Giải Vật lí 11 Bài 4 (Cánh diều): Sóng dừng

Giải Vật lí 11 Bài 4: Sóng dừng

Giải Vật lí 11 trang 54

Mở đầu trang 54 Vật Lí 11: Một sợi dây đàn hồi có một đầu cố định. Làm cho đầu 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?

Lời giải:

- 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

Giải Vật Lí 11 trang 55

Luyện tập 1 trang 55 Vật Lí 11: Hãy chỉ ra các nút sóng và các bụng sóng trên các Hình 4.1 và 4.2.

Lời giải:

- 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 trang 55 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Học sinh tự thực hiện thí nghiệm và tham khảo bảng kết quả mẫu dưới đây

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 thành sóng dừng

Giải Vật Lí 11 trang 56

Câu hỏi 2 trang 56 Vật Lí 11: Hãy chỉ ra vị trí các nút sóng trên Hình 4.4. Xác định khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp.

Lời giải:

- 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 trang 56 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

- 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 trang 56 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

- Hoàn toàn chính xác khi 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.

Giải Vật Lí 11 trang 57

Luyện tập 2 trang 57 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm sóng dừng trên dây

Nghiệm lại công thức 4.1.

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

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

Với f = 10 Hz: $\lambda =\frac{v}{f}=\frac{12}{15}=\mathrm{0,8}m$, đó $\mathrm{1,2}=3.\frac{\mathrm{0,8}}{2}$ hay $AB=3.\frac{\lambda }{2}$

Với f = 10 Hz: $\lambda =\frac{v}{f}=\frac{12}{20}=\mathrm{0,6}m$, đó $\mathrm{1,2}=4.\frac{\mathrm{0,6}}{2}$ hay $AB=4.\frac{\lambda }{2}$

Từ các kết quả trên ta thấy công thức $L=k\frac{\lambda }{2}$ được nghiệm đúng.

Câu hỏi 5 trang 57 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

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 trang 57 Vật Lí 11: Đề xuất phương án ứng dụng hiện tượng sóng dừng 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.

Lời giải:

* Đề xuất phương án thí nghiệm

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.

* Giải thích một số câu hỏi liên quan:

– 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: $L=\left(2k+1\right)\frac{\lambda }{4}$.

Giải Vật Lí 11 trang 58

Thực hành, khám phá trang 58 Vật Lí 11:

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.

Lời giải:

Học sinh tham khảo bảng số liệu dưới đây:

Câu hỏi 7 trang 58 Vật Lí 11: Tiến hành thí nghiệm và lập bảng ghi kết quả như mẫu Bảng 4.2. Tính sai số của phép đo.

Lời giải:

Tiến hành thí nghiệm và có bảng kết quả như bài trên, sử dụng kết quả đó để tính sai số.

Với f = 650 Hz:

$\overline{d}=\frac{d_1+d_2+d_3}{3}=\mathrm{0,25}$ m

$\overline{\lambda }=\frac{{\lambda }_1+{\lambda }_2+{\lambda }_3}{3}=\mathrm{0,50}$ m

$\overline{v}=\frac{v_1+v_2+v_3}{3}=325$ m/s

Sai số của d: $\overline{\Delta d}=\frac{\Delta d_1+\Delta d_2+\Delta d_3}{3}=\mathrm{0,007}$

Sai số của bước sóng: $\overline{\Delta \lambda }=\frac{\Delta {\lambda }_1+\Delta {\lambda }_2+\Delta {\lambda }_3}{3}=\mathrm{0,013}$

Sai số của tốc độ: $\overline{\Delta v}=\frac{\Delta v_1+\Delta v_2+\Delta v_3}{3}=\mathrm{8,667}$

Vận dụng trang 58 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

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.

Lý thuyết Sóng dừng

I. Hiện tượng sóng dừng trên dây

- Hiện tượng xuất hiện các điểm đứng yên ở những vị trí xác định khi đang có sóng lan truyền được gọi là hiện tượng sóng dừng

- Những điểm đứng yên được gọi là nút sóng

- Những điểm chính giữa hai nút sóng là những điểm dao động với biên độ lớn nhất được gọi là bụng sóng

II. Giải thích sự tạo thành sóng dừng

- Xét sự truyền sóng trên lò xo đàn hồi AB có đầu B được gắn cố định. Cầm đầu tự do A của lò xo đưa lên xuống để gây ra một biến dạng cho lò xo. Biến dạng này truyền dọc theo lò xo đến B thì bị đổi chiều và truyền ngược lại

Sóng được truyền từ nguồn phát đến vật cản được gọi là sóng tới, sóng được truyền ngược lại từ vật cản được gọi là sóng phản xạ

- Những điểm xác định đứng yên do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó ngược pha nên triệt tiêu lẫn nhau. Đó là vị trí các nút sóng

- Bụng sóng dao động với biên độ lớn nhất do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó đồng pha nên tăng cường lẫn nhau

- Chính giữa hai nút sóng liên tiếp là vị trí bụng sóng nên khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng gần nhất bằng một phần tư bước sóng

- Điều kiện để có sóng dừng trên dây

Trường hợp sợi dây có hai đầu cố định

$L=k\frac{\lambda }{2}$ (k=1, 2, 3, …)

Trường hợp sợi dây có một đầu cố định, một đầu tự do

$L=(2k+1)\frac{\lambda }{4}$ (k=0, 1, 2, …)

III. Đo tốc độ truyền âm

- Hiện tượng sóng dừng được ứng dụng để đo tốc độ truyền âm trong ống cộng hưởng

Sơ đồ tư duy về “Sóng dừng”

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 3: Giao thoa sóng

Bài 4: Sóng dừng

Bài tập chủ đề 2 trang 59

Bài 1: Lực tương tác giữa các điện tích

Bài 2: Điện trường