Progetto suono Liceo scientifico “De RUGGIERI” -Massafra-

Presentazione sul tema: "Progetto suono Liceo scientifico “De RUGGIERI” -Massafra-"— Transcript della presentazione:

1 Progetto suono Liceo scientifico “De RUGGIERI” -Massafra-
Responsabile Prof. Orazio PICCOLO

2 Oggetto “Alcuni caratteri dei suoni e misure di intensità acustica
all’interno della nostra scuola”

3 OBIETTIVI Contribuire al rafforzamento della mentalità scientifica di natura laboratoriale in modo che gli allievi costruiscano qualcosa di proprio inerente il Progetto La metodologia avrà carattere sperimentale: gli allievi osserveranno i fenomeni di cui cercheranno di individuare le leggi.

4 Finalita’ Dare all’allievo dell’ultimo o penultimo anno di corso una visione d’insieme concernente i fenomeni acustici spesso non affrontati nell’arco del quinquennio e metterli in condizione di progettare con le proprie mani qualche esperimento

5 STRUMENTAZIONE Materiale dello scrivente
Materiale del laboratorio della scuola Materiale didattico del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bari

6 Esercitazioni sperimentali
Produzione di vari suoni ed analisi all’oscilloscopio; Caratteri distintivi dei suoni: intensità, altezza e timbro visti all’oscilloscopio; Misura della velocità del suono nell’aria; Battimenti; Interferenza; Diffrazione con l’impiego di ultrasuoni; Produzione di onde stazionarie in un tubo aperto; Analogie con le onde acustiche e le onde di un endoscopio; Analogie con i fenomeni ottici di interferenza e di diffrazione.

7 Misura della velocità del suono nell’aria
Apparecchiatura necessaria: Oscilloscopio; Generatore di funzioni; Amplificatore di segnali; Altoparlante all’interno di un tubo lungo una cinquantina di cm, diametro 6 cm; Microfono che scorre dentro il tubo dal punto 4; Preamplificatore per il microfono; Metro. Il tutto è assemblato come in Fig. 1 (schema a blocchi) A B Oscilloscopio Generatore di funzioni Amplificatore Alimentatore Altoparlante + microfono nel tubo Preamplificatore Fig.1

8 “Misura della velocità del suono nell’aria”
Schema strumentale dell’esperienza “Misura della velocità del suono nell’aria”

9 Misura della velocità del suono nell’aria
Per la misura della velocità del suono, sono possibili due procedure: 1a Procedura: Si porti il generatore di funzioni a una frequenza stabilita,p.e. 6000Hz; si invia il segnale prelevato dall’altoparlante al canale A dell’oscilloscopio, mentre il segnale captato dal microfono attraverso il preamplificatore, lo si invia al canale B dell’oscilloscopio che lavora nella funzione DUAL per analizzare contemporaneamente i due segnali. Partiamo da due segnali in fase: i massimi e i minimi dei due segnali si corrispondono; spostiamo lentamente il microfono all’interno del tubo fino ad ottenere nuovamente i segnali in fase: ciò significa che ci siamo riportati col microfono di una lunghezza d’onda , che misuriamo col metro. Fig.2

10    Dall’ equazione fondamentale dell’ onda
otteniamo la velocità di propagazione del suono nell’aria. Per  = 6000 Hz , abbiamo misurato  = 5,7 cm, per cui 6000 Hz * 5,7 cm = 342 m/s Il grosso dell’errore sta nella misura del , che comporta un errore assoluto di un paio di millimetri, cioè  = (5,7 ± 0,2) cm, mentre la lettura data dal frequenzimetro del generatore di funzioni può scartare di qualche unità, ossia  = (6000 ± 1) Hz Ad ogni modo Δf è trascurabile rispetto a Δ, quindi : Da cui L’errore su  vale quindi una decina di m/s di conseguenza la misura della  sarà:

11 2a Procedura: ANALISI DEI SEGNALI (1)
La Base Tempi dell’oscilloscopio viene tenuta nella posizione B, nel qual caso il puntino luminoso, in assenza di segnale, è fermo al centro dello schermo dell’oscilloscopio. Questa volta il segnale dell’altoparlante farà oscillare il punto luminoso lungo un segmento verticale (asse Y),mentre sul canale B il microfono manderà un segnale che farà oscillare il punto luminoso lungo l’asse X. Ne consegue che il punto sarà sottoposto a due oscillazioni fra loro perpendicolari ed aventi ovviamente la stessa frequenza: quella letta sul generatore di funzioni. ANALISI DEI SEGNALI Se su x e su y arrivano due segnali in fase, avremo: (1) dove A e B sono i valori massimi di d.d.p. (misurati in cm) che caratterizzano i due segnali. Eseguendo il rapporto della (1), si ha : (2)

12 E’ l’equazione di una retta, nel nostro caso di un segmento, contenuto nel 1° e 3° quadrante (Fig.3)
Se spostiamo il microfono all’interno del tubo di qualche cm, possiamo cogliere la posizione in cui i segnali sono in quadratura e in tal caso la Fig.3 diventa un’ellisse. Fig.4: il pennello luminoso descrive una traiettoria ellittica. Fig.4

13 Per essere in quadratura i due segnali saranno del tipo
(ellisse di Fig.4): Fig.4

14 Spostando ancora il microfono di qualche cm all’interno del tubo si capta la posizione in cui i due segnali sono in opposizione di forza, perciò differiscono di /2. Sull’oscilloscopio è visibile un segmento contenuto nel 2° e 4° quadrante. Avremo: Perciò il rapporto: che è il segmento a coefficiente angolare negativo. -A A B -B Fig.5

