Sáng kiến kinh nghiệm về giao thoa sóng cơ học

ĐẶT VẤN ĐỀ:Trong các đề thi tố nghiệp, thi Đại Học, thi học sinh giỏi..., tôi thấy có dạng câu hỏi : xác định biên độ dao động tại một điểm bất kỳ trong vùng giao thoa hoặc trên dây khi

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

Trong các đề thi tố nghiệp, thi Đại Học, thi học sinh giỏi , tôi thấy có dạng câu hỏi : xác định biên độ dao động tại một điểm bất kỳ trong vùng giao thoa hoặc trên dây khi có sóng dừng, tuy nhiên số lượng câu dạng này không nhiều, học sinh ít va chạm nên thường hay nhầm lẫn công thức trong các trường hợp hai nguồn cùng pha, hai nguồn ngược pha, hai nguồn vuông pha, hai nguồn lệch pha một góc bất kỳ Do đó học sinh sẽ lúng túng, mất thời gian làm ảnh hưởng đến thời gian làm những bài tập khác dẫn đến kết quả bài thi không cao

Qua thực tế giảng dạy ở trường THPT tôi thấy để học sinh không nhầm lẫn các trường hợp trên, thì học sinh phải có một cơ sở lý thuyết vững vàng, biết cách xây dựng công thức trong trường hợp tổng quát, từ đó suy ra các trường hợp cụ thể Trong đề tài này tôi muốn giới thiệu phương pháp xây dựng công thức xác định biên độ dao động tại một điểm bất kỳ trong vùng giao thoa một cách ngắn gọn rõ ràng, giúp các em học sinh giải bài tập nhanh, chính xác

A CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIAO THOA SÓNG

1 Khái niệm về nguồn kết hợp, sóng kết hợp

a Nguồn kết hợp:

- Hai nguồn A, B được gọi là nguồn kết hợp nếu chúng có cùng tần số và độ lệch pha không đổi

b Sóng kết hợp:

- Hai sóng kết hợp là hai sóng được phát ra từ hai nguồn kết hợp

2 Khái niệm giao thoa sóng

Giao thoa sóng là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng kết hợp mà cho trên phương truyền sóng những điểm dao động với biên độ cực đại hoặc những điểm dao động với biên độ cực tiểu

3 Lý thuyết giao thoa

a Trường hợp tổng quát:

Giả sử có hai nguồn sóng kết hợp đặt tại hai điểm A và B dao động với cùng tần

số với phương trình tương ứng :

u1 acos( t  1 ); u2 bcos( t  2 )

Xét một điểm M cách các nguồn A, B các khoảng cách tương ứng là d1 và d2 như hình vẽ

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn A

1M cos ( d ) 1

v

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn B truyền đến là:

2

2M cos ( d ) 2

v

Độ lệch pha giữa hai sóng tại M là:

1 2

2 ( )







     

* Nhận xét:

• Biên độ dao động tổng hợp tại M cực đại khi hai sóng truyền đến cùng pha

2 ( )

2

            

Khi đó ta có : aM max = a + b

• Biên độ dao động tổng hợp cực tiểu khi hai sóng truyền đến ngược pha nhau:

2 ( )

2

Khi đó ta có : aMmin= a b

*M

d1 d2

A * * B

• Biên độ sóng tổng hợp tại điểm M bất kỳ có giá trị trong khoảng:

M

a b a  a b và được xác định bằng biểu thức tổng quát sau:

2 os( )

M

a  a b  ab c  

b Một số trường hợp thường gặp

Trường hợp 1: (Hai nguồn dao động cùng pha ,cùng biên độ)

Khi đó phương trình dao động của hai nguồn là: u1 u2 acos t ,

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn A truyền đến là: 1

1M cos ( d )

v



Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn B truyền đến là: 2

2M cos ( d )

v

Độ lệch pha giữa hai sóng tại M là: 1 2

2 1

2 (  d d )

  





   

Phương trình sóng tổng hợp tại M : u M 2 cos(a  d1 d2 ) os(c t  d1 d2 )

* Nhận xét:

• Biên độ dao động tổng hợp tại M cực đại khi hai sóng truyền đến cùng pha

1 2

2 ( )





       ( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền bằng một số nguyên lần bước sóng thì dao động tổng hợp tại M có biên độ cực đại, aM.max = 2a

• Biên độ dao động tổng hợp cực tiểu khi hai sóng truyền đến ngược pha nhau:

1 2

1 2

2 ( )

2





( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền bằng một số nguyên lẻ lần nửa bước sóng thì dao động tổng hợp tại M có biên độ cực tiểu ( hay điểm M đứng yên) , aM.min = 0

