Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 10: Thực hành đo tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Trong đời sống hằng ngày, chúng ta có thể nghe âm thanh từ mọi nơi. Ta đã biết âm thanh chính là sóng âm được lan truyền trong môi trường vật chất. Âm thanh có thể có tần số xác định khi được phát ra từ một số nhạc cụ như đàn guitar, đàn piano, sáo,... hoặc có tần số không xác định khi được phát ra từ động cơ xe, máy khoan,... Thời gian âm thanh truyền từ nguồn phát đến tai ta phụ thuộc vào tốc độ truyền sóng âm. Vậy làm thế nào để đo được tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm?

Hướng dẫn trả lời:

Để đo được tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm chúng ta cần vận dụng kiến thức đã học từ tính chất của sóng dừng vào để có xây dựng được những thí nghiệm và xác định được nó.

THÍ NGHIỆM ĐO TẦN SỐ CỦA SÓNG ÂM

Câu hỏi 1: Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tần số của sóng âm.

Hướng dẫn trả lời:

Dao động kí điện tử (máy hiện sóng điện tử – electronic oscilloscope) là thiết bị điện tử dùng để quan sát các dao động điện hoặc các dao động được hiển thị dưới dạng sóng.

Thực hiện thiết kế phương án và tiến hành các bước thí nghiệm như gợi ý trong SGK.

Mục đích thí nghiệm: Đo được tần số của sóng âm.
* 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.

Sau khi điều chỉnh dao động kí và ghi nhận được tín hiệu, đếm số ô khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp rồi nhấn với thang đo tương ứng trên máy để thu được giá trị chu kì của sóng âm. Từ đó có thể xác định được tần số của sóng âm.

Câu hỏi 2: 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.

Hướng dẫn trả lời:

– 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: $\overline{T} = \frac{T_{1} + T_{2} + T_{3}}{3}$
+ Tính sai số tuyệt đối trung bình của phép đo chu kì sóng âm: 
$\overline{\Delta T}=\frac{|\overline{T}-T_{1}|+|\overline{T}-T_{2}|+|\overline{T}-T_{3}|}{3}$
Sai số tuyệt đối của phép đo chu kì sóng âm: $\Delta T=\overline{\Delta T}+\Delta T_{dc}$ trong đó $\Delta T_{dc}$ là sai số dụng cụ (thường được cung cấp bởi nhà sản xuất).
+ Tính tần số của sóng âm trong 3 lần do thông qua công thức: $f=\frac{1}{T}$
+ Tính giá trị trung bình của tần số sóng âm trong 3 lần đo: $\overline{f} = \frac{(f_{1} + f_{2} + f_{3})}{3}$
+ Sai số tuyệt đối của phép đo tần số sóng âm được tính bằng công thức: 
$\frac{\Delta f}{\overline{f}}=\frac{\Delta T}{\overline{T}}\Leftrightarrow \Delta f=\overline{f}\frac{\Delta T}{\overline{T}}$
– 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.
+ Kiểm tra dụng cụ thí nghiệm trước khi đo, 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 (đường tín hiệu mảnh và sáng), quan sát và đọc số liệu cẩn thận,...

Câu hỏi 3: 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.

Hướng dẫn trả lời: 

So sánh kết quả đo tần số sóng âm khi sử dụng loa điện động (A) với giá trị tấn số được hiển thị trên màn hình của máy phát tần số (B), nếu giá trị A sai lệch không quá 10% so với giá trị B thì kết quả đo được coi là tốt.
So sánh kết quả đo tần số sóng âm khi sử dụng âm thoa (C) với giá trị tần số được ghi trên âm thoa (D), nếu giá trị C sai lệch không quá 10% so với giá trị 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: 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.

Hướng dẫn trả lời: 

– Phương án sử dụng ứng dụng SmartScope Oscilloscope trên điện thoại thông minh đơn giản, nhanh gọn, dễ sử dụng nhưng có nhược điểm là kết quả đo được không chính xác do dễ bị nhiễu bởi tác động của môi trường.
- Phương án sử dụng dao động kí điện tử cho kết quả chính xác hơn nhưng bố trí thí nghiệm phức tạp, yêu cầu nhiều dụng cụ hơn.

THÍ NGHIỆM ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM

Câu hỏi 4: Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tốc độ truyền âm trong không khí.

Hướng dẫn trả lời: 

Một số phương án thí nghiệm được đề xuất để đo tốc độ truyền âm trong không khí:
– Ứng dụng hiện tượng sóng dừng như gợi ý trong SGK, đo khoảng cách giữa hai bụng sống liên tiếp để xác định bước sóng của sóng âm rồi suy ra vận tốc truyền âm trong không khí theo công thức $v =\lambda f$.
- Đo thời gian âm thanh đi từ nguồn âm đến vật cản rồi phản xạ ngược lại đến nguồn ($\Delta t$), từ đó tính được vận tốc truyền âm trong không khí thông qua công thức $v=\frac{2d}{\Delta t}$ trong đó d là khoảng cách từ nguồn âm đến vật cản.

Câu hỏi 5: Liệt kê một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm và đề xuất cách khắc phục.

Hướng dẫn trả lời:

– Một số nguyên nhân gây ra sai số trong thí nghiệm đo tốc độ truyền âm:
+ Tín hiệu đầu vào bị nhiều 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.

Câu hỏi 6: Giải thích vì sao ta có biểu thức: $l_{2}-l_{1}=\frac{\lambda}{2}$

Hướng dẫn trả lời: 

Ống có một đầu kín, một đầu hở thì ta nghe được âm cộng hưởng khi $l = (k + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2}$ .Do đó, độ chêch lệch chiều dài giữa hai lần liên tiếp nghe được âm cộng hưởng là: $\Delta l = l_{2} - l_{1} = (k + 1 + \frac{1}{2})\frac{\lambda}{2} - (k + \frac{1}{2}) \frac{\lambda}{2} = \frac{\lambda}{2}$

Luyện tập: 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).

Hướng dẫn trả lời:

Tiến hành thí nghiệm đo 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 nhất định so với một bề mặt cứng đến khi nghe được âm phát ra từ va chạm của vật với bề mặt (phương án 2) và so sánh kết quả đo được với kết quả trong phương án thí nghiệm sử dụng ống cộng hưởng (phương án 1).

Nhận xét: Phương án 2 cho kết quả đo không chính xác bằng phương án 1 có thể vi sai số lớn do việc nghe âm thanh va chạm và bằng đồng hồ phụ thuộc vào cảm quan của người làm thí nghiệm.

Vận dụng: 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.

Hướng dẫn trả lời:

HS thiết kế phương án thí nghiệm đo tẩn số sóng âm và tốc độ truyền âm trong không khi sử dụng cảm biến âm và bộ xử lí số liệu.

Đề xuất phương án thí nghiệm đo tần số sóng âm: Sử dụng nguồn âm phát sóng âm đến cảm biến được kết nối với bộ xử lí số liệu, dựa vào tín hiệu điện hiển thị trên màn hình, đo chu kì sóng âm T trên trục thời gian. Từ đó, tính được tần số của sóng âm $f =\frac{1}{T}$

Để xuất phương án thí nghiệm đo tốc độ truyền âm trong không khí: 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 lượng d. Khoảng thời gian giữa hai thời điểm cảm biến thu nhận hai sóng âm là $\Delta t$ thì tốc độ truyền âm trong không khí là $v=\frac{d}{\Delta t}$