Bestem lydfarten – bølgeforsøk (Fysikk 1)

Forsøk: Bestem lydfarten

Bruk en stående bølge i et resonansrør til å måle bølgelengden og regne ut lydens fart i luft. Med framgangsmåte, måledata og feilkilder.

Lyd er en bølge, og som alle bølger følger den v = f·λ. Trikset er å måle bølgelengden uten å se bølgen: i et resonansrør forsterkes en bestemt tone når luftsøylen passer til en stående bølge. Da kjenner du både frekvensen (fra stemmegaffelen) og bølgelengden (fra rørlengden) – og kan regne ut farten.

Ryggraden i et forsøkssvar

hensikt → utstyr → framgangsmåte → måledata → databehandling → feilkilder → konklusjon. Lærer du denne strukturen, kan du bruke den på alle forsøk – også dette.

Dette lurer elever ofte på

• Hvorfor er luftsøylen bare en kvart bølgelengde ved første resonans?
• Hvordan hører jeg når jeg har truffet resonansen?
• Hvorfor blir den målte lydfarten ofte litt for lav?
• Hva er forskjellen på frekvens, bølgelengde og bølgefart?
• Påvirker temperaturen i rommet resultatet mitt?

Du får svar på alt dette under – med måledata, databehandling og en ferdig forklaring til muntlig-praktisk.

Hensikt

Bestemme lydens fart i luft ved å måle bølgelengden til en stående bølge i et resonansrør.

Hypotese

Hvis bølgemodellen for lyd stemmer, vil et lukket rør forsterke en bestemt tone når luftsøylen passer til en stående bølge. Vi forventer at den korteste luftsøylen som gir resonans, svarer til en kvart bølgelengde, slik at λ = 4·L. Setter vi denne bølgelengden inn i v = f·λ med stemmegaffelens kjente frekvens, regner vi med å få en fart nær tabellverdien for lyd i luft, rundt 340–343 m/s ved romtemperatur.

Utstyr

• Resonansrør (rør delvis nedi vann, justerbar luftsøyle)
• Stemmegaffel med kjent frekvens (f.eks. 440 Hz)
• Målebånd

Teori

I et rør som er lukket i den ene enden, gir første resonans en luftsøyle på en kvart bølgelengde:

L = ¼·λ  ⟶  λ = 4·L

Bølgefarten finner vi så fra den grunnleggende bølgelikningen:

v = f·λ

Hvorfor nettopp en kvart bølgelengde? Ved den lukkede enden (vannflaten) kan ikke lufta svinge fram og tilbake – der må det være en knute i bølgen. Ved den åpne enden er lufta fri til å svinge mest mulig, så der ligger en buk. Den korteste stående bølgen som har knute i bunnen og buk i toppen, fyller akkurat en fjerdedel av en hel bølgelengde. Derfor gir den første (laveste) resonansen L = ¼·λ. Øker du luftsøylen videre, finner du nye resonanser ved ¾·λ, ⁵⁄₄·λ og så videre – avstanden mellom to nabotreff er en halv bølgelengde.

Det er verdt å holde de tre størrelsene tydelig fra hverandre. Frekvensen f bestemmes av kilden (stemmegaffelen) og er den samme uansett hvilket medium lyden går gjennom. Bølgefarten v bestemmes av mediet – her lufta – og endrer seg blant annet med temperaturen. Bølgelengden λ er det som tilpasser seg, slik at v = f·λ alltid går opp. I forsøket holder vi f fast, måler λ, og regner ut v.

Framgangsmåte

• 1Slå an stemmegaffelen
• 2Hold den over røret
• 3Endre luftsøylen til lyden er sterkest
• 4Mål lengden L

En stemmegaffel med kjent frekvens f settes over et rør. Ved første resonans er luftsøylen L = ¼·λ. Framgangsmåten: slå an stemmegaffelen, hold den over røret, endre luftsøylen til lyden er sterkest ved resonans, og mål lengden L for å regne ut bølgelengden og lydfarten v = f·λ.

Måledata (eksempel)

Frekvens f (Hz)	Luftsøyle ved resonans L (m)	λ = 4L (m)
440	0,193	0,772

Databehandling

λ = 4·L = 4·0,193 = 0,772 m

v = f·λ = 440·0,772 = 340 m/s

Resultatet, 340 m/s, ligger svært nær tabellverdien for lydfarten i luft ved romtemperatur (ca. 343 m/s ved 20 °C). Et flott samsvar for et enkelt oppsett.

🎯 Slik presenterer du det muntlig

«Ved første resonans er luftsøylen en kvart bølgelengde, så λ = 4L = 0,772 m. Med f = 440 Hz gir v = f·λ = 340 m/s – nesten nøyaktig lydfarten i luft. Forsøket viser hvordan en stående bølge lar oss måle bølgelengde indirekte.»

⚠️ Feilkilder

• Endekorreksjon. Den effektive luftsøylen er litt lengre enn den målte – gir litt for lav v. Avanserte oppsett korrigerer for dette.
• Å finne nøyaktig resonans – maks lydstyrke er litt diffust. Gjenta og bruk gjennomsnitt.
• Temperaturavhengighet. Lydfarten øker med temperaturen, så tabellverdien gjelder en bestemt temperatur.

Vanlige spørsmål om lydfart-forsøket

Hvorfor er luftsøylen bare en kvart bølgelengde ved første resonans?

Fordi den lukkede enden tvinger fram en knute (lufta kan ikke svinge der) og den åpne enden gir en buk (lufta svinger mest der). Den korteste stående bølgen med knute i den ene enden og buk i den andre fyller akkurat ¼ av bølgelengden. Derfor er L = ¼·λ den laveste resonansen.

Hvordan hører jeg når jeg har truffet resonansen?

Tonen blir tydelig kraftigere – lufta i røret svinger «i takt» med stemmegaffelen og forsterker lyden. Juster luftsøylen sakte opp og ned rundt det punktet hvor lyden er sterkest, og les av lengden der. Fordi maksimum er litt diffust, lønner det seg å gjenta og ta gjennomsnitt.

Hvorfor blir den målte lydfarten ofte litt for lav?

På grunn av endekorreksjon. Bukens egentlige posisjon ligger et lite stykke utenfor rørkanten, så den virkelige luftsøylen er litt lengre enn den du måler. Måler du L for kort, blir λ og dermed v litt for små. Avanserte oppsett legger til en endekorreksjon på rundt 0,4 ganger rørets radius.

Hva er forskjellen på frekvens, bølgelengde og bølgefart?

Frekvensen f er hvor mange svingninger lyden gjør per sekund (bestemt av kilden). Bølgelengden λ er avstanden mellom to like punkter i bølgen. Bølgefarten v er hvor raskt bølgen brer seg gjennom mediet. De henger sammen i v = f·λ.

Påvirker temperaturen i rommet resultatet?

Ja. Lydfarten i luft øker med temperaturen – grovt regnet rundt 0,6 m/s per grad. Tabellverdien 343 m/s gjelder ca. 20 °C. Er rommet kaldere, skal du forvente en litt lavere fart, og det er greit å nevne på muntlig at avviket delvis kan skyldes temperaturen.

Klar for muntlig-praktisk?

Øv på å forklare forsøket høyt med AI-eksamenstreneren, og repeter teorien i Bølger og stråling.

Henger sammen med

Bygger på Bølger og stråling.

Relaterte forsøk

Brytning (Snells lov) · Spektrallinjer · Lysstyrke og avstand