• Biên độ sóng tổng hợp tại điểm M bất kỳ có độ lớn: aM = ( 1 2 )

2a cos( d d





Trường hợp 2: (Hai nguồn dao động cùng biên độ và ngược pha nhau)

Khi đó phương trình dao động của hai nguồn là:

u1 acos(  t); u2 acos( t  )

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn A truyền đến là:

) (

1

v

d t a

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn B truyền đến là:

2

2M cos ( d )

v

   

Độ lệch pha giữa hai sóng tại M là: 1 2

2 1

2 (  d d )





    

Phương trình sóng tổng hợp tại M : 2 cos( 1 2 ) os( 1 2 )

M

* Nhận xét:

• Biên độ dao động tổng hợp cực đại khi hai sóng truyền đến cùng pha nhau:

1 2

1 2

2 ( )

2





( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền bằng một số nguyên lẻ lần nửa bước sóng thì dao động tổng hợp tại M có biên độ cực đại, aM.max = 2a

• Biên độ dao động tổng hợp cực tiểu khi:

1 2

1 2

2 ( )

2







        ( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền bằng một số nguyên lần bước sóng thì dao động tổng hợp tại M có biên độ cực tiểu, aM.min = 0 , điểm M đứng yên

• Biên độ sóng tổng hợp tại M có độ lớn : 2 os( 1 2 )

2

M





Trường hợp 3: (Hai nguồn dao động cùng biên độ và vuông pha nhau)

Giả sử phương trình dao động của hai nguồn là:

u1 acos(  t); 2 cos( )

2

 Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn A truyền đến là:

) (

1

v

d t a

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn B truyền đến là:

2

M

d

v





Độ lệch pha giữa hai sóng tại M là: 1 2

2 1

2 ( )

2

  





     Phương trình sóng tổng hợp tại M :

M

* Nhận xét:

• Biên độ dao động tổng hợp cực đại khi hai sóng truyền đến cùng pha nhau:

1 2

1 2

2 ( )





         ( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền được xác định bằng công thức trên thì dao động tổng hợp có biên độ cực đại, aM.max = 2a

• Biên độ dao động tổng hợp cực tiểu khi hai sóng truyền đến ngược pha nhau:

1 2

1 2

2 ( )





         ( k = 0, 1,2,3 )

Vậy khi hiệu đường truyền được xác định bằng công thức trên thì dao động tổng hợp có biên độ cực tiểu, aM.min = 0

• Biên độ sóng tổng hợp tại M có độ lớn trong khoảng: 0 a M  2a, và được xác định bằng công thức: 2 os( 1 2 )

4

M





B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP.

Bài tập dạng 1: Xác định biên độ dao động tại một điểm M trong vùng giao thoa, khi biết khoảng cách từ M đến hai nguồn

Phương pháp : Xác định độ lệch pha giữa hai nguồn từ đó chọn công thức cho phù hợp để áp dụng

- Nếu hai nguồn kết hợp cùng biên độ, cùng pha thì : aM = ( 1 2)

2a cos d  d

 (1)

- Nếu hai nguồn kết hợp cùng biên độ, ngược pha thì: 2 os( 1 2 )

2

M





- Nếu hai nguồn kết hợp cùng biên độ, vuông pha thì:

1 2

4

M





- Nếu hai nguồn kết hợp cùng biên độ, lêch pha một góc  thì:

1 2

2

M

a  a c  



- Tổng quát: a M  a2 b2  2 os(ab c   ) (5); với 2 1 1 2 2 1

2 ( )







     

Bài tập vận dụng:

Bài 1: Tại hai điểm A và B trên mặt nước có hai nguồn sóng giống nhau với biên

độ 2cm, bước sóng là 20cm Điểm M cách A một khoảng 15cm, cách B một khoảng 10cm sẽ dao động với biên độ là bao nhiêu?

Hướng dẫn:

Vì 2 nguồn giống hệt nhau, nên chúng cùng pha cùng biên độ, vậy ta áp dụng công thức (1)

aM = ( 1 2 )

2a cos d  d

20

ĐS : aM = 2 2cm

Bài 2: Tại hai điểm A và B trên mặt nước có hai nguồn sóng giống nhau với biên

độ 5cm,bước sóng là 60cm Khoảng cách AB là 40cm Xác định biên độ dao

động tổng hợp tại điểm M, trên đường thẳng vuông góc với AB tại A, cách A một đoạn 30cm

Hướng dẫn:

Ta có: d2= MA=30cm; d1= MB=  2 2

Vì 2 nguồn giống hệt nhau, nên chúng cùng pha cùng biên độ, vậy ta áp dụng công thức (1)

aM = ( 1 2 )

