Giải chi tiết Vật lí 11 cánh diều mới bài 1: Mô tả sóng

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Ở bờ biển, ta thấy các con sông nối tiếp nhau xô vào bờ. Các con sóng lớn có thể lan truyền hàng trăm kilômét trên mặt biển trước khi đập vào bờ. Hình 1.1 mô tả các con sóng đến gần bờ sau quãng đường dài lan truyền trên mặt biển. Vậy sóng được tạo ra và lan truyền như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Sóng được tạo ra do sự lan truyền dao động cơ học trong một môi trường vật chất.

Ở ngoài khơi, dưới tác dụng của gió các điểm lân cận nguồn sóng sẽ dao động lên xuống theo nhờ có lực liên kết giữa các phần tử sóng. Cứ như vậy sóng được truyền đi xa. Ngoài ra còn có các nguyên nhân khác tạo ra sóng như do tác động của động đất, núi lửa phun ngầm, bão,…

I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG 

Câu hỏi: Lấy một ví dụ về sóng.

Hướng dẫn trả lời:

Ví dụ về sóng:

- Một ca sĩ đứng trên sân khấu hát, người ở dưới khán đài nghe thấy, đó là sự lan truyền của sóng âm.

- Một người đang đi xe máy buổi tối, bật đèn chiếu sáng, lập tức phía trước mặt được chiếu sáng, đó là sự lan truyền sóng ánh sáng.

- Ti vi sử dụng ăng ten để thu tín hiệu từ vệ tinh, đó là sự lan truyền sóng điện từ.

1. Biên độ sóng 

Luyện tập 1: Xác định biên độ và bước sóng của sóng được mô tả trong đồ thị li độ u (cm) - khoảng cách x (cm) ở Hình 1.3.

Hướng dẫn trả lời:

Biên độ sóng A = 6 cm

Ta thấy từ gốc x = 0 đến vị trí x = 56 có 7 khoảng, từ đó xác định được độ dài mỗi khoảng là 8 cm.

Bước sóng ứng với 8 khoảng nên λ = 64cm.

Câu hỏi 2: Chứng tỏ rằng từ định nghĩa về bước sóng, tốc độ sóng, tần số sóng, có thể rút ra công thức (1.2). v=fλ

Hướng dẫn trả lời: 

Bước sóng là quãng đường mà sóng truyền đi trong một chu kì nên ta có: $\lambda=v.T=\lambda=v.\frac{1}{f} \Rightarrow v=\lambda .f$

Luyện tập 2: Xác định bước sóng của các sóng ở Bảng 1.1. Cho rằng tốc độ sóng trong mỗi môi trường là hằng số với một nhiệt độ và áp suất xác định.

Hướng dẫn trả lời:

Bước sóng của sóng nước trong bể chứa là: $\lambda = \frac{v}{f}=\frac{0,12}{6}=0,02 m$

Sóng âm trong không khí:

$\lambda_{1} =\frac{v}{f_{1}}=\frac{300}{16}=18,75 m$

$\lambda_{2} =\frac{v}{f_{2}}=\frac{300}{20000}=0,015 m=1,5 cm$

Bước sóng của sóng âm trong không khí từ 1,5 cm đến 18,75 m

5. Cường độ sóng 

Câu hỏi 3: Lấy ví dụ chứng tỏ sóng truyền năng lượng.

Hướng dẫn trả lời:

Ví dụ ném một viên sỏi xuống mặt nước, thấy có sóng xuất hiện, một lát sau thấy cánh bèo gần đó nhấp nhô theo sóng. Chứng tỏ nhờ lực liên kết của các phân tử nước, năng lượng sóng đã được truyền từ nguồn sóng tới các điểm khác, dẫn đến cánh bèo nhấp nhô theo sóng.

Luyện tập 3: Cường độ của một sóng sẽ bị suy giảm khi truyền đi trong không gian. Khi sóng lan truyền, biên độ sóng giảm dần. Biết rằng cường độ sóng tỉ lệ với bình phương của biên độ sóng. Tại vị trí mà biên độ sóng giảm còn một nửa so với nguồn phát thì cường độ sóng tại đó thay đổi như thế nào so với tại nguồn

Hướng dẫn trả lời:

Biên độ giảm còn một nửa thì cường độ sóng tại đó giảm 4 lần vì cường độ sóng tỉ lệ với bình phương của biên độ sóng.

