidad de la onda (v) Tabla 1.- Esquema de la tabla en la que se recogerán los datos obtenidos durante este apartado de la práctica. 5. Seguir este procedimiento hasta encontrar los 4 primeros modos de resonancia y sus respectivos nodos y antinodos. 6. Bajar la amplitud y la frecuencia del generador de funciones a cero. 7. Quitar el soporte del extremo final del tubo. 8. Sacar el micrófono del tubo. 9. Introducir el pistón hasta el extremo del tubo donde se encuentra el altavoz. 10. Colocar de nuevo el soporte del extremo final del tubo y sitúe los soportes de manera que el tubo adquiera configuración de tubo cerrado. Vea figura 4. 3

4 Fig. 4 Colocación adecuada de los soportes para que el tubo adquiera configuración de tubo cerrado. 11. Situar el pistón justo al final del tubo, como indica la segunda foto de la figura 5. Para evitar que el pistón se rompa estando en esta posición, debe apoyarse en una espuma negra que le proporcionará el encargado del laboratorio. 12. Colocar el micrófono donde sea conveniente a lo largo del tubo. 13. Comprobar que el soporte del extremo final tape bien el tubo, ya que sino las medidas no serán las correspondientes a las de un tubo cerrado. 14. Fijar del generador aproximadamente a 100 Hz y aumentar la amplitud hasta conseguir que se escuche claramente el altavoz. 15. Subir poco a poco la frecuencia hasta que se produzca un máximo en el sonido o al ver un aumento de la señal en el osciloscopio. Apuntar esta frecuencia y, deslizando el micrófono, encontrar las posiciones de los nodos y antinodos. Anotarlas. 16. Seguir este procedimiento hasta encontrar los 4 primeros modos de resonancia y sus respectivos nodos y antinodos. Experimento 2 : Frecuencia de resonancia Procedimiento 1. Medir la amplitud a lo largo del tubo a la frecuencia de resonancia obtenida en el segundo armónico con la configuración de tubo abierto. 2. Anotar los valores de amplitud obtenidos en el osciloscopio cada 5 cm aproximadamente. 3. Fijar el generador a 200 Hz aproximadamente. 4. A esta frecuencia medir la amplitud a lo largo del tubo y anotar los valores cada 5 cm aproximadamente. 4

5 Experimento 3 : Longitud del tubo y modos de resonancia Procedimiento 1. Bajar la frecuencia y la amplitud del generador de funciones a cero. 2. Colocar los soportes en configuración de tubo cerrado. 3. Colocar el pistón en el extremo final del tubo (en 90 cm). Para evitar que el pistón se rompa estando en esta posición, debe apoyarse en una espuma negra que le proporcionará el encargado del laboratorio. 4. Introducir el micrófono, ayudado de la varilla, por el orificio situado debajo del altavoz y situelo en la posición de 5 cm, aproximadamente. 5. Teniendo en el generador de funciones la amplitud a cero, fijar una frecuencia de 700 Hz, aproximadamente. Apuntar esta frecuencia, en una tabla similar a la tabla 1. Frecuencia: Posición del Pistón Tabla. 2.- Esquema de la tabla en la que se recogerán los datos obtenidos durante este apartado de la práctica. 6. Subir poco a poco la amplitud del generador de funciones hasta que se escuche claramente el altavoz, sin que el sonido sea muy alto. El altavoz puede ser dañado si la amplitud es muy elevada. 7. Empujar el pistón poco a poco hasta que oiga una amplificación del sonido y/o en el osciloscopio vea un máximo en la amplitud de la señal. Ajustar la posición del pistón, con cuidado, donde se produce la amplificación del sonido y/o cuando la amplitud de la señal del canal 2 del osciloscopio es máxima. Apuntar esta posición. 8. Seguir empujando el pistón hasta que encuentre todas las posiciones en las que se amplifique el sonido y apúntelas. 9. Repetir este proceso para 900Hz, 1100Hz y 1300 Hz. 5

6 5.- Conocimientos Dibujar los cuatro primeros modos de resonancia en desplazamiento, indicando a qué frecuencias se dan y en qué posiciones se dan los nodos y antinodos para cada uno de los modos, en un tubo abierto de longitud 90 cm. Hacer lo mismo para el mismo tubo cerrado. Qué relación existe entre los armónicos en un tubo abierto? y en uno cerrado? Si se utiliza un micrófono (sensor de presión), cómo serán los cuatro primeros modos de resonancia para un tubo de 90 cm de longitud, tanto para un tubo abierto como para uno cerrado? Comparar los resultados con los de la pregunta anterior. Qué relación existe entre ellos? 6.- Análisis Experimento 1 Calcular la longitud de onda y la velocidad del sonido para cada uno de los datos obtenidos. Con los datos obtenidos durante la práctica, dibujar la forma de las ondas para cada frecuencia de resonancia para los dos tipos de tubo. Coinciden los resultados obtenidos experimentalmente con los teóricos contestados en la pregunta de conocimientos realizada previamente? Razonar las respuestas. Experimento 2 Describir y graficar lo que ocurre a la frecuencia de 200 Hz a lo largo del tubo. Comparar con lo obtenido en la frecuencia de resonancia elegida. Experimento 3 Según los datos obtenidos, dibujar la actividad de la onda a lo largo del tubo. Cómo se relacionan las sucesivas posiciones del pistón que producen resonancia con este dibujo? Graficar la longitud del tubo vs n, donde n es el número de antinodos que se producen a lo largo de la longitud del tubo a una de las frecuencias medidas (700 Hz, 900 Hz, 1100 Hz o 1300 Hz). Calcular a partir de la gráfica el valor de la velocidad del sonido. Razonar cada paso llevado a cabo hasta la obtención de dicha velocidad. 6