Giải chi tiết Vật lí 11 cánh diều mới bài 4: Sóng dừng

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Một sợi dây đàn hồi có một đầu cố định. Làm cho dầu 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?

Hướng dẫn trả lời:

- Những điểm đứng yên này giống với những điểm đứng yên trong hiện tượng giao thoa của sóng nước.

- Tại những điểm dao động tại đó bị triệt tiêu là do sóng tới và sóng phản xạ tại điểm đó ngược pha với nhau.

I. HIỆN TƯỢNG SÓNG DỪNG TRÊN DÂY

Luyện tập 1: Hãy chỉ ra các nút sóng và các bụng sóng trên các Hình 4.1 và 4.2.

Hướng dẫn trả lời:

- Những điểm dao động với biên độ cực đại là bụng sóng.

- Những điểm không dao động (đứng yên) là nút sóng.

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.Nhận xét về mối liên hệ giữa tần số sóng trên dây và số bụng sóng quan sát được.

Hướng dẫn trả lời:

Tham khảo kết quả thí nghiệm sau:

Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm sóng dừng trên dây

Nhận xét: Tần số trên dây tỉ lệ thuận với số bụng sóng.

II GIẢI THÍCH SỰ TẠO TÀNH SÓNG DỪNG

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.

Hướng dẫn trả lời:

- Vị trí các nút là những điểm không dao động.

- Khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp bằng nửa bước sóng.

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.

Hướng dẫn trả lời:

- Bụng sóng là những điểm dao động với biên độ cực đại.

- Biên độ của sóng tổng hợp tại bụng sóng lớn hơn biên độ của sóng tới. Điều đó chứng tỏ tại điểm đó, sóng tới và sóng phản xạ cùng pha, làm tăng cường sóng.

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?

Hướng dẫn trả lời:

- Có thể nói sóng dừng là hiện tượng giao thoa sóng.

- Đây là giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ (sóng phản xạ xuất hiện khi sóng tới đến bề mặt vật cản và hình thành nên sóng phản xạ) truyền theo cùng một phương, giao thoa với nhau tạo thành một hệ sóng dừng.

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.

Hướng dẫn trả lời:

Ở thí nghiệm trên ta dùng cần rung tạo ra vận tốc sóng là 12 m/s.

Với f = 10 Hz: $\lambda=\frac{v}{f}=\frac{12}{10}=1,2m$ hay AB=$2.\frac{\lambda}{2}$

Với f = 10 Hz: $\lambda=\frac{v}{f}=\frac{12}{15}=0,8m$ hay AB=$3.\frac{\lambda}{2}$

Với f = 10 Hz: $\lambda=\frac{v}{f}=\frac{12}{20}=0,6m$ hay AB=$4.\frac{\lambda}{2}$

III. ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM

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.

Hướng dẫn trả lời:

Từ công thức tính tốc độ sóng: v = λf, ta thấy để đo tốc độ truyền âm trong không khí cần xác định được tần số của sóng âm f, bước sóng của sóng âm λ.

- Xác định tần số f bằng máy phát âm tần,

- Xác định bước sóng thông qua công thức: $l=k\frac{\lambda}{2} \Rightarrow \lambda=\frac{2l}{k}$ với chiều dài sợi dây và số bụng sóng xác định được.

Câu hỏi 6: Đề xuất phương án ứng dụng hiện tượng sóng dùng để đo tốc độ truyền âm trong không khí:

• Vì sao một đầu của ống cộng hưởng cần dịch chuyển được? Tìm phương án giúp thay đổi độ dài của cột khí trong ống.
• Vì sao cần xác định các vị trí mà âm thanh thu được có cường độ nhỏ nhất hoặc lớn nhất?
• Nêu cách tính bước sóng của sóng âm qua các giá trị độ dài cột khí trong ống của những lần xác định được vị trí nút sóng

Hướng dẫn trả lời:

– Một đầu của ống cộng hưởng cần dịch chuyển vì cần thay đổi chiều dài của cột khí trong ống cộng hưởng. Phương án thay đổi độ dài cột khí trong ống bằng cách sử dụng một pittong ở đầu ống, di chuyển pittong sẽ gián tiếp thay đổi chiều dài cột khí.

– Cần xác định các vị trí mà âm thanh thu được có cường độ nhỏ nhất hoặc lớn nhất vì để xác định được ở đó là bụng sóng hay nút sóng và từ đó tính được bước sóng, tốc độ truyền âm, ….

– Để tính bước sóng của sóng âm qua các giá trị độ dài cột khí trong ống của những lần xác định được vị trí nút sóng, ta sử dụng công thức: $l=(2k+1)\frac{\lambda}{4}$

Thực hành: 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.

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.

Hướng dẫn trả lời: 

Tham khảo bảng số liệu:

Câu hỏi 7: Tiến hành thí nghiệm và lập bảng ghi kết quả như mẫu Bảng 4.2. Tính sai số của phép đo.

Hướng dẫn trả lời:

sai số của d: $\overline{\Delta d}=\frac{\Delta d_{1}+\Delta d_{2}+\Delta d_{3}}{3}=0,007$

Sai số của bước sóng: $\overline{\Delta \lambda}=\frac{\Delta \lambda_{1}+\Delta \lambda_{2}+\Delta \lambda_{3}}{3}=0,013$

Sai sốc của tốc độ: $\overline{\Delta v}=\frac{\Delta v_{1}+\Delta v_{2}+\Delta v_{3}}{3}=8,667$

Vận dụng: Vì sao ở thí nghiệm tạo sóng dừng trong ống cộng hưởng nếu một đầu ống để hở thì khi có sóng dừng, ta có thể nghe được âm rất to tại đầu ống đó?

Hướng dẫn trả lời:

Vì tại đầu hở đó là 1 bụng sóng, mà biên độ tại bụng là lớn nhất nên ta có thể nghe được âm rất to tại đầu ống đó.