スリンキーを使って縦波の定常波
スリンキー (長いばね) を使って縦波の定常波を作り,波長と振動数を測定して ばねを伝わる縦波の速さを測定してみました。
高校の物理教育では長いゴム管を使って横波の定常波をつくり,同様の測定をする生徒実験がありますが,それの "縦波バージョン" です。
まず,ダイソーの園芸用品売り場にある長さ180cmポールを使ってスリンキーをぶら下げ,「林田式ウエーブマシン」風のものをつくります。
ばねの一方にタミヤの3速クランクギアボックスセットを使った往復スライダークランクをつないで,1cmくらいのストロークで振動させます。
他端は糸で引っ張って鉄製スタンドに固定しておきます。
往復スライダークランクのモーターには,可変三端子レギュレータLM317を使った電源をつないで電圧を細かく調整してストロークの周期を変化させ,うまく定常波ができるようにしてやります。
だいたい2~4Hzくらいの周波数で動かしてやるとうまくいきます。
まあ,これを見せるだけでも教育的な意義はありますが,この定常波の波長と振動数を測定してみました。
定常波の節と節の間の距離が半波長ですから,これを2倍すれば波長は分かります。
振動数は,フォトリフレクタLBR-127HLDを使って下のような回路を作り,往復クランクの腕のそばに置いて測定します。
回路の出力を周波数が測定できるデジタルマルチテスターにつないでやれば,ちゃんと周波数を測定してくれます。
雑な測定ですが,測定結果を以下に示します。
周波数 f [Hz] | 2.16 | 2.35 | 2.87 | 3.40 |
半波長 λ/2 [cm] | 45 | 42 | 32 | 28 |
波長 λ[m] | 0.90 | 0.84 | 0.64 | 0.56 |
波の伝わる速さ v[m/s] | 1.9 | 2.0 | 1.8 | 1.9 |
fλ (= 波の伝わる速さv) が一定値になることは示すことができますね。
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