Giáo án Sóng cơ học Ôn tập vật lý5842

1 Sóng học: a Sóng học thiên nhiên: - Định nghĩa: Sóng dao động lan truyền mơi trường vật chất - Sóng ngang: sóng phân tử mơi trường dao động theo phương vng góc với phương truyền sóng - Sóng dọc: sóng phân tử môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng b Bước sóng: - Khoảng cách hai điểm phương truyền sóng gần dao động pha với gọi bước sóng - Là quãng đường mà sóng truyền chu kì Cơng thức:  = v.T = v f c Chu kì, tần số vận tốc sóng: - Chu kỳ: Chu kỳ dao động phần tử vật chất mà sóng học truyền qua với chu kỳ dao động nguồn Đó chu kỳ sóng - Vận tốc truyền sóng: Vận tốc truyền pha dao động gọi vận tốc sóng d Biên độ lượng sóng: Quá trình truyền sóng q trình truyền lượng Truyền xa lượng giảm, biên độ giảm theo x x e Phương trình sóng: uM = aMcos(t ++  ) = aMcos(t++ 2 ) v  Trong đó: (m): Bước sóng; T (s): Chu kỳ sóng; f (Hz): Tần số sóng; v (m/s): Tốc độ truyền sóng (có đơn vị tương ứng với đơn vị ) + Biên độ sóng: asóng = Adao động = A + Năng lượng sóng W = Wđ = m2A2 Phương trình sóng Tại điểm O: uO = Acos(t + ) Tại điểm M cách O đoạn x phương truyền sóng * Sóng truyền theo chiều dương trục Ox u = AMcos(t +  -  ) = AMcos(t +  - 2 * Sóng truyền theo chiều âm trục Ox u = AMcos(t +  +  ) = AMcos(t +  + 2 ) ) Độ lệch pha hai điểm cách nguồn khoảng x1, x2:  =  = 2 Nếu điểm nằm phương truyền sóng cách khoảng x thì:  =  = 2 Lưu ý: Đơn vị x, x1, x2,  v phải tương ứng với Trong tượng truyền sóng sợi dây, dây kích thích dao động nam châm điện với tần số dịng điện f tần số dao động dây 2f Tính tuần hồn sóng + Tại điểm M xác định môi trường: x = const: uM hàm biến thiên điều hòa theo thời gian t với chu kì T + Tại thời điểm xác định: t = const: uM hàm biến thiên điều hòa khơng gian theo biến x với chu kì T ThuVienDeThi.com Độ lệch pha hai điểm cách nguồn khoảng d1, d2:    d1  d v  2 d1  d hay  d d  2 v  Giao thoa sóng: a Sóng kết hợp: - Hai nguồn dao động tần số, có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian gọi nguồn kết hợp - Sóng mà nguồn kết hợp phát gọi sóng kết hợp b Hiện tượng giao thoa: Hiện tượng giao thoa tượng hai sóng kết hợp gặp có điểm chúng ln tăng cường lẫn nhau: Có điểm chúng ln triệt tiêu lẫn d  d1  k  ;   k 2; - Cực đại giao thoa: k  0, 1, 2,  (tăng cường, fa)     - Cực tiểu giao thoa:   2k  1; d  d1  2k  1 ; k  0, 1, 2,  (triệt tiêu, ngược fa) Sóng dừng: a Định nghĩa: Sóng có nút bụng cố định không gian Các điểm bụng (hoặc điểm nút) cách số nguyên lần Điều kiện để có sóng dừng: * Hai đầu nút sóng: l  k   (k  N * ) ; k = số bụng = số nút – * Một đầu nút sóng cịn đầu bụng sóng: l  (2k  1)  (k  N ) ; k = số bụng - = số nút – Sóng âm: a Sóng âm cảm giác âm: - Định nghĩa: Sóng học có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz Gây cảm giác âm - Sóng siêu âm: Sóng học có tần số > 20.000 Hz - Sóng hạ âm: Sóng học có tần số < 16 Hz b Sự truyền âm – Vận