2a cos d  d

60

ĐS : aM = 5cm

Bài 3: Tại hai điểm A và B trên mặt nước có hai nguồn sóng A,B dao động với phương trình:

1,5 os(50 ) ;

6 5 1,5 os(50 )

6

A

B









Vận tốc truyền sóng trên mặt nước là 1m/s Xác đinh biên độ dao động tổng hợp tại điểm M trên mặt nước, cách A một đoạn 25cm, cách B một đoạn 10cm

Hướng dẫn:

2 2 100

4 50

cm f



Dựa vào phương trình sóng ta thấy 2 nguồn dao động ngược pha cùng biên độ, vậy ta áp dụng công thức (2)

aM = ( 1 2 )

2

2.1,5 os 1,5 2

ĐS : aM = 1,5 2cm

Bài 4: Tại hai điểm A và B trên mặt nước có hai nguồn sóng A,B dao động với phương trình:

4 os(20 ) ;

2 os(20 )

3

A

B









Vận tốc truyền sóng trên mặt nước là 50cm/s Xác đinh biên độ dao động tổng hợp tại điểm M trên mặt nước, cách A một đoạn 25cm, cách B một đoạn 10cm

Hướng dẫn:

2 2 50

5 20

cm f



Độ lệch pha của hai sóng tại điểm M là: 1 2

2 ( )







     

2 (25 10)

6





ta áp dụng công thức tổng quát :

2 2 2 os( )

M

a  a b  ab c   = 42 22 2.4.2 os 28

3

ĐS : aM = 28cm

Bài tập dạng 2: Xác định số điểm dao động với biên độ khác biên độ cực đại, cực tiểu.

Phương pháp:Giả sử có hai nguồn sóng kết hợp đặt tại hai điểm A và B dao động với với phương trình tương ứng :

u1 acos( t 1); u2 bcos( t 2)

Gọi aM là biên độ dao động của điểm M nằm trên đoạn thẳng CD bất kỳ

amin=/a-b/ < aM < amax.= a + b

Ta áp dụng công thức : a M2 a2 b2  2 osab c   => cos  =>  

Thay   vào biểu thức 1 2

2 (d  d )

      

 => d1 – d2 Cho dmin < d1- d2 < dmax, ( với dmin = CB - CA, dmax = DB-DA , và dmin < dmax)

giải hệ phương trình này ta tìm được số giá trị của k, số giá trị của k bằng số điểm dao động với biên độ aM cần tìm

Một số trường hợp đặc biệt:

- Hai nguồn kết hợp cùng biên độ cùng pha, ta áp dụng công thức 1 => d1 – d2

- Hai nguồn kết hợp cùng biên độ ngược pha, ta áp dụng công thức 2 => d1 – d2

- Hai nguồn kết hợp cùng biên độ vuông pha, ta áp dụng công thức 3 => d1 – d2

- Nếu hai nguồn kết hợp cùng biên độ, lêch pha một góc  

Trường hợp đặc biệt: Nếu M nằm trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B ta có:

- AB < d1 – d2 < AB

Bài tập vận dụng.

Bài 1: Hai nguồn kết hợp A,B trên mặt chất lỏng, phát ra hai sóng cùng pha,

cùng biên độ a, khoảng cách AB bằng 10,5 Hỏi trên đoạn AB có bao nhiêu điểm dao động với biên độ a

Hướng dẫn:

Áp dụng công thức: aM = ( 1 2)

2a cos d  d

 = a => d1 – d2 = (2k + 1

3)

Vì M nằm trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B ta có:

- AB < d1 – d2 < AB => - 10,5< (2k + 1

3)< 10,5

=> - 5,4 < k < 5,06 => có 11 giá trị của k => có 11 điểm dao động với biên độ a trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B

Bài 2: Hai nguồn kết hợp A,B trên mặt chất lỏng, phát ra hai sóng ngược pha,

cùng biên độ a, khoảng cách AB bằng 61

12  Hỏi trên đoạn AB có bao nhiêu điểm dao động với biên độ a 2

Hướng dẫn:

Áp dụng công thức: 2 os( 1 2 )

2

M





  = a 2 => d1 – d2 = (2k - 1

4)

Vì M nằm trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B ta có:

- AB < d1 – d2 < AB => - 61

12 < (2k - 1

4)< 61

12 

=> - 2,4 < k < 2,6 => có 5 giá trị của k => có 5 điểm dao động với biên

độ a 2 trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B

Bài 3: Hai nguồn kết hợp A,B trên mặt chất lỏng, dao động với phương trình:

6 os(40 )

A

u  c t mmvà 8 os(40 )

