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物理實驗

共鳴空氣柱與聲速

音叉放在可調水位的管口:慢慢放水拉長空氣柱,找出一個個共鳴點,從相鄰共鳴長度差算出波長、反推聲速;再比較閉管與開管的泛音結構。
t = 0.00 s

響度對空氣柱長(共鳴曲線)

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

管型
音叉頻率 f
空氣柱長 L(調水位)
氣溫(影響聲速)

即時量測

聲速 c=331.4+0.6T
m/s
波長 λ=c/f
cm
響度(共鳴響應)
最近共鳴點理論位置
cm

實驗任務

  1. 找共鳴、量聲速:f=440 Hz、閉管,慢慢拉長空氣柱(或按自動掃描), 記下前兩個響度峰的位置 L₁、L₂。相鄰共鳴差 ΔL=λ/2, 所以 c=2f·ΔL——你量到的接近 343 m/s 嗎?
  2. 閉管 vs 開管:同頻率切到開管重掃。共鳴間距一樣是 λ/2, 但位置不同:閉管在 λ/4、3λ/4、5λ/4…(只有奇數諧音),開管在 λ/2、λ、3λ/2…。 這就是為什麼單簧管(閉管行為)聽起來比長笛(開管)低沉。
  3. 溫度的指紋:把氣溫從 0°C 調到 40°C,共鳴點移動了—— 因為 c=331.4+0.6T。冬天和夏天,同一支管子的音準會差多少?
  4. 吹瓶子:對瓶口吹氣就是在激發閉管共鳴。加水讓空氣柱變短, 音調變高還是變低?用模擬驗證你的直覺。

模型與假設

模型:共鳴條件——閉管 L=(2n−1)λ/4(水面為波節、管口為波腹); 開管 L=nλ/2(兩端皆波腹)。響度以 Lorentzian 響應疊加:A(L)=Σ 1/(1+((L−Lₙ)/w)²)。
假設:忽略管口端修正(實際約 0.6×管半徑,會讓量測 L 略短於理論); 忽略空氣黏滯衰減。聲速 c=331.4+0.6T(m/s,T 為攝氏溫度)。