Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 CTST bài 6: Các đặc trưng vật lí của sóng

I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG

Thảo luận 1 trang 40 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 6.2, thực hiện các yêu cầu sau:

a) Cho biết sóng truyền trên dây là sóng dọc hay sóng ngang.

b) Mô tả chuyển động của từng điểm trên dây.

Đáp án:

a) Sóng ngang.

b) Từng điểm trên sợi dây dao động vuông góc với phương truyền sóng với biên độ, tần số và vận tốc xác định. Xét từ nguồn tạo sóng, trạng thái dao động của điểm phía sau tại thời điểm t chính là trạng thái dao động của điểm phía trước tại thời điểm t−Δt. 

Thảo luận 2 trang 40 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 6.3, Hãy:

a) Chỉ ra những điểm trên dây đang có trạng thái dao động giống nhau tại thời điểm đang xét.

b) So sánh trạng thái dao động của điểm D với trạng thái dao động của nguồn 0 khi t≥T.

Đáp án:

a) Các điểm có trạng thái giống nhau tại thời điểm:

t = T: O và D

t=5T/4: O và D, A và E

t=6T/4: O và D, A và E , B và G

t=7T/4: O và D, A và E, B và G, C và H.

t=2T: O, D và K, A và E, B và G, C và H.

b) Trạng thái dao động của điểm D luôn giống với trạng thái dao động của nguồn O khi t ≥ T 

Thảo luận 3 trang 41 sgk vật lý 11 ctst

Tốc độ truyền sóng trong môi trường nhanh hay chậm có phụ thuộc tốc độ dao động tại chỗ của các phần tử môi trường không?

Đáp án:

Tốc độ truyền sóng trong môi trường (thường là hằng số, vi dụ tốc độ truyền sóng âm trong không khí khoảng 334 m/s) và tốc độ dao động của các phần tử trong môi trường (là hàm số dạng sin theo thời gian) không phụ thuộc vào nhau.

Thảo luận 4 trang 42 sgk vật lý 11 ctst

Từ ví dụ về tốc độ truyền sóng âm trong các môi trường rắn, lỏng và khí, hãy rút ra nhận xét và giải thích sự khác nhau này.

Đáp án:

Tốc độ truyền sóng âm: chất rắn > chất lỏng > chất khí.

Nguyên nhân: Môi trường càng đậm đặc (mật độ khối lượng lớn), tốc độ lan truyền tương tác giữa các phần tử của môi trường cảng lớn. 

Luyện tập 1 trang 41 sgk vật lý 11 ctst

Một bạn học sinh đang câu cá trên hồ nước. Khi có sóng đi qua, bạn quan sát thấy phao câu cá nhỏ lên cao 6 lần trong 4 s. Biết tốc độ truyền sóng là 0,5 m/s. Tính khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp.

Đáp án:

Phao cầu cá nhỏ lên cao 6 lần tương ứng với 5T

=> T = 4/5 = 0,8 s

Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp:

λ = v.T = 0,5.0,8 = 0,4m

Luyện tập 2 trang 43 sgk vật lý 11 ctst

Biết cường độ ánh sáng của Mặt Trời đo được tại Trái Đất là 1,37.10$^{3}$W/m$^{2}$ và khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất là 1,50.10$^{11}$ m. Hãy tính công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời.

Đáp án:

P = I.S = I.4πr$^{2}$ = 1,37.10$^{3}$.4π.(1,50.10$^{11}$)$^{2}$ ≈ 3,874.10$^{26}$W

II. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG

Thảo luận 5 trang 44 sgk vật lý 11 ctst

Từ phương trình (6.6), xác định khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động ngược pha (theo bước sóng).

Đáp án:

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có toạ độ x và x' dao động cùng pha

⇒x’ – x = kλ (k∈Z)

Hai điểm gần nhất dao động cùng pha ứng với k = 1

⇒ x’ – x = λ

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có toạ độ x và x' dao động ngược pha khi:

⇒ x’ – x = (k+1/2)λ (k∈Z)

Hai điểm gần nhất dao động ngược pha ứng với k = 0

⇒ x’ – x = λ/2

Thảo luận 6 trang 44 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 6.3, xác định độ lệch pha của hai điểm A và B trên cùng phương truyền sóng vào thời điểm t = 7T/4

Đáp án:

AB = λ/4 => độ lệch pha của hai điểm là Δφ = $\frac{2\pi }{\lambda }$.AB = $\frac{2\pi }{\lambda }.\frac{\lambda }{4}$=$\frac{\pi }{2}$ rad

Luyện tập trang 44 sgk vật lý 11 ctst

Giải thích vì sao ở Hình 6.6a, đường biểu diễn có một đoạn nằm ngang sau vị trí có toạ độ x1 và ở Hình 6.6b, đường biểu diễn có một đoạn nằm ngang trước thời điểm t1.