tốc âm: - Sóng âm sóng dọc nên truyền mơi trường rắn, lỏng khí - Vận tốc âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, nhiệt độ mật độ môi trường - Vận tốc âm chất lỏng nhỏ vận tốc truyền âm chất rắn lớn vận tốc truyền âm chất khí c Độ cao âm: Độ cao âm đặc tính sinh lí âm, phụ thuộc tần số d Âm sắc: Là đặc tính sinh lí âm, phụ thuộc tần số biên độ (đồ thị dao động âm) e cường độ âm: Cường độ âm I: lượng lượng sóng âm truyền đơn vị thời gian qua đơn vị E P I  diện tích đặt vng góc với phương truyền Đơn vị: W/m2: (với sóng cầu S t.S S diện tích mặt cầu S=4πR2) f mức cường độ âm L : L  lg I I0 (Ben) thường dùng dB (đềxibel) với: L  10 lg Chọn I0 tần số f = 1000 Hz để làm cường độ âm chuẩn (I0  10–12 W/m2) g Độ to âm: phụ thuôc mức cường độ âm ThuVienDeThi.com I I0 CHỦ ĐỀ 7: GIAO THOA SÓNG – NHIỄU XẠ SÓNG A TÓM TẮT KIẾN THỨC CƠ BẢN Định nghĩa: tổng hợp hai sóng kết hợp khơng gian, có chỗ biên độ sóng tăng cường hay bị giảm bớt Sóng kết hợp: Do hai nguồn kết hợp tạo Hai nguồn kết hợp hai nguồn dao động pha, tần số có hiệu số pha không đổi theo thời gian Giao thoa hai sóng phát từ hai nguồn sóng kết hợp S1, S2 cách khoảng l: - Xét điểm M cách hai nguồn d1, d2 - Phương trình sóng nguồn: u1=Acos(2ft + 1) u2 = Acos(2ft + 2) - Phương trình sóng M hai sóng từ hai nguồn truyền tới: u1M=Acos(2ft -2 + 1) u2 = Acos(2ft - 2 + 2) - Phương trình giao thoa sóng M: u = u1M + u2M = 2Acos( 1   2 d1  d  + ).cos(2ft -  d1  d  + ) - Biên độ dao động M: AM = 2A|cos( d1  d  + )| với  = 1-2 Chú ý:  l  k  với k  Z  2  2 l  l  k   * Số cực tiểu:    với k  Z  2  2 * Số cực đại:  l  a Hai nguồn dao động pha (  = 1 - 2 = 0) * Điểm dao động cực đại: d1 – d2 = k (k  Z) Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn):  l k  l  * Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d1 – d2 = (2k + 1) * Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn):  l   l 1 k   b Hai nguồn dao động ngược pha ( = 1 - 2 =) * Điểm dao động cực đại: d1 – d2 = (2k + 1) (k  Z) Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn):  l   l 1 k   * Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d1 – d2 = k (k  Z) Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn):  l  k l  Chú ý: Với tốn tìm số đường dao động cực đại (bụng sóng) khơng dao động (nút sóng) hai điểm M, N cách hai nguồn d1M, d2M, d1N, d2N Đặt dM = d1M - d2M; dN = d1N - d2N giả sử dM < dN ThuVienDeThi.com + Hai nguồn dao động pha: * Cực đại: dM < k < dN * Cực tiểu: dM < (2k + 1) < dN + Hai nguồn dao động ngược pha: * Cực đại: dM < (2k + 1) < dN * Cực tiểu: dM < k < dN Số giá trị nguyên k thoả mãn biểu thức số đường cần tìm Nhiễu xạ sóng: Hiện tượng sóng gặp vật cản lệch khỏi phương truyền thẳng sóng vòng qua vật cản gọi nhiễu xạ sóng B CÁC DẠNG TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Sóng học Dạng 1: Viết phương trình sóng Độ lệch pha + Nếu phương trình sóng O u0 = Acos(t+ ) phương trình sóng M uM =Acos(t +  ) Dấu (–) sóng truyền từ O tới M, dấu (+) sóng truyền từ M tới O + Độ lệch pha điểm nằm phương truyền sóng cách khoảng d  = Nếu dao động pha  = 2k Nếu dao động ngược pha  = (2k +1) Dạng 2: Tính bước sóng, vận tốc truyền sóng, vận tốc dao động + Bước sóng  = vT = + Khoảng cách n gợn sóng liên tiếp (1 nguồn) (n - 1) + Vận tốc dao động u' = -Asin(t + ) Dạng 3: Tính biên độ dao động tai M phương truyền sóng , với k = + Năng lượng sóng nguồn O M là: W0 = kA 20 , WM = kA M hệ số tỉ lệ, D khối lượng riêng môi trường truyền sóng + Sóng truyền mặt nước: lượng sóng giảm tỉ lệ với quãng đường truyền sóng Gọi W = = lượng sóng cung cấp nguồn dao động 1s Ta có kA M , kA M ,  AM = AA + Sóng truyền khơng gian (sóng âm): lượng sóng giảm tỉ lệ với bình phương qng đường truyền sóng Ta có kAA  r W W kAA2  ,  AM  AA A , rM 4rA 4rA Giao thoa sóng Dạng 1: Tìm số điểm cực đại, cực tiểu đoạn thẳng nối nguồn kết hợp S1S2 = l Nếu nguồn lệch pha :  l  k   2  2 l  l   k   + Số cực tiểu:    2  2 + Số cực đại:  l  Dạng 2: Tìm số đường hyperbol khoảng CD hình giới hạn ThuVienDeThi.com + Tính d1, d2 + Nếu C dao động với biên độ cực đại: d1 – d2 = kλ (cực tiểu d1 – d2 = (2k + 1) + Tính k = d1  d  , lấy k số nguyên + Tính số đường cực đại khoảng CD Dạng 3: Tìm số đường hyperbol khoảng CA hình giới hạn + Tính MA cách: MA – MB = CA – CB + Gọi N điểm AB, đó: NA - NB = kλ, (cực tiểu (2k + 1) ) NA + NB = AB + Xác định k từ giới hạn ≤ NA ≤ MA Dạng 4: Phương trình giao thoa + Hai nguồn: u1 = acos(t + ), u2 = acos(t) + Phương trình giao thoa: uM = acos(t +  ) + acos(t ) = 2acos( + Biên độ giao thoa AM = 2acos( + + - )cos(t + ) )  pha  = 2k, ngược pha  = (2k+1) + Độ lệch pha M với nguồn pha  =  Lưu ý: Tính biên độ giao thoa theo công A  A  A  A1 A2 cos(  1 ) M thức tổng hợp dao động là: 2 Với 1 =  - 2 , 2 = -2 + Nếu nguồn pha độ lệch pha sóng giao thoa với nguồn  CHỦ ĐỀ 8: SÓNG DỪNG – NHIỄU XẠ SÓNG A TÓM TẮT KIẾN THỨC CƠ BẢN I SÓNG DỪNG Phản xạ có đổi dấu: Phản xạ sóng đầu dây (hay vật cản) cố định phản xạ có đổi dấu Phản xạ không đổi dấu: Phản xạ sóng đầu dây (hay vật cản) di động phản xạ đổi dấu Sự tổng hợp sóng tới sóng phản xạ - Sóng dừng Xét trường hợp tổng hợp sóng tới sóng phản xạ sợi dây có chiều dài l Giả sử sóng tới đầu A là: uA = acost • Phản xạ có đổi dấu - Phương trình sóng tới sóng phản xạ B: uB = Acos2ft u'B = - Acos2t = Acos(2ft -) - Phương trình sóng tới sóng phản xạ M cách B khoảng d là: uM = Acos(2ft + 2 ) u'M = ThuVienDeThi.com - ) Acos(2ft - 2 - Phương trình sóng dừng M: u = uM + u'M u = 2Acos(2    t 1  4 + )cos2     T        - Biên độ dao động phần tử M: AM = 2A cos 2 d     d  = 2A sin  2  2   - Điều kiện M nút sóng: AM =    cos 2 d   d   =  2  = (k+  2  )  d = k với k = 0, 1, 2, … - Điều kiện M bụng sóng: AM = 2A    cos 2 d   d   =   2  = k  d = k  2  - với k = 0, 1, 2, … b Phản xạ khơng đổi dấu - Phương