Effet tube
Mesurer la vitesse du son par émission d'un bruit dans un tube
Ebene :
Lycée
Autor:
FizziQ
Objectif pédagogique :
Cette activité permet aux élèves de mesurer la vitesse du son en analysant les fréquences de résonance d'un tube. Elle illustre comment les phénomènes de résonance peuvent servir à déterminer des constantes physiques.
Concepts abordés :
Résonance acoustique; Fréquences propres; Analyse spectrale; Ondes stationnaires; Propagation du son
Description de l'activité :
L'élève génère un bruit blanc avec un smartphone placé à l'entrée d'un tube cylindrique puis utilise un second smartphone avec FizziQ pour analyser le spectre des fréquences amplifiées par résonance. En identifiant les pics d'amplitude dans le spectre et en appliquant la formule de résonance pour un tube ouvert l'élève peut calculer la vitesse du son et comparer sa valeur aux références standard.
Matériel requis :
Deux smartphones avec l'application FizziQ; Un tube cylindrique (rouleau de carton papier toilette ou autres); Un mètre ruban pour mesurer les dimensions du tube; Cahier d'expérience FizziQ
Eclairage scientifique
Lorsqu'un bruit blanc (contenant toutes les fréquences à égale intensité) est émis à l'entrée d'un tube, les fréquences qui correspondent aux modes propres de résonance du tube sont amplifiées par résonance. Pour un tube ouvert aux deux extrémités, les fréquences de résonance sont données par la formule: f = n×c/(2L+1,24D), où n est un entier (1,2,3,...) représentant le mode, c est la vitesse du son, L est la longueur du tube, et D son diamètre. Le terme correctif 1,24D prend en compte l'effet de bord à l'extrémité du tube (le ventre de pression ne se forme pas exactement à l'ouverture mais légèrement au-delà). Le spectre de fréquences de FizziQ utilise une transformée de Fourier rapide (FFT) pour décomposer le signal sonore capté par le microphone et afficher son contenu fréquentiel. Les pics observés correspondent aux harmoniques de la fréquence fondamentale. En mesurant précisément ces fréquences, la longueur et le diamètre du tube, on peut calculer la vitesse du son: c = (2L+1,24D)×f₁, où f₁ est la fréquence fondamentale (premier pic). La vitesse théorique du son dans l'air à 20°C est d'environ 343 m/s, mais varie avec la température selon: c = 331,3 + 0,606×T (T en °C). Cette expérience permet d'obtenir une mesure avec une précision de l'ordre de ±2%.