Đáp án:

Hình 6.6a: Vì sóng truyền với tốc độ hữu hạn nên tại thời điểm t đang xét, sóng chỉ mới truyền đi được quãng đường x = vt. Phần còn lại của dây với x > vt vẫn còn đứng yên nên đường biểu diễn nằm ngang.

Hình 6.6b: Điểm cách nguồn một khoảng x chỉ bắt đầu dao động khi sóng truyền đến, nên với t < x/v, sóng chưa truyền đến điểm này.

Vận dụng trang 44 sgk vật lý 11 ctst

Đề xuất phương án thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm đơn giản để tạo ra sóng truyền trên một sợi dây và xác định các đại lượng đặc trưng của sóng như chu kì, tần số.

Đáp án:

Khi buộc một đầu của sợi dây vào thiết bị tạo rung và tạo điều kiện tự do cho đầu còn lại, sợi dây sẽ dao động với tần số tương tự như tần số của thiết bị tạo rung. Sợi dây có thể được sử dụng để đo và xác định các thông số như cường độ sóng và bước sóng.

Bài tập 1 trang 45 sgk vật lý 11 ctst

Khi đi biển, các thuỷ thủ trên thuyền có thể sử dụng kĩ thuật sonar (một kĩ thuật phát ra sóng siêu âm) dùng để định vị hay điều hướng thuyền nhằm tránh các tảng đá ngầm hoặc phát hiện đàn cá (Hình 6P.1). Trong tự nhiên, nhiều loài động vật như dơi, cá heo cũng có thể phát ra sóng siêu âm để di chuyển và định vị con mồi. Kĩ thuật sonar sử dụng tính chất nào của sóng? Theo em, sóng siêu âm do các tàu thuyền phát ra có ảnh hưởng như thế nào đối với loài cá heo và cá voi?

Đáp án:

Kỹ thuật sonar dựa vào tính chất phản xạ của sóng âm để xác định vị trí và đối tượng trong môi trường nước. Sóng siêu âm do tàu thuyền phát ra có thể ảnh hưởng đến khả năng xác định vị trí và giao tiếp của loài cá heo và cá voi. Loài này sử dụng sóng siêu âm để thực hiện các chức năng quan trọng như xác định vị trí, phát hiện kẻ thù, tìm kiếm thức ăn và giao tiếp với đồng loại.

Nếu tàu thuyền sử dụng sóng siêu âm một cách lạm dụng hoặc trong môi trường có nhiều cá heo và cá voi, nó có thể tạo ra sự giao cắt và nhiễu sóng siêu âm, gây ảnh hưởng đến cuộc sống và hành vi tự nhiên của các loài này. Sự can thiệp quá mức vào môi trường sóng siêu âm tự nhiên có thể gây stress, thay đổi hành vi săn mồi và gây lo ngại cho cá heo và cá voi.

Bài tập 2 trang 45 sgk vật lý 11 ctst

Hai điểm gần nhất trên cùng phương truyền sóng dao động lệch pha nhau một góc π/2 cách nhau 60 cm. Biết tốc độ truyền sóng là 330 m/s. Tìm độ lệch pha:

a) Giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng, cách nhau 360 cm tại cùng một thời điểm.

b) Tại cùng một điểm trên phương truyền sóng sau một khoảng thời gian là 0,1 s.

Đáp án:     

Ta có: .d = 2π/λ.60 = π/2 ⇒ λ = 240 cm

Do λ = vT ⇒ T = λ/v = 2,4/330 ≈ 0,00727s

a) Δφ =($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$.x) -($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$.x')

⇒ Δφ = $\frac{2\pi }{\lambda }$.(x’ − x) = $\frac{2\pi }{240}$.360 = 3π rad

=> Hai điểm này dao động ngược pha nhau.

b) Δφ = 2.(x’ − x)  = $\frac{2\pi }{0,00727}$.0.1 ≈ 27,5π rad

Do tính tuần hoàn của dao động nên ta có thể ghi Δφ = 1,5π rad.

Bài tập 3 trang 45 sgk vật lý 11 ctst

Một sóng truyền trên một dây rất dài có phương trình:

u =10cos(2πt+0,01πx)

Trong đó u và x được tính bằng cm và t được tính bằng s. Hãy xác định:

a) Chu kì, tần số và biên độ sóng.

b) Bước sóng và tốc độ truyền sóng.

c) Giá trị của li độ u, tại điểm có x = 50 cm vào thời điểm t = 4s. 

Đáp án:     

U = Acos(2π/T.t − 2π/λ.x)

a) Ta có: 2π/T = 2π ⇒ T = 1s

Tần sồ f = 1/T = 1Hz

Biên độ A = 10 cm

b) Ta có: 2π/λ = 0,01π ⇒ λ = 200cm

v = λ.f = 200.1 = 200 cm/s

c) Tại x=50cm, t=4s:

u  = 10cos(2πt+0,01πx) = 10cos(2π.4+0,01π.50) = 0 cm