nghiên cuu chương trình vật lý phổ thông sóng cơ, dao động cơ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ .   TIỂU LUẬN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG Đề tài: NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN “DAO ĐỘNG CƠ VÀ SÓNG CƠ” VẬT LÝ 12 THPT GVHD: PGS-TS Lê Công Triêm HVTH: Trần Thị Như Quỳnh Trần Thị Bích Ngọc Bounao Pathoumna Lớp: LL PP dạy học môn Vật lý Khóa: 24 Huế 3/2016 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU .3 NỘI DUNG Chương I: Nghiên cứu kiến thức chương “Dao động cơ” vật lý 12 trung học phổ thông Nghiên cứu dao động điều hòa, phương trình dao động điều hòa, tìm hiểu đại lượng đặc trưng cho dao động điều hòa biên độ, tần số, pha, pha ban đầu, li độ, vận tốc, gia tốc, đồ thị .7 Nghiên cứu hệ dao động gồm lắc lò xo, lắc đơn, lắc vật lý Nghiên cứu dạng dao động gồm dao động tự do, dao động tắt dần, dao động trì, dao động cưỡng Tống hợp hai dao động điều hòa phương, tần số Dao động học chuyển động học có tính chất lặp lặp lại nhiều lần không gian, theo thời gian Dao động tuần hoàn dao động mà trạng thái dao động vật lặp lại cũ sau khoảng thời gian Dao động tuần hoàn có mức độ phức tạp khác tùy theo vật hay hệ dao động Dao động tuần hoàn đơn giản dao động điều hòa Hình đồ thị biễu biễn phụ thuộc động vật dao động điều hòa vào thời gian, ta thấy hàm dao động hai giá trị W, lượng dao động điều hòa biến thiên liên tục từ động sang lại trở mãi .20 Các phương trình (1) (2) cho biết động dao động điều hòa hàm thời gian, ta xét lượng hàm li độ x Phương trình hàm li độ x là: Sử dụng định luật bảo toàn lượng để tìm động hàm li độ: 20 Giả sử có chất điểm M chuyển động tròn đường tròn tâm O, bán kính A, theo chiều dương (ngược chiều kim đồng hồ) với tốc độ góc (hình vẽ) .43 Chương II: Nghiên cứu kiến thức chương “Sóng cơ” vật lý 12 trung học phổ thông .47 Phân tích 60 KẾT LUẬN .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 MỞ ĐẦU Vật lý môn khoa học thực nghiệm, kiến thức vật lý gắn kết cách chặt chẽ với thực tế đời sống Nội dung chương trình Vật lý trung học phổ thông nước ta bao gồm nhiều phần khác học, nhiệt học, điện học, quang học, vật lý phân tử hạt nhân, phần thể nhiều đơn vị kiến thức khác Những tưởng với lượng kiến thức phong phú, đa dạng cung cấp học sinh biết sử dụng kiến thức vào giải thích tượng xãy ngày, vận dụng linh hoạt kiến thức phục vụ cho đời sống Nhưng điều không xãy ra, thực tế vật lý môn học học sinh cho khô khan khó hiểu Và nguyên nhân dẫn đến mâu thuẫn cách giảng dạy giáo viên Nhiều giáo viên trình giảng dạy chưa thật hiểu sâu sắc kiến thức truyền thụ, hiểu biết hạn chế mà biến công thức vật lý, thành công thức toán học khô khan không mang ý nghĩa Để tổ chức hoạt động dạy học môn Vật lý có hiệu quả, khiến kiến thức vật lý trở nên gần gũi, thân quen với học sinh, kích thích hứng thú học sinh việc nghiên cứu để hiểu sâu sắc kiến thức ý đồ xây dựng kiến thức sách giáo khoa nhiệm vụ quan trọng mà người giáo viên phải thực Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông môn học quan trọng giúp cho học viên có nhìn sâu sắc kiến thức vật lý, từ thực tốt nhiệm vụ dạy học trở lại trường phổ thông Nhằm hiểu sâu nội dung đơn vị kiến thức đồng thời làm tư liệu cho việc giảng dạy sau này, sâu vào nghiên cứu nội dung kiến thức dựa chuẩn kiến thức, kĩ cần đạt trình dạy học số lưu ý phương pháp cách hình thành kiến thức hai chương “ Dao động cơ” “Sóng cơ” vật lý 12 trung học phổ thông NỘI DUNG Chương I: Nghiên cứu kiến thức chương “Dao động cơ” vật lý 12 trung học phổ thông I Cấu trúc