CHỦ ĐỀ 2. SÓNG. BÀI 4. SÓNG DỪNG
Ảnh
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
CHỦ ĐỀ 2. SÓNG. BÀI 4. SÓNG DỪNG
Học xong bài học này, bạn có thể • Thực hiện thí nghiệm tạo sóng dừng và giải thích được sự hình thành sóng dừng. • Sử dụng hình ảnh (tạo ra bằng thí nghiệm hoặc hình vẽ cho trước), xác định được nút và bụng của sóng dừng. • Sử dụng các cách biểu diễn đại số và đồ thị để phân tích, xác định được vị trí nút và bụng của sóng dừng. • Thảo luận để thiết kế phương án hoặc lựa chọn phương án và thực hiện phương án, đo được tốc độ truyền âm bằng dụng cụ thực hành.
Khởi động
Khởi động
Một sợi dây đàn hồi có một đầu cổ định. Làm cho đầu tự do của dây dao động thì có những lúc ta thấy trên dây xuất hiện những điểm đứng yên. Những điểm đứng yên này có giống với những điểm đứng yên trong hiện tượng giao thoa của sóng nước không? Vì sao dao động tại những điểm đó lại triệt tiêu nếu chỉ nhận sóng từ đầu dao động truyền đến?
Ảnh
I. HIỆN TƯỢNG SÓNG DỪNG TRÊN DÂY
+ Định nghĩa
Hiện tượng xuất hiện các điểm đứng yên ở những vị trí xác định khi đang có sóng lan truyền như trên được gọi là hiện tượng sóng dừng. Khi có sóng dừng, sẽ có các điểm đứng yên xen kẽ với những điểm dao động với biên độ lớn. Những điểm đứng yên được gọi là nút sóng, những điểm chính giữa hai nút sóng là những điểm dao động với biên độ lớn nhất được gọi là bụng sóng. Để tạo sóng dừng trên dây và tìm liên hệ giữa tần số và số bụng sóng có thể làm thí nghiệm sau đây.
+ Thí nghiệm
Dụng cụ – Dây đàn hồi AB (1) – Máy phát dao động (2), – Cần rung (3), – Giá đỡ và kẹp (4). Tiến hành – Đầu B được kẹp cố định, đầu A nối với cần rung để tạo dao động có tần số của máy phát (Hình 4.2). – Bật công tắc máy phát dao động, điều chỉnh để tần số máy phát ra là nhỏ nhất. – Tăng dần tần số dao động ở máy phát sao cho thấy được 1 điểm đứng yên trên dây (không kể hai đầu dây). – Điều chỉnh tăng tần số ở máy phát để lần lượt quan sát được 2, 3, 4 bụng sóng trên dây.
+ Hình 4.2
Ảnh
Ta sẽ sử dụng kết quả quan sát được để kiểm chứng các lập luận giải thích về sự tạo thành sóng dừng trên dây.
+ Luyện tập 1
Luyện tập 1: Hãy chỉ ra các nút sóng và các bụng sóng trên các Hình 4.1 và 4.2.
+ Câu hỏi 1
Câu hỏi 1: Tiến hành thí nghiệm tạo sóng dừng trên dây và lập bảng ghi kết quả vào vở như mẫu Bảng 4.1.
II. GIẢI THÍCH SỰ TẠO THÀNH SÓNG DỪNG
+ Định nghĩa
- Để giải thích sự tạo thành sóng dừng, ta xem xét sự truyền sóng trên lò xo đàn hồi 4B có đầu B được gắn cố định. Cầm đầu tự do 4 của lò xo đưa lên xuống để gây ra một biến dạng cho lò xo. Biến dạng này truyền dọc theo lò xo đến B thì bị đổi chiều và truyền ngược lại (Hình 4.3). Nếu đầu tự do 4 của lò xo dao động điều hoà thì trên lò xo xuất hiện sóng truyền từ A đến B, gọi là sóng tới. Khi đến B, dao động bị đổi chiều và truyền ngược lại tạo thành sóng phản xạ. Lúc này, mỗi điểm trên lò xo nhận được đồng thời sóng tới và sóng phản xạ. Trong thí nghiệm với sợi dây đàn hồi ở trên, mỗi điểm trên dây cũng sẽ nhận được đồng thời sóng tới từ đầu 4 dao động theo cần rung và sóng phản xạ từ đầu B cố định. Hai sóng này cùng tần số, cùng biên độ nên xảy ra hiện tượng giao thoa và sóng tổng hợp tạo ra tại mỗi điểm trên dây có thể được mô tả như trên Hình 4.4.
