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1. 관의 공명 실험
1.1. 실험 개요
관의 공명 실험의 실험 개요는 다음과 같다.
관 내부에서 일정한 주파수의 음파가 전파될 때 관의 길이의 변화에 따른 음파의 공명현상을 이해하고 그때의 정상파 모양을 관찰하여 공기 중의 음속을 측정하는 것이 실험의 목적이다. 실험에 사용하는 기구는 공명관(스피커내장), 마이크, 아크릴 밀대, S-CA(pulse generator 기능 포함)이다.
음파는 진동 방향과 이동 방향이 같은 방향인 종파이며, 매질 속에서 밀함과 소함을 반복하면서 진행한다. 정상파는 관의 끝에서 반사되어 오는 음파와 원래의 음파가 간섭하여 만들어지며, 정상파에는 진폭이 최대와 최소를 진동하는 배와 진동이 없이 고정되어 있는 마디가 존재한다. 열린 관의 끝부분은 배, 막힌 관의 끝부분은 마디가 된다. 관에서 음파는 양쪽 끝을 오가며 반사를 여러 번 일으키며, 모든 반사파가 같은 위상을 가질 때 최대 진폭을 갖는 주파수를 공명 주파수라고 한다. 음파의 속도는 매질의 종류에 따라 다르며, 공기 중에서는 온도에 따라 달라진다.
1.2. 실험 이론
음파는 진동 방향과 이동 방향이 같은 방향인 종파이다. 또한 음파는 매질 속에서 밀함과 소함을 반복하면서 진행한다. 정상파는 관의 끝에서 반사되어 오는 음파와 원래의 음파가 간섭하여 만들어진다. 정상파는 배와 마디를 가지고 있다. 배는 정상파에서 진폭이 최대와 최소를 진동하는 부분이며, 마디는 진동이 없이 고정되어 있는 부분이다. 열린 관에서의 끝부분은 배가 되어야 하고, 막힌 관에서의 끝부분은 마디가 되어야 한다.
관속에서 음파는 양쪽 끝을 오가며 반사를 여러 번 일으킨다. 이렇게 여러 번 반사되는 동안 서로 중첩되어 일반적으로는 작은 진폭을 보일 것이다. 하지만 모든 반사파가 같은 위상을 가지고 있을 때 최대 진폭을 갖게 된다. 이때의 주파수를 공명 주파수라고 한다.
음파의 속도는 매질의 종류에 따라 다르게 나타나며, 공기 중에서 음파의 속도와 온도와의 관계는 "음속 = 331.4 m/s (1+0.00183T) (T: 섭씨온도)"로 표현된다. 또한 파장과 진동수, 음파의 속도는 "lambda= {v} over {f}"의 관계가 있다.
관에서의 공명 주파수는 일정한 조건을 만족하여 일어난다. 열린 관의 경우 "L=n lambda`/`2`(n=1,2,3,4, CDOTS)"의 조건을, 닫힌 관의 경우 "L=n lambda`/`4`(n=1,3,5,7, CDOTS)"의 조건을 만족한다.
1.3. 실험 방법
①[그림 16.2]처럼 공명관에 주변 기기를 장치한다.
②증폭기의 볼륨을 적당하게 조절하여 신호발생기에서 나오는 음을 귀로 잘 들을 수 있게 한다.
③신호발생기의 주파수를 귀로 들을 수 있는 최저값에서 부터 점점 올리면서 관속에서 되울리는 소리를 주의 깊게 듣는다.
④공명이 일어나서 소리가 크게 울리는 지점에서 신호 발생기의 주파수를 고정하고 주파수를 기록해 둔다.
⑤관 ...