chương Tắt dần Các loại dao động Duy trì Cưỡng Cộng hưởng Dao động điều hoà Khảo sát động lực học lượng Các đại lượng đặc trưng DAO ĐỘNG CƠ Ứng dụng Con lắc lò xo Các lắc Con lắc đơn Con lắc vật lý Tổng hợp dao động \ II Chuẩn kiến thức kỹ Chủ đề 1.Dao động điều hòa Các đại lượng đặc trưng Mức độ cần đạt Về mặt kiến thức - Nêu khái niệm dao động điều hòa - Phát biểu định nghĩa đại lượng đặc trưng dao động điều hòa: chu kỳ, tần số, tần số góc, biên độ, pha, pha ban đầu Con lắc lò xo Con lắc đơn Sơ lược lắc vật lý - Viết công thức liên hệ chu kỳ, tần số, tần số góc dao động điều hòa - Nêu lắc lò xo(CLLX), lắc đơn (CLĐ), lắc vật lý(CLVL) - Viết phương trình động lực học phương trình dao động điều hòa CLLX, CLĐ - Viết công thức tính chu kỳ dao động CLLX, CLĐ, CLVL Nêu ứng dụng CLĐ CLVL việc xác định gia tốc rơi tự Dao động riêng Dao động tắt - Nêu dao động riêng, dao dần Dao động cưỡng Hiện tượng động tắt dần, dao động trì, dao động cộng hưởng Dao động trì cưỡng đặc điểm loại dao động - Nêu tượng cộng hưởng gì, đặc điểm điều kiện để xảy tượng Phương pháp giãn đồ Fre-nen - Trình bày nội dung phương pháp giản đồ Fre-nen - Nêu cách sử dụng phương pháp giản đồ Fre-nen để tổng hợp hao dao động điều hòa tần số phương dao động - Nêu công thức tính biên độ pha dao động tổng hợp tổng hợp hai dao động điều hòa phương tần số Về mặt kĩ -Giải tập CLLX, CLĐ - Vận dụng công thức tính chu kỳ dao động lắc vật lý - Biễu diễn dao động điều hòa băng vecto quay - Giải tập tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số phương pháp giãn đồ Fre-nen - Xác định chu kì dao động CLĐ CLLX gia tốc trọng trường thí nghiệm III Nhiệm vụ vị trí chương: Nhiệm vụ Nghiên cứu dao động điều hòa, phương trình dao động điều hòa, tìm hiểu đại lượng đặc trưng cho dao động điều hòa biên độ, tần số, pha, pha ban đầu, li độ, vận tốc, gia tốc, đồ thị Nghiên cứu hệ dao động gồm lắc lò xo, lắc đơn, lắc vật lý Nghiên cứu dạng dao động gồm dao động tự do, dao động tắt dần, dao động trì, dao động cưỡng Tống hợp hai dao động điều hòa phương, tần số Vị trí Chương chương đưa khái niệm dao dộng cơ, dao động tuần hoàn, dao động điều hòa… kiến thức sở để nghiên cứu kiến thức chương sau sóng cơ, dao động sóng điện từ, điện xoay chiều, quang lý… Chương kế thừa kiến thức chương “Động học chất điểm” “ Động lực học chất điểm”, “ Các định luật bảo toàn”, “ Động lực học vật rắn” kiến thức toán học hàm lượng giác, đồ thị …góp phần hình thành kiến thức chương IV Phân tích kiến thức chương Dao động, dao dộng tuần hoàn 1.1 Dao động Dao động chuyển động lặp lại nhiều lần theo thời gian Dao động học chuyển động học có tính chất lặp lặp lại nhiều lần không gian, theo thời gian 1.2 Dao dộng tuần hoàn Dao động tuần hoàn dao động mà trạng thái dao động vật lặp lại cũ sau khoảng thời gian Dao động tuần hoàn có mức độ phức tạp khác tùy theo vật hay hệ dao động Dao động tuần hoàn đơn giản dao động điều hòa 1.3 Cách xây dựng khái niệm dao động dao động tuần hoàn sách giáo khoa vật lý 12 trung học phổ thông Đây hai khái niệm đầu, sách giáo khoa không sâu xây dựng khái niệm dao động cơ, dao động tuần hoàn gì, mà thông qua tượng thường gặp đời sống ngày dây đàn rung động, thuyền nhấp nhô chổ neo, màng trống rung động, lắc đồng hồ… người học biết đặc điểm dao động chuyển động qua lại quanh vị trí cân dao động tuần hoàn sau khoảng thời gian (gọi chu kì) vật trở lại vị trí cũ với vận tốc cũ ,từ biết cách phân biệt dao động với với dao động điều hòa phân tích kĩ phần sau Dao động điều hòa 2.1 Khái niệm dao động điều hòa 2.1.1 Các quan niệm hình thành khái niệm dao động điều hòa Có nhiều quan niệm hình thành khái niệm dao động điều hòa, cụ thể: Quan niệm 1: Quan niệm mô tả dao động điều hòa theo cách mà chúng xãy ra, nói cách khác mô tả không gian thời gian dao động (động học) Dùng hàm điều hòa x = A cos( ωt + ϕ ) x = A sin ( ωt + ϕ ) để định nghĩa: “Dao động điều hòa chuyển động vật mà li độ biến đổi theo định luật dạng sin hay cosin theo theo thời gian, A, ω, φ số” Quan niệm : Quan niệm mô tả nguyên nhân gây dao động điều hòa (động lực học) Dùng biểu thức lực hồi phục F = −kx để định nghĩa: “Chuyển động điều hòa đơn giản chuyển động thực hạt có khối lượng m, tác dụng lực tỉ lệ với li độ hạt trái dấu” Quan điểm 3: Dùng phương trình vi phân x '' = −ω x hay x '' +ω x = để định nghĩa dao động điều hòa: “Dao động điều hòa vật dao động gia tốc vật hướng vị trí cân độ lớn tỉ lệ với li độ từ vị trí cân bằng” 2.1.2 Cách xây dựng khái niệm dao động điều hòa sách giáo khoa vật lý 12 trung học phổ thông Khái niệm dao động điều hòa sách giáo khoa xây dựng theo quan niệm 1: “Một vật thực dao động điều hòa tọa độ biên thiên theo thời gian hàm sin hay cosin x = A cos( ωt + ϕ ) ” phù hợp với đa số nhận thức học sinh theo số tác giả khái niệm hoàn chỉnh nhất, thể rõ yếu tố đặc trưng cho dao động điều hòa (như li độ, biên độ, tần số góc, pha ban đầu…) mà quan niệm khác thiếu Phương trình dao động điều hòa Trong Vật lý học, hai phương trình phương trình dao động điều hòa: x '' +ω2 x =0 (dạng vi phân) (1) x = Acos(ωt + φ) hay x = Asin(ωt + φ) (2) Phương trình (2) nghiệm phương trình vi phân (1) 2.2.1 Phương trình vi phân dao động điều hòa Trong tất tất trường hợp: lắc lò xo nằm ngang, lắc lò xo thẳng đứng, lắc đơn dao động nhỏ, lắc vật lý dao động nhỏ, phương trình vi phân chuyển động có dạng: x '' + ω x = (1) phương trình vi phân tuyến tính hạng hai Theo lý thuyết phương trình vi phân nghiệm tổng quát phương trình (1) có dạng: x = A sin ωt + A cos ωt (2) A1 A2 hai số tùy ý Giả sử giá trị hàm x đạo hàm theo thời gian x’ thời điểm ban đầu : t = 0, x = x( 0) , x' = x' ( 0) (3) xác định A1 A2 Biểu thức (3) gọi điều kiện ban đầu (1) Từ điều kiện ban đầu biểu thức (2) nghiệm tổng quát ta xác định giá trị số A1 A2 Cho t = 0, từ phương trình (2), ta có : x = A = x( 0) (4) Lấy đạo hàm (2) theo thời gian : x’ = ωA1cosωt - ωA2sinωt (5) Cho t = phương trình (5) x' ( 0) = ωA hay Α1 = x ' ( 0) ω Nghiệm (2) với giá trị A1 A2 xác định gọi nghiệm riêng phương trình (1) với điều kiện ban đầu (3) Nghiệm tổng quát (2) viết dạng : x = Acos(ωt + φ) (6) số tùy ý A, φ Hai biểu thức vế phải (2) (6) trùng với mối liên hệ số tùy ý sau: A= A12 + A22 A ϕ = arctan( ) A2 (7) (8) 10 Sóng khối: P, S sóng mặt: Love, Rayleigh Địa vật lý xếp sóng dọc sóng ngang vào dạng sóng khối (Body waves) dựa theo khả lan truyền vào khối vật chất sâu lòng đất, phân biệt với sóng mặt (Surface waves) lan truyền vùng bề mặt 1.2 Sóng dọc Sóng dọc (Longitudinal wave) hay sóng P, sóng mà phương dao động phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng, tạo đới nén dãn Sự nén dãn thay đổi áp suất môi trường nên sóng áp suất Trong loại sóng khả dĩ, sóng truyền theo dây kéo căng có lẽ sóng đơn giản Nếu tay truyền cho đầu sợi dây bị kéo căng giật mạnh lên, xuống, xung dọc theo dây từ phần tử sang phần tử khác Xung giống sóng, dạng xung đơn, dọc theo dây với vận tốc → v p Nếu chuyển động tay lên, xuống, theo chuyển động điều hòa đơn, sóng hình → sin kéo dài theo sợi dây với vận tốc v p Sóng dọc truyền nhanh sóng khác Sóng dọc truyền qua loại vật liệu bất kỳ, gồm chