Helmholtz
Helmholtz
Mesurer la velocidad del sonido par la fréquence de résonance d'un tube
Lorsque l’on souffle sur le bord d’une bouteille ou d’un tube, un son est produit. Ce phénomène familier repose sur un principe physique appelé résonance acoustique. L’air contenu dans le tube se met à vibrer à certaines fréquences particulières qui dépendent de la longueur et de la forme du tube. En étudiant ces fréquences, il est possible d’accéder à une grandeur fondamentale en physique : la velocidad del sonido. Esta actividad propose d’utiliser une éprouvette comme résonateur acoustique et un smartphone pour mesurer précisément la fréquence du son produit. En modifiant la longueur de la colonne d’air, les élèves observent comment la fréquence change et utilisent une relation mathématique pour calculer la velocidad del sonido. Este experimento relie un phénomène sonore courant à des modèles physiques précis et met en évidence le lien entre géométrie, vibration et propagation des ondes.
Visão geral da atividade:
El alumno sopla sur le bord d'une éprouvette pour produire un son et mesure la frecuencia fundamental émise avec FizziQ. Actividad adaptada al liceo. Activité de acoustique adaptée au lycée.
FizziQ
Autor:
Duração (minutos):
30 minutos
O que os alunos farão:
'- Produire un son par résonance dans une colonne d’air.
- Mesurer une fréquence sonore à l’aide d’un smartphone.
- Étudier l’influence de la longueur d’un tube sur la fréquence sonore.
- Utiliser une relation mathématique pour calculer la velocidad del sonido.
- Comparer une mesure expérimentale à une valeur théorique.
Conceitos científicos:
'- Résonance acoustique
- Ondes stationnaires
- Fréquence fondamentale
- Vitesse du son
- Colonne d’air vibrante
- Résonateur acoustique
- Relation entre longueur et fréquence
Sensores:
'- Micrófono (mesure de la frecuencia fundamental)
Materiais necessários:
Smartphone con la aplicación FizziQ; Une éprouvette graduée ou un tube similaire; Eau pour modifier la longueur de la colonne d'air; Mètre ou règle pour mesurer les dimensions du tube; Cuaderno de experiencias FizziQ
Procedimento experimental:
1. Dans este experimento nous mesurons la velocidad del sonido en soufflant en une éprouvette
2. Trouve une éprouvette graduée y mide la hauteur y la largeur du tube
3. Selecciona l’instrument Frecuencia Fondamentale en l’onglet des Mesures de FizziQ
4. Sopla sobre le bord de l’éprouvette para qu’elle émette un sonido y mide la frecuencia del sonido
5. Le son émis es du à la résonance de l’air en le tube. ¿Puedes essayer d'expliquer ce fenómeno physique ?
6. Llena d'eau un tiers l'éprouvette y recommence l'experimento, ¿qué observas ? De quels paramètres dépend la frecuencia de resonancia ?
7. Pour un tube fermé, la frecuencia de resonancia f dépend de la longitud L, du diamètre du tube D y de la velocidad del sonido c y es donnée par la relation f = c/(4*L+2,48*D)//¿Puedes déduire de ton experimento la velocidad del sonido à partir de cette formule ? ¿Qué valeur trouves-tu ?
8. Compara cette valeur à la valeur trouvée en ton cours, y complète y partage tu cuaderno d’experimento
Resultados esperados:
Lorsque la longueur de la colonne d’air est grande, la fréquence mesurée est relativement basse. Lorsque la longueur de la colonne d’air diminue, la fréquence augmente progressivement. Les mesures montrent une relation inverse entre la longueur du tube et la fréquence du son. La velocidad del sonido calculée à partir des mesures est proche de la valeur attendue, généralement autour de 340 m/s à température ambiante. Des écarts peuvent apparaître selon la précision des mesures ou la stabilité du souffle.
Questões científicas:
'- Pourquoi un tube produit-il un son lorsqu’on souffle dessus ?
- Pourquoi la fréquence change-t-elle lorsque la longueur du tube diminue ?
- Pourquoi le son devient-il plus aigu lorsque le tube est plus court ?
- Quels paramètres influencent la fréquence de résonance ?
- Pourquoi la velocidad del sonido dépend-elle de la température ?
- Pourquoi faut-il mesurer précisément les dimensions du tube ?
Explicações científicas:
Lorsqu'on sopla sobre le bord de un tube, on crée une perturbation acoustique qui excite les modes propres de résonance de la colonne d'air contenue en le tube. Pour un tube fermé à une extrémité (comme une éprouvette), seules les ondas estacionarias dont le nœud de pression se trouve à l'extrémité fermée y le ventre à l'extrémité ouverte peuvent s'établir. La frecuencia fundamental f₁ de résonance es donnée par la formule: f₁ = c/(4L+2,48D), où c es la velocidad del sonido, L la longitud effective de la colonne d'air, y D le diamètre du tube. Le terme correctif 2,48D prend en compte l'effet de bord à l'ouverture: l'onde sonore ne s'arrête pas exactement à l'extrémité du tube mais s'étend légèrement au-delà. Hermann von Helmholtz (1821-1894) a étudié en détail ces fenómenos de résonance acoustique au 19e siècle. En mesurant précisément la longitud L, le diamètre D y la frecuencia f₁, on peut calculer la velocidad del sonido: c = f₁(4L+2,48D). Cette valeur dépend de la temperatura T selon la relation c = 331,3 + 0,606T (avec T en °C), soit environ 343 m/s à 20°C. En ajoutant de l'eau en l'éprouvette, on réduit la longitud L de la colonne d'air, augmentant ainsi la frecuencia fundamental. Cette relation inverse entre longueur y frecuencia confirme la théorie des ondas estacionarias. L'outil Frecuencia Fondamentale de FizziQ utilise la transformée de Fourier para déterminer la frecuencia dominante del sonido émis, permettant une mide précise de f₁.
Atividades de extensão:
'- Utiliser différents tubes de longueurs différentes.
- Étudier l’effet du diamètre du tube sur la fréquence.
- Comparer les résultats avec différentes températures ambiantes.
- Réaliser l’expérience avec des bouteilles de tailles différentes.
- Étudier les harmoniques supérieures produites par le tube.
Perguntas frequentes:
Q: ¿Qué es la résonance acoustique ?
R: La frecuencia fundamental f₁ de résonance est donnée par la formule: f₁ = c/(4L+2,48D), où c est la velocidad del sonido, L la longueur effective de la colonne d'air, et D le diamètre du tube.
Q: ¿Cómo fonctionne l'analyse spectrale de FizziQ ?
R: FizziQ décompose le son capté par le micrófono en ses fréquences composantes gracias a une transformée de Fourier rapide (FFT). Le spectre affiché montre l'amplitude de chaque fréquence, permettant d'identifier les harmoniques et la frecuencia fundamental.
Q: ¿Cómo intégrer esta actividad dans un cours de physique au lycée ?
R: Esta actividad s'inscrit dans le programme de acoustique du lycée. Elle peut être réalisée en TP (1h), en classe inversée ou à la maison. FizziQ permet un travail en autonomie avec un simple smartphone.