Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 CTST bài 10: Thực hành đo tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm

I. SỰ PHẢN XẠ SÓNG

Thảo luận 1 trang 62 sgk vật lý 11 ctst

Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tần số của sóng âm.

Đáp án: 

* Chuẩn bị dụng cụ:

– Nguồn âm (1)

• Loa điện động được kết nối với máy phát tấn số.

• Âm thoa, búa và âm thoa gắn trên hộp cộng hưởng (Hình 10.1b).

– Micro (2) để chuyển dao động âm thành dao động điện.

– Dao động kí điện tử (3).

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.2.

Bước 2: Sử dụng nguồn âm là loa điện động, đặt loa gần micro (chú ý đảm bảo không có nguồn âm khác ở gần).

Bước 3: Bật micro và dao động kí ở chế độ làm việc.

Bước 4: Bật máy phát tần số

Bước 5: Điều chỉnh dao động kí để ghi nhận tín hiệu. Lặp lại bước 2 đến bước 5 khi sử dụng nguồn âm là âm thoa.

Thảo luận 2 trang 63 sgk vật lý 11 ctst

Trình bày cách tính sai số tuyệt đối của phép đo. Liệt kê một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm và đề xuất cách khắc phục.

Đáp án:

– Cách tính sai số tuyệt đối của phép đo

• Tiến hành do chu kì của sóng âm trong 3 lần do rồi ghi số liệu vào Bảng 10.1 SGK.

• Tỉnh giá trị trung bình của chu kì sóng âm trong 3 lần đo: T=$\frac{T_{1}+T_{2}+T_{3}}{3}$ 

• Tính sai số tuyệt đối trung bình của phép đo chu kì sóng âm: 

T=$\frac{\left | T-T_{1} \right |+\left | T-T_{2} \right |+\left | T-T_{3} \right |}{3}$

– Một số nguyên nhân gây ra sai số trong thí nghiệm đo tần số sóng âm:

• Tín hiệu đầu vào bị nhiều do yếu tố ngoại cảnh (âm thanh của gió, máy móc, người làm thí nghiệm,...).

• Sai số đo các dụng cụ thí nghiệm (micro không nhạy, chốt cắm lỏng, màn hiển thị của dao động kí điện tử không chính xác...).

• Thao tác của người làm thí nghiệm (đọc số đo không đúng, chọn thang đo chưa hợp lí,..).

- Cách khắc phục:

• Hạn chế gây ra âm thanh nhiều trong quá trình do.

• Đảm bảo các dụng cụ hoạt động tốt.

• Chọn thang đo phù hợp, điều chỉnh máy để tín hiệu hiển thị rõ nét trên màn hình, quan sát và đọc số liệu cẩn thận,...

Thảo luận 3 trang 63 sgk vật lý 11 ctst

So sánh kết quả tần số đo được với giá trị tần số được ghi trên âm thoa hoặc hiển thị trên màn hình của máy phát tần số. Rút ra kết luận.

Đáp án:

Để xem xét kết quả đo tần số sóng âm khi sử dụng loa điện động (A) và âm thoa (C) so với giá trị thực tế (B và D), chúng ta áp dụng một ngưỡng sai số 10%. Nếu giá trị đo A sai lệch không quá 10% so với giá trị thực tế B, hoặc giá trị đo C sai lệch không quá 10% so với giá trị thực tế D, thì kết quả đo được coi là tốt.

Nếu kết quả đo không tốt thì cần tìm cách khắc phục sai số như đã đề cập ở câu hỏi 2 và thực hiện lại các bước tiến hành thí nghiệm.

Luyện tập trang 63 sgk vật lý 11 ctst

Hiện nay, ứng dụng SmartScope Oscilloscope trên điện thoại thông minh có thể được sử dụng để ghi nhận đồ thị dao động âm. Sử dụng ứng dụng này, kết hợp với ứng dụng quay màn hình điện thoại, hãy tiến hành lại thí nghiệm đo tần số của sóng âm và so sánh kết quả đo được với kết quả trong phương án thí nghiệm (sử dụng dao động kí điện tử). Phân tích ưu, nhược điểm của hai phương án này.

Đáp án:

Thảo luận 4 trang 64 sgk vật lý 11 ctst

Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tốc độ truyền âm trong không khí.

Đáp án:

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.3. Đặt loa điện động gần sát đầu hở của ống cộng hưởng.

Bước 2: Dùng hai dây dẫn điện cấp điện cho loa từ máy phát tần số.

Bước 3: Điều chỉnh thang do trên máy phát sang vị trí 100 Hz – 1 kHz. Điều chỉnh tần số sóng âm cho phù hợp. Bước 4: Điều chỉnh biên độ để nghe được âm phát ra từ loa vừa đủ to.