trình sóng tới sóng phản xạ B: uB = u'B = Acos2ft - Phương trình sóng tới sóng phản xạ M cách B khoảng d là: uM = Acos(2ft + 2 ) u'M = Acos(2ft - 2 ) - Phương trình sóng dừng M: u = uM + u'M u = 2Acos(2 )cos2ft = 2Acos(2   - Biên độ dao động phần tử M: AM = 2A cos 2  t 1   T   )cos  d   - Điều kiên M nút sóng: AM =    cos 2 d d  =  2 = (k+   )  d = (k+ ) với k = 0, 1, 2, … - Điều kiện M bụng sóng: AM = 2A    cos 2 d d  =   2 = k  d = k   với k = 0, 1, 2, … Lưu ý: * Với x khoảng cách từ M đến đầu nút sóng biên độ: AM = 2A sin 2 * Với x khoảng cách từ M đến đầu bụng sóng biên độ: AM = 2A sin 2 Sóng dừng a Định nghĩa: Sóng dừng sóng có nút bụng sóng cố định khơng gian b Ngun nhân: Sóng dừng kết giao thoa sóng tới sóng phản xạ, sóng tới sóng phản xạ ThuVienDeThi.com x  x  truyền theo phương Khi sóng tới sóng phản xạ sóng kết hợp giao thoa tạo sóng dừng c Tính chất - Khoảng cách hai nút sóng hai bụng sóng bất kì: dBB = dNN = k , với k số nguyên - Khoảng cách nút sóng với bụng sóng bất kì: dBN = (2k+1) , với k số nguyên d Điều kiện có sóng dừng sợi dây dài l - Hai đầu nút sóng: l = k ( k  N*) + Số bụng sóng = số bó sóng = k + Số nút sóng = k + - Một đầu nút sóng cịn đầu bụng sóng: l = (2k + 1) (k  N) + Số bó sóng nguyên = k + Số bụng sóng = số nút sóng = k + Một số ý + Đầu cố định đầu dao động nhỏ nút sóng + Đầu tự bụng sóng + Hai điểm đối xứng với qua nút sóng ln dao động ngược pha + Hai điểm đối xứng với qua bụng sóng ln dao động pha + Các điểm dây dao động với biên độ không đổi  lượng không truyền + Khoảng thời gian hai lần sợi dây căng ngang (các phần tử qua VTCB) nửa chu kỳ B CÁC DẠNG TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI - Điều kiện xảy sóng dừng: + Hai đầu cố định: l = k , k bó, k bụng, (k + 1) nút + Một đầu tự do: l = (k + , k bó, (k + 1) nút, (k + 1) bụng ) + Vật cản cố định điểm đầu điểm nút, vật cản tự điểm đầu điểm bụng Khoảng cách nút, bụng k , khoảng cách từ điểm bụng đến điểm nút (k + ) - Từ điều kiện xảy sóng dừng, tìm tần số hoạ âm fn = n.f0 * Hai đầu cố định: fcb = , hoạ âm fn = (n  N) => fsau – ftr = fcbf * Một đầu tự do: fcb = * Hai đầu tự do: fcb = , hoạ âm fn = (2n + 1) , hoạ âm fn = (n  N) => fsau – ftr = 2fcb (n N) Cách xác định đầu tự hay cố định: Tính f = fsau – ftr, Lập tỉ số cố định Nếu fn f , n số bán nguyên  dây có đầu tự do, đầu f f fn số nguyên  dây có đầu cố định (hoặc đầu tự do) f CHỦ ĐỀ - SÓNG ÂM ThuVienDeThi.com Định nghĩa: + Sóng âm sóng truyền mơi trường rắn, lỏng khí + Nguồn âm vật dao động phát âm Phân loại Âm nghe (gây cảm giác âm cho tai người) sóng có tần số khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz; f < 16 Hz sóng hạ âm; f > 20.000 Hz sóng siêu âm Các đặc trưng vật lý âm + Âm có đầy đủ đặc trưng sóng học + Vận tốc truyền âm: phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ nhiệt độ mơi trường: vrắn > vlỏng > vkhí Chú ý: Khi sóng âm truyền từ mơi