II. LIÊN HỆ GIỮA SÓNG VÀ DAO ĐỘNG CỦA ĐIỂM

Câu hỏi 4: Mô tả chuyển động của phần tử số 0 trên Hình 1.4 trong thời gian từ t = 0  t=T. Từ đó, chỉ ra mối liên hệ giữa khoảng thời gian T biểu diễn trong Hình 1.4 với chu kì dao động của phần tử số 0 và với chu kì sóng trên dây.

Hướng dẫn trả lời:

Mô tả chuyển động của phần từ số 0 trên Hình 1.4 trong thời gian từ t = 0 đến t = T

Tại t = 0: phần tử số 0 đang ở VTCB, có hướng chuyển động về biên dương

Tại $t=\frac{T}{4}$: phần tử số 0 đang ở biên dương, có xu hướng tiến về VCTB.

Tại $t=\frac{T}{2}$: phần tử số 0 đang ở VTCB, có xu hướng tiến về biên âm.

Tại $t=\frac{3T}{4}$: phần tử số 0 đang ở biên âm, có xu hướng tiến về VTCB.

Tại t = T: phần tử số 0 đang ở VTCB, có trạng thái giống như ở thời điểm t = 0.

Từ đó ta thấy chu kì dao động của phần tử số 0 và với chu kì sóng trên dây bằng nhau.

Câu hỏi 5: Hãy chỉ ra hướng chuyển động của phần tử số 6 ở thời điểm $\frac{T}{4}$, phần tử số 12 ở thời điểm $\frac{5T}{4}$ , phần tử số 18 ở thời điểm $\frac{6T}{4}$ và so sánh với hướng truyền sóng. Phân biệt phương dao động với phương truyền sóng. Từ đó, phân biệt tốc độ của phần tử môi trường đang dao động với tốc độ sóng.

Hướng dẫn trả lời: 

- Hướng chuyển động của phần tử số 6 ở thời điểm $\frac{T}{4}$: đang đứng yên vì chưa có sóng truyền qua.

- Hướng chuyển động của phần tử số 12 ở thời điểm $\frac{5T}{4}$: đang ở biên dương và tiến về VTCB.

- Hướng chuyển động của phần tử số 18 ở thời điểm $\frac{6T}{4}$: đang ở VTCB và tiến ra biên dương.

Hướng chuyển động của các phần tử là dao động lên xuống quanh một vị trí cân bằng xác định, hướng truyền sóng trong hình vẽ từ trái sang phải.

Nhận xét: tốc độ truyền sóng và tốc độ dao động của các phần tử môi trường khác nhau.

III. MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN CỦA ÂM THANH VÀ ÁNH SÁNG

1. Sự phản xạ và khúc xạ sóng

Vận dụng 1: Hãy giải thích vì sao về đêm và sáng sớm, ta có thể nghe rõ tiếng chuông chùa hoặc chuông nhà thờ từ rất xa.

Hướng dẫn trả lời: 

Nguyên nhân: Vào ban đêm hoặc sáng sớm có ít phương tiện hoạt động (con người, xe cộ, …), ít tiếng ồn từ các hoạt động sống khác nên sóng âm truyền đi được xa hơn và rõ hơn do không phải gặp quá nhiều vật cản và không bị các tạp âm chen lẫn, ngoài ra vào thời điểm về đêm hoặc sáng sớm nhiệt độ sẽ lạnh hơn nên các phân tử khí trong không khí sẽ ít dao động nên ít gây cản trở cho việc truyền sóng âm thanh so với những thời điểm khác trong ngày.

2. Hiệu ứng Doppler  

Vận dụng 2: Bạn sẽ nghe được âm thanh bổng hơn hay trầm hơn của còi xe dẫn đường khi xe đó chạy lại gần bạn?

Hướng dẫn trả lời:

Với hiệu ứng Doppler khi xe dẫn đường chạy lại gần thì tần số âm thanh sẽ cao hơn so với khi xe dẫn đường ở xa nên ta sẽ âm thanh bổng hơn của còi xe dẫn đường khi xe đó chạy lại gần bạn.