+ Hình 4.4
Ảnh
+ Định nghĩa 2
Có thể thấy trên dây những điểm xác định đứng yên do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó ngược pha nên triệt tiêu lẫn nhau. Đó là vị trí các nút sóng. Chính giữa hai nút sóng liên tiếp là vị trí bụng sóng nên khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng gần nhất bằng một phần tư bước sóng. Bụng sóng dao động với biên độ lớn nhất do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó đồng pha nên tăng cường lẫn nhau. Trong thực tế, tại mỗi điểm trên dây có thể nhận được nhiều sóng phản xạ. Nếu các sóng phản xạ này đồng pha thì sẽ làm cho biên độ tại bụng sóng lớn gấp nhiều lần biên độ của sóng tới, cũng là biên độ dao động của đầu dây gắn với cần rung.
+ Định nghĩa 3
- Đối với sợi dây có hai đầu cố định hoặc một đầu cố định và một đầu dao động với biên độ nhỏ như trường hợp ta đang xét, để quan sát được sóng dừng trên dây thì hai đầu dây phải tương ứng với hai nút sóng. Do đó, độ dài dây sẽ bằng một số nguyên lần nửa bước sóng của sóng lan truyền trên dây: L=k λ/2 với k=1,2,3,… (4.4) - Đối với dây có một đầu tự do (Hình 4.5) thì đầu tự do sẽ là một bụng sóng. Khi đó, để quan sát được sóng dừng trên dây thì độ dài dây sẽ phải đáp ứng điều kiện: L=(2k+1)λ/4 với k=0,1,2,… (4.5)
+ Câu hỏi 2
Câu hỏi 2: Hãy chỉ ra vị trí các nút sóng trên Hình 4.4. Xác định khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp.
+ Câu hỏi 3
Câu hỏi 3: Hãy chỉ ra vị trí các bụng sóng trên Hình 4.4. So sánh biên độ của sóng tổng hợp tại bụng sóng với biên độ của sóng tới.
+ Câu hỏi 4
Câu hỏi 4: Có thể nói sóng dừng trên dây là hiện tượng giao thoa sóng được không? Nếu có thì đây là giao thoa của những sóng nào?
+ Luyện tập 2
Luyện tập 2: Kiểm tra lại công thức (4.4) với kết quả của Bảng 4.1 thu được trong thí nghiệm quan sát sóng dừng trên dây đã thực hiện.
III. ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM
+ Định nghĩa
- Sóng dừng là một trường hợp của giao thoa sóng. Vì thế, ta không chỉ thấy sóng dừng trên dây đàn hồi mà còn quan sát được hiện tượng này ở các sóng khác. Khi một âm thanh có tần số cố định f phát ra và bị phản xạ lại, âm phản xạ sẽ kết hợp với âm đến và có thể xảy ra hiện tượng sóng dừng. Tại các bụng sóng, âm thanh nghe được sẽ to nhất, tại các nút sóng, âm thanh nghe được sẽ nhỏ nhất. Hiện tượng này được ứng dụng để đo tốc độ truyền âm trong không khí như thí nghiệm sau đây.
+ Thí nghiệm
Dụng cụ (1) Máy phát âm tần, (2) loa nhỏ, (3) ống cộng hưởng là ống nhựa trong suốt (rải đều các hạt xốp trong lòng ống). Thiết kế phương án thí nghiệm Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho. Thiết kế phương án thí nghiệm đo tần số của âm do âm thoa phát ra bằng các dụng cụ này.
Ảnh
+ Tiến hành
Tiến hành – Đặt loa ở một đầu ống, loa nối với máy phát âm tần. – Điều chỉnh để ống có chiều dài ngắn nhất. – Điều chỉnh để máy phát âm tần phát ra tần số f = 650 Hz và biên độ âm thanh không quá to. – Thay đổi từ từ chiều dài ống sao cho tại đầu ống không đặt loa, có các vị trí mà các hạt xốp dồn lại nhiều nhất. Đó là các bụng sóng. Ghi lại khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp được xác định là bụng sóng. Thực hiện lại từ bước 3 với âm thanh có tần số f=850 Hz. – Ghi kết quả vào vở theo mẫu Bảng 4.2. => Các phép đo có độ chính xác cao đo được tốc độ truyền âm trong không khí là 342,2 m/s ở mực nước biển, tại nhiệt độ 20°C và áp suất tiêu chuẩn 1 atm.
+ Bảng 4.2
Ảnh
+ Câu hỏi 5
Câu hỏi 5: Từ công thức tính tốc độ sóng, hãy chỉ ra các đại lượng cần xác định khi muốn đo tốc độ truyền âm trong không khí.
+ Câu hỏi 6
Câu hỏi 6: Đề xuất phương án ứng dụng hiện tượng sóng dừng để đo tốc độ truyền âm trong không khí:
+ Câu hỏi 7
Câu hỏi 7: Tiến hành thí nghiệm và lập bảng ghi kết quả như mẫu Bảng 4.2. Tính sai số của phép đo.
Dặn dò
Dặn dò
DẶN DÒ
+ Đọc lại các kiến thức vừa học. + Làm thêm BT trong SBT + Chuẩn bị truớc bài sau
Cảm ơn
Cảm ơn các bạn đã chăm chú nghe bài giảng.