trường sang mơi trường khác vận tốc bước sóng thay đổi; tần số chu kì sóng khơng đổi + Cường độ âm: Là lượng truyền qua đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm, đơn vị thời gian: I = = Với: W (J), P (W) lượng, công suất phát âm nguồn S (m2) diện tích mặt vng góc với phương truyền âm (với sóng cầu S = 4πR2) + Ngưỡng nghe: cường độ âm nhỏ mà tai người cịn nghe rõ Ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm Âm có tần số từ 1.000 Hz – 5.000 Hz, ngưỡng nghe khoảng 10-2 W/m2 + Ngưỡng đau: cường độ âm cực đại mà tai người cịn nghe có cảm giác đau nhức Đối với tần số âm ngưỡng đau ứng với cường độ âm 10 W/m2 + Miền nghe được: miền nằm ngưỡng nghe ngưỡng đau I S 4r22  r    Chú ý: Nếu lượng bảo toàn: W = I1S1 = I2S2    I S1 4r12  r1  I I + Mức cường độ âm: L(B) = lg Hoặc L(dB) = 10.lg I0 I0 Với I0 = 10-12 W/m2 f = 1000Hz: cường độ âm chuẩn (Cường độ âm chuẩn thay đổi theo tần số) Chú ý: Từ công thức: L = log L I I  I = I0 1010 L = L2 - L1 = 10log I0 I1 + Đồ thị dao động âm: Một nhạc cụ phát âm có tần số f (gọi âm họa âm thứ nhất) đồng thời phát họa âm có tần số 2f, 3f, 4f, (gọi họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư, ) Biên độ họa âm khác Tổng hợp đồ thị dao động tất họa âm nhạc âm ta có đồ thị dao động nhạc âm Đồ thị khơng cịn đường sin điều hịa mà đường phước tạp có chu kì Các đặc trưng sinh lí âm + Độ cao: gắn liền với tần số Âm có f lớn cao, f nhỏ trầm Khơng phụ thuộc vào lượng âm + Độ to: gắn liền với mức cường độ âm Phụ thuộc vào tần số âm - Hai âm có tần số, có mức cường độ âm khác độ to khác - Hai âm có mức cường độ âm, có tần số khác độ to khác + Âm sắc: gắn liền với đồ thị dao động âm - Âm sắc tính chất âm giúp ta phân biệt âm phát nguồn khác (cả chúng có khơng độ cao, độ to) - Âm sắc đặc trưng sinh lí liên quan mật thiết tới đồ thị dao động âm phụ thuộc vào tần số âm biên độ âm Tần số đàn phát (hai đầu dây cố định  hai đầu nút sóng): f = k (k  N*) ThuVienDeThi.com Ứng với k =  âm phát âm có tần số f1 = k = 2, 3, … có hoạ âm bậc (tần số 2f1), bậc (tần số 3f1) … Tần số ống sáo phát (một đầu bịt kín, đầu để hở  đầu nút sóng, đầu bụng sóng): f = (2k+1) ( k  N) Ứng với k =  âm phát âm có tần số k = 1, 2, … có hoạ âm bậc (tần số 3f1), bậc (tần số 5f1) … ThuVienDeThi.com ... Nhiễu xạ sóng: Hiện tượng sóng gặp vật cản lệch khỏi phương truyền thẳng sóng vòng qua vật cản gọi nhiễu xạ sóng B CÁC DẠNG TỐN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Sóng học Dạng 1: Viết phương trình sóng Độ lệch... thoa sóng tới sóng phản xạ, sóng tới sóng phản xạ ThuVienDeThi.com x  x  truyền theo phương Khi sóng tới sóng phản xạ sóng kết hợp giao thoa tạo sóng dừng c Tính chất - Khoảng cách hai nút sóng. .. hợp sóng tới sóng phản xạ - Sóng dừng Xét trường hợp tổng hợp sóng tới sóng phản xạ sợi dây có chiều dài l Giả sử sóng tới đầu A là: uA = acost • Phản xạ có đổi dấu - Phương trình sóng tới sóng