物理基礎の波動⑫（生徒実験：気柱共鳴）
１．前回の復習と今日の目的
前回は気柱共鳴について学習しました。 今日は実際に実験をやってもらいたいと思いますが， まずは，問題１４を解いてみましょう。
２．問題演習（気柱共鳴-開口端補正有り）
まず，波長はいくらですか？
「うーん，56cmですか？」
なるほど，腹～節でλ/4＝14.0[cm]としたのだね。
前回のことをよく理解できていますが，まちがいです！
「えー，なんでー」
これはね，図をよく見てもらえるとわかるけど，ちょっと腹の位置が
管の外に出ているでしょ。
これを「開口端補正」といいます。
反射がおこるのは，実は少し出ているのです。
理由は大変難しいけど，実験やってもらえればわかりますが，
実際にそうなるのです。
では，どうやったら波長は求まりますか？
よく考えてみてください。
「あっ，わかった！」
わかった人もいるね，まわりと相談してみて！
（少し待つ）
だいたいみんなわかったようだね。
隣の図と比べてみると，（A）より（B)が長い分は，
ピッタリ半波長になっているよね。節～節だから。
よって，
λ/２＝44.0－14.0
λ＝60.0[cm]
と求まります。あとは計算してごらん。
３．生徒実験：気柱共鳴
生徒：「結局共鳴って何なんですか？」
おー，それなんだよ。これからやろうと思ったのは。
実際聴いてみてください。
いいかい，音叉の音はそのまま鳴らしただけだと，
このくらいの音です。後ろの人聞こえる？
「かろうじて」
だよね。小さい音です。
では，音叉を鳴らしてこのガラス管の上にかざして，
水面をどんどん下げていくと
（まず，水槽を下げることで水位が下がることの方が驚く！），
･･･（フワンと音がする）･･･
とある長さになると大きな音が鳴るのです。
これが共鳴です。
管の長さに応じた固有振動数と音叉の振動数が一致すると，
うまく定常波ができて大きな音が聞こえる。これが共鳴です。
さて，プリントを見てください。 今日は，いまの実験をやってください。 問題は「この音叉の振動数を求める」です。
クラスにより
数名はやる気がなさそうですが，概ねがんばっていました！
しかし，何も言わないと生徒はcmまでしか測らない。
mmまでは測らない。にもかかわらず，596.15Hzです。
とかいうのを題材にして，
有効数字の意味を説明したクラスもあります。
時間がないので，細かいことはあまりいいませんでした。
４．クントの実験
では，計算が終わった班が半分くらいですね。 その班は前に来てください。見せたいものがあります。
これは，クントの実験といって，
スピーカーから音が出ています。
だんだん振動数を上げていくと，
「おー！すげー！」
ある振動数でこの発泡スチロールの粒が大きく動き出すのです。
端っこが「節」で，スピーカーのところが「腹」になっているのが
わかりますね。
さらに振動数を大きくしていくと，音速は変わらないので， 波長が短くなり･･･こうやって共鳴していないからあまり粒は動かなくなって･･･ また，共鳴が起こる。このときは，閉じているところから， 節，腹，節，腹となっているのがわかるね。
ちなみに，隙間が空いて壁のようになっているのは， 正直なところよく私は理解できていないです。 そこは置いてもらって，腹節は見えるでしょう。
しかし，管の長さを変えると共鳴しなくなる。 その長さ特有の固有振動数というのがあるわけです。
５．まとめ
これで波の授業は終わりです。理系は来年度またやるけどね。 音に関しては楽器に密接に関係している。そこら辺を理解してくれたらうれしいです。 では期末テスト頑張ってください！
授業を終えて。。。
・クントの実験はおもったよりも反応がよかった。
実際にこれで気柱共鳴を理解できたという意見を聞いた。
・気柱共鳴の実験に関しては，まず，同じ高さの音叉をクラス12班で使うと，
どこが共鳴しているのかわからない。そこには工夫が必要だ。
・でも，やっぱり自分で触ってみて，音叉を鳴らしたり，
共鳴音を聞いたりすることは大切なことだと感じた。
波動の演示実験（授業では使わなかったもの）
①弦の振動（ストロボ）
・余裕があったクラスには，弦の振動をストロボでみせた。 盛り上がるが，どうしても興味はストロボの方にいってしまう。
②音波の自由端反射・固定端反射
・パソコンのオシロスコープと，パソコン用のマイクをセットして， 包装用のプチプチをつぶして音を出すと， 閉じた端では上下逆転して（逆位相になって）かえり， 開いた端では同位相で反射する。
③２つのばねでの透過・反射
| ← もどる 物理基礎の波動⑪ |
このページの トップへ |
すすむ → 物理基礎の波動（反省） |