3

B

u  c t mm khoảng cách AB bằng 15cm, tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 40cm/s, coi biên độ sóng không đổi khi truyền đi Hỏi trên đoạn AB có bao nhiêu điểm dao động với biên độ 1 cm

Hướng dẫn:

2 2 40

2 40

cm f



Ta áp dụng công thức : a M2 a2 b2  2 osab c   =>102 =62 + 82 + 2.6.8 cos 

=> cos  = 0 =>   = 2

2 k







Độ lệch pha của hai sóng là:

1 2

2 (d  d )

      

 = 2 ( 1 2 )

 = 2

2 k







=> d1 – d2 = 2k + 1

6 (cm)

Vì M nằm trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B ta có:

- AB < d1 – d2 < AB => - 15 < 2k + 1

6 < 15

=> - 7,6 < k < 7,4 => có 15 giá trị của k => có 15 điểm dao động với biên

độ 1cm trên đoạn thẳng nối hai nguồn A,B

Bài 4: Hai nguồn kết hợp A,B trên mặt chất lỏng, dao động với phương trình:

6 os(40 )

A

u  c t mmvà 8 os(40 )

3

B

u  c t mm khoảng cách AB bằng 15cm, tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 40cm/s, coi biên độ sóng không đổi khi truyền đi Hỏi trên đoạn DC có bao nhiêu điểm dao động với biên độ 13 mm Biết ABCD tạo thành hình vuông

Hướng dẫn:

2 2 40

2 40

cm f



D C

Ta có khoảng cách DA = CB = 15cm;

Ta áp dụng công thức : 2 2 2

2 os

M

a a b  ab c  

=>132 = 62 + 82 + 2.6.8 cos 

=> cos   2

2 =>   = 2

4 k







Độ lệch pha của hai sóng là:

1 2

2 (d  d )

      

 = 2 ( 1 2 )

 = 2

4 k







=> d1 – d2 = 2k - 1

12 (cm)

M nằm trên đoạn thẳng CD ta có:

DA - DB < d1 – d2 < CA - CB => 15 - 15 2 < 2k - 1

12 < 15 2-15

=> - 3,06 < k < 3,1 => có 7 giá trị của k => có 7 điểm dao động với biên

độ 13mm trên đoạn thẳng CD

C NHẬN XÉT

1, Phương pháp chung để giải bài tập xác định biên độ dao động tổng hợp tại một điểm trên vùng giao thoa có thể tổng hợp lại theo sơ đồ sau:

 

Xét biên độ, độ

lệch pha giữa hai Áp dụng Giải phương trình, nhận

2, Phương pháp chung để giải bài tập xác định số điểm dao động với biên

độ AM trên một đoạn CD bất kỳ trong vùng giao thoa

  

3, Kết quả thu được qua thực tế:

Qua thực tế giảng dạy ở các lớp 12 trong 3 năm gần đây, tôi đã áp dụng đề tài này trong các tiết ôn tập, củng cố kiến thức và vận dụng kiến thức, tôi thấy

các em nắm bắt bài rất nhanh, và vận dụng rất chính xác linh hoạt, các em có phần tự tin hơn khi làm bài tập

III KẾT LUẬN

Trong đề tài này với khả năng có hạn và thời gian không cho phép, tôi chỉ giám mạnh dạn trình bày một số phương pháp giải các bài tập xác định biên độ,

số điểm dao động với biên độ đã cho và một số ví dụ cụ thể áp dụng các phương pháp đó, vì qua thực tế giảng dạy khi tôi giới thiệu cho học sinh, các em tiếp thu rất nhanh, vận dụng linh hoạt chính xác

Xét biên độ, độ

lệch pha giữa

hai sóng truyền

đến để chọn

công thức tương

ứng

Xác định hiệu khoảng cách từ điểm C,D đến hai nguồn

Áp dụng công thức

Giải phương trình , nhận xét kết quả

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do kinh nghiệm giảng dạy còn hạn chế nên

đề tài của tôi chắc không tránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong được nhận xét và góp

ý chân thành của các đồng chi đồng nghiệp và các em học sinh để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn !

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO.

1 Các đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳng các năm gần đây

2 Sách giáo khoa Vật Lí 12 nâng cao

3 Những bài tập hay và điển hình Vật Lí 12 ( Nguyễn Cảnh Hòe)

4 121 bài toán dao động và sóng cơ học (Vũ thanh Khiết)

5 Một số phương pháp giải các bài toán vật lí sơ cấp (Vũ thanh khiết)

Hoàng Hóa, ngày 25 tháng 5 năm 2014 Tác giả: Lê Thị Hằng

PHẦN NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ

TỔ CHUYÊN MÔN

HĐKH TRƯỜNG THPT HOẰNG HÓA 4