Bước 5: Kéo dẫn pit-tông lên và lắng nghe âm phát ra. Xác định vị trí thứ nhất của pit-tông khi âm nghe được to nhất và xác định chiều dài cột khí l1 tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Bước 6: Tiếp tục kéo pit-tông lên và xác định vị trí thứ hai của pit-tông khi âm nghe được lại to nhất và xác định chiều dài cột khí l2 tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Bước 7: Cho pit-tông về lại sát miệng ống, lặp lại các bước 5 và 6 thêm 4 lần nữa. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Thảo luận 5 trang 64 sgk vật lý 11 ctst

Liệt kê một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm và đề xuất cách khắc phục.

Đáp án:

- Nguyên nhân:

• Tín hiệu đầu vào bị nhiễu do yếu tố ngoại cảnh (âm thanh của gió, máy móc, người làm thí nghiệm...).

• Sai số do các dụng cụ thí nghiệm (máy phát tần số không ổn định, giữa pit tông và ống cộng hưởng có khe hở,...).

• Thao tác của người làm thí nghiệm (đọc số đo không đúng, không chọn được vị trí chính xác mà âm cộng hưởng,...).

- Cách khắc phục:

• Hạn chế gây ra âm thanh nhiều trong quá trình đó.

• Kiểm tra dụng cụ thí nghiệm trước khi đo, đảm bảo các dụng cụ hoạt động tốt.

• Khi điều chỉnh pit-tông cần thao tác chậm, nhẹ nhàng để có thể biết được chính xác tại giá trị nào thì có âm cộng hưởng, khi đọc giá trị độ cao pit-tông thì cần đặt mắt thẳng và vuông góc với mặt thước.

Thảo luận 6 trang 65 sgk vật lý 11 ctst

Giải thích vì sao ta có biểu thức: $l_{2}$ − $l_{1}$ = λ/2

 Đáp án:

Ống có một đầu kín, một đầu hở cộng hưởng âm khi

l = (k +$\frac{1}{2}$).$\frac{\lambda }{2}$ 

=> Độ chêch lệch chiều dài giữa hai lần liên tiếp nghe được âm cộng hưởng là: Δl = $l_{2}$ − $l_{1}$ = (k + 1 +$\frac{1}{2}$).$\frac{\lambda }{2}$    - (k +$\frac{1}{2}$).$\frac{\lambda }{2}$   = λ/2

Luyện tập trang 65 sgk vật lý 11 ctst

Có thể xác định tốc độ truyền âm trong không khí thông qua việc đo khoảng thời gian từ lúc bắt đầu thả một vật rơi tự do từ độ cao so với một bề mặt cứng đến khi nghe được âm phát ra từ va chạm của vật với bề mặt. Thực hiện thí nghiệm này và so sánh kết quả đo được với kết quả trong phương án thí nghiệm (sử dụng ống cộng hưởng).

Đáp án:

Kết quả thí nghiệm cho thấy có sự sai số lớn trong việc đo tốc độ truyền âm bằng thí nghiệm này so với phương án thí nghiệm sử dụng ống cộng hưởng. Sự không chính xác có thể xuất phát từ việc nghe âm thanh va chạm và sử dụng đồng hồ, phụ thuộc vào cảm quan của người thực hiện.

Vận dụng trang 65 sgk vật lý 11 ctst

Cảm biến âm là cảm biến có nguyên tắc hoạt động tương tự miơi. Khi sóng âm được truyền tới cảm biến thì nên sẽ chuyển tín hiệu âm thành tín hiệu điện có cùng tần số. Kết nối cảm biến âm với bộ xử lí số liệu sẽ thu được tin hiệu điện này trên màn hình (Hình 104), dựa vào đô thị và sự cải đặt tỉ lệ trục thời gian ban đầu ta có thể xác định được chu kì của tín hiệu.

Nếu có hai sống âm tới cảm biến cách nhau một khoảng thời gian nào đó thì bộ xử lí số liệu cũng sẽ hiển thị đồng thời hai tin điện trên màn hình và cũng có thể xác định được hai thời điểm mà cảm biến bắt đầu ghi nhận hai sóng 3m .

Từ các thông tin trên, hãy đưa ra một phương án thí nghiệm xác định tấn số của sóng âm và tốc độ truyền âm với cảm biến âm và bộ xử lí số liệu.

Đáp án:

Phương án thí nghiệm đo tần số sóng âm sử dụng cảm biến âm và bộ xử lí số liệu được đề xuất như sau: Sử dụng một nguồn âm phát sóng âm đến cảm biến âm được kết nối với bộ xử lí số liệu. Dựa vào tín hiệu điện xuất hiện trên màn hình, ta có thể đo chu kỳ sóng âm T trên trục thời gian và từ đó tính được tần số của sóng âm f = 1/T.

Phương án thí nghiệm đo tốc độ truyền âm trong không khí được đề xuất như sau: Phát đồng thời hai sóng âm ở hai vị trí khác nhau với khoảng cách từ hai vị trí phát đến cảm biến chênh lệch một khoảng d. Khi hai sóng âm đến cảm biến, ghi nhận khoảng thời gian giữa hai thời điểm thu nhận hai sóng âm là Δt. Tốc độ truyền âm trong không khí có thể tính bằng công thức v = d/Δt.