15 Vantaggi della 2a procedura
Spostando ancora il microfono di qualche cm si passa nuovamente alla Fig.3; poi alla Fig.4 e successivamente alla Fig.5. Se passiamo dalla Fig.3 e giungiamo nuovamente alla Fig.3, vuol dire che ci siamo spostati col microfono di una lunghezza d’onda  . Da Fig.3 a Fig.4 il cammino del microfono è di /4; da Fig.3 a Fig.5 il cammino è di /2. Anche qui facendo i calcoli coi valori della 1a procedura, otteniamo gli stessi risultati. Vantaggi della 2a procedura I vantaggi sono dati dalla maggiore stabilità della figura sullo schermo e poi dalla possibilità di misurare anche le frazioni di lunghezza d’onda, cosa molto difficile con la 1a procedura. Altro vantaggio è dato dalla possibilità di verificare l’equazione f =  per un maggior range di frequenza. Tutte confermano l’equazione fondamentale delle onde.

16 INTERFERENZA CON L’ONDOSCOPIO
Obiettivo dell’esperimento è evidenziare l’interferenza utilizzando le onde generate nell’endoscopio, mostrando ancora una volta che l’interferenza è un fenomeno tipico delle onde qualunque sia la loro natura. Materiale occorrente Un ondoscopio completo di accessori, completo di lampada stroboscopica. Esecuzione dell‘esperimento Dopo aver collegato al generatore di onde l’accessorio a doppia punta, lo si attiva e attraverso il disco stroboscopico, si “fermi” la figura, visibile nella pagina successiva. La zona in cui l’acqua appare ferma è un luogo geometrico in cui la differenza di cammino tra il punto considerato e le due sorgenti S¹ e S² è un numero semintero di mezza lunghezza d’onda, cioè (1) Il luogo di cui si parla è l’iperbole.

17 INTERFERENZA CON L’ONDOSCOPIO

18 Identico al valore corrispondente utilizzando la 1° zona.
Attraverso la (1) è possibile misurare direttamente . Ponendoci p.e. nella zona in cui n= 1, abbiamo avuto: perciò Ponendoci nella 2° zona : n° 2 (2) perciò : Identico al valore corrispondente utilizzando la 1° zona. ( Come deve essere !!)

19 INTERFERENZA ACUSTICA
Obiettivo di questo esperimento è evidenziare l’interferenza prodotta da due sorgenti sincrone acustiche, sottolineando che questo fenomeno è tipicamente collegato alla natura ondulatoria del suono. MATERIALI IMPIEGATI Generatore di bassa frequenza (B.F.); Amplificatore e alimentatore; Coppia di altoparlanti; In figura è rappresentato uno schema a blocchi: GENERATORE B. F. AMPLIFICATORE ALIMENTATORE COPPIA DI ALTOPARLANTI

20 A titolo applicativo associamo due foto dell’apparato sperimentale

21 Condotta dell’ esperimento
Ponendo il generatore BF su una frequenza dai 4000 ai 6000 Hz ed esplorando con l’orecchio la zona antistante i due altoparlanti, l’ orecchio percepisce la zona in cui il suono è più intenso e la zona in cui c’è silenzio. Perché accade questo ? Siano S1 e S2 le due sorgenti sincrone che emettono onde ad una assegnata frequenza. Sull’asse del segmento S1S2 il suono è più rafforzato, dato che tutti i punti dell’asse sono equidistanti dagli estremi medesimi, perciò preso un punto P qualsiasi dell’asse, le zone di compressione e di rarefazione delle onde acustiche giungeranno contemporaneamente ed il risultato finale sarà un rafforzamento del suono (vedi fig. 1). In P il suono è più intenso dato che:

22 (1) (2) (3) Se invece il punto P si trova in una posizione tale che:
ovvero (1) L’orecchio capta zone di silenzio, infatti se la (2) è verificata, cioè se la differenza di cammino è pari a un numero intero dispari di semilunghezze d’onda, queste interferiranno distruttivamente, perché mentre arriva in P da S1 una zona di compressione, nello stesso istante da S2 giungerà una zona di rarefazione, perciò il risultato finale sarà la cessazione del segnale e quindi il silenzio. (3) Al contrario, se in P ci sarà un rafforzamento del segnale, perciò l’orecchio rileverà il suono. Per percepire le diverse zone è conveniente muoversi lentamente e a semicerchi davanti ai due altoparlanti ad un paio di metri di distanza dagli stessi. E’ da notare che il luogo geometrico della (2) o della (3) è un’iperbole.

23 Attraverso la (2) o la (3) è possibile stimare la lunghezza d’onda, anche se questo esperimento non è l’ideale per questa misura, tant’è vero che non l’abbiamo utilizzato, perché l’errore associato sarebbe stato superiore alla medesima lunghezza d’onda . Infatti per f =5000 Hz e n=340 m/s [risultato ricavato dalla verifica della velocità del suono in un altro esperimento], avremmo ottenuto una  pari a : (4) Spostarsi con l’orecchio di un mm e percepire diversità acustiche è pura follia A voler utilizzare l’interferenza acustica per la misura di , non è certo l’orecchio il miglior rivelatore. Ci sarebbero gli altri problemi da valutare come la sfericità dell’onda acustica e l’altezza dell’orecchio dall’altoparlante, pertanto l’esperimento ha avuto solo valenza qualitativa.