Giải chi tiết Vật lí 11 kết nối mới bài 13: Sóng dừng

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Khi vỗ tay đều trước miệng các ống của đàn K'lông pút có độ dài khác nhau như hình bên, thì thấy âm phát ra ở các miệng ống trầm bổng khác nhau. Sóng âm lan truyền trong mỗi ống không phải là sống chạy. Vậy đó là loại sóng gì và có những đặc điểm nào?

Hướng dẫn tra lời:

Khi ta vỗ tay vào miệng ống, cột không khí dao động tạo ra sóng dừng, độ dài của mỗi ống khác nhau nên các nốt nhạc phát ra cũng thay đổi.

Sóng dừng là một sóng tổng hợp bởi hai sóng cùng biên độ, cùng tần số lan truyền theo hai hướng ngược nhau trên một dây giao thoa với nhau tạo nên một sóng tổng hợp.

I. THÍ NGHIỆM TẠO SÓNG DỪNG

Câu hỏi: Từ kết quả thí nghiệm rút ra điều kiện để có sóng dừng.

Hướng dẫn trả lời:

Điều kiện để có sóng dừng trên một dây có hai đầu cố định thì hai sóng giao nhau phải có hai sóng có cùng tần số (một sóng tới và một sóng phản xạ) và chiều dài của dây phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng. 

$L=n\frac{\lambda }{2} $ với n = 1,2,3,...

Điều kiện để có sóng dừng trên dây một đầu cố định, một đầu tự do hoặc trong ống khí một đầu kín, một đầu hở là chiều dài của dây hoặc của cột không khí phải bầng một số lẻ một phần tư bước sóng.

$L=(2n+1)\frac{\lambda }{4}$ với n = 0,1,2,3,...

II. GIẢI THÍCH SỰ TẠO THÀNH SÓNG DỪNG

Câu hỏi: Hãy xác định số nút và số bụng của sóng dừng trên sợi dây Hình 13.3.

Hướng dẫn trả lời: 

Sóng dừng trên sợi dây ở Hình 13.3 có 4 nút sóng và có 3 bụng sóng.

III. SÓNG DỪNG TRONG CÁC NHẠC CỤ

Câu hỏi 1: Hãy giải thích sự tạo thành sóng dừng trên dây PQ ở thí nghiệm Hình 13.1.

Hướng dẫn trả lời: 

Sóng từ nguồn là bộ rung truyền tới đầu P của sợi dây đàn hồi PQ có hai đầu cố định tại P và Q. Thông qua sợi dây đàn hồi, sóng truyền từ P tới Q là vật cản cố định và bị phản xạ trở lại. Sóng phản xạ trở lại từ Q ngược pha với sóng tới từ P và có cùng tần số, nên hai sóng này là hai sóng kết hợp. Do vật tại một điểm bất kì trên sợi dây PQ luôn nhận được hai sóng kết hợp (một sống tới tử P và một sóng phản xạ từ Q), chúng giao thoa với nhau và tạo nên hiện tượng sóng dừng trên dây.

Câu hỏi 2: Một dây đàn hồi dài 0,6 m hai đầu cố định dao động với một bụng sóng.

a) Tính bước sóng λ của sóng trên dây.
b) Nếu dây dao động với 3 bụng sóng thì bước sóng là bao nhiêu

Hướng dẫn trả lời: 

Để trên dây xuất hiện sóng dừng, ta phải có:$L=n\frac{\lambda}{2}$(*)
a) Trên dây xuất hiện một bụng sóng ⇒ n = 1
Thay n = 1 vào điều kiện (*) ⇒ $ \lambda =\frac{2L}{n}=\frac{2.0,6}{1}=1,2$(m)
b) Trên dây xuất hiện ba bụng sóng ⇒ n = 3
Thay n = 3 vào điều kiện (*) ⇒$ \lambda =\frac{2L}{n}=\frac{2.0,6}{3}=0,4$(cm)

Câu hỏi 3:  Trên sợi dây đàn hồi, có chiều dài L = 1,2 m người ta tạo ra sóng dừng có hình dạng được mô tả ở Hình 13.6. Biết tần số rung của sợi dây là f = 13,3 Hz. Xác định tốc độ truyền sóng trên dây.

Hướng dẫn trả lời:

Điều kiện để xuất hiện sóng dừng trên dây có hai đầu cố định là $L=n\frac{\lambda}{2}$
Từ hình vẽ ta thấy trên dây xuất hiện 3 bụng sóng $\Rightarrow n=3$
$\Rightarrow \lambda =\frac{2L}{n}=\frac{2.1,2}{3}=0,8$(m)
Tốc độ sóng truyền trên dây là: $v=\lambda f=0,8.13,3=10,64$(m/s)

Câu hỏi 4: Tìm điều kiện để có sóng dừng trong cột không khí một đầu cố định, một đầu tự do (Hình 13.7).

Hướng dẫn trả lời: 

Điều kiện để có sóng dừng trong ống khí một đầu kín, một đầu hở là chiều dài của cột không khí phải bầng một số lẻ một phần tư bước sóng.

$L=(2n+1)\frac{\lambda }{4}$ với n = 0,1,2,3,...