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Aufgabe

Füllen eines Glaszylinders

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Über die obere Öffnung eines unten geschlossenen Glaszylinders von einigen Zentimetern Durchmesser wird ein Lautsprecher gehalten, der einen Ton mit der Frequenz \(850\,\rm{Hz}\) aussendet. Der Glaszylinder wird im Verlauf des Versuchs zunehmend mit Wasser gefüllt. Bei einer Wasserhöhe von \(12\,\rm{cm}\) tritt erstmalig Resonanz in Form einer stehenden Welle auf, bei einer Wasserhöhe von \(32\rm{cm}\) ein zweites Mal.

Berechne aus diesen Angaben die Schallgeschwindigkeit in Luft.

Hinweis: Eine Simulaton zu diesem Versuch findest du hier.

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In dem Glaszylinder können sich stehende Wellen mit einem festen Ende an der Wasseroberfläche und einem losen Ende an der oberen Öffnung ausbilden. Gehen wir davon aus, dass sich bei einer Wasserhöhe von \(12\,\rm{cm}\) (lange Luftsäule mit \(L_2\)) eine stehende Welle mit \(n=2\) und bei \(32\,\rm{cm}\) (kurze Luftsäule  mit \(L_1\)) eine stehende Welle mit \(n=1\) ausbildet. Dann gilt mit der Bedingung für die Länge eines Wellenträgers bei einem festen und einem losen Ende\[{L_2} - {L_1} = \left( {2 - \frac{1}{2}} \right) \cdot \frac{\lambda }{2} - \left( {1 - \frac{1}{2}} \right) \cdot \frac{\lambda }{2} = \frac{\lambda }{2}\]Da aber nun \({L_2} - {L_1}= 20\,\rm{cm}\) ist, gilt\[20\,{\rm{cm}} = \frac{\lambda }{2} \Rightarrow \lambda  = 40\,{\rm{cm}} = 0{,}40\,\rm{m}\]Mit \(f=850\,\rm{Hz}\) erhalten wir mit der Formel zur Bestimmung der Wellenlänge\[\lambda = \frac{c}{f} \Leftrightarrow c = \lambda \cdot f\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (bei zwei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[c = 0{,}40\,\rm{m} \cdot 850\,\rm{Hz} = 340\,\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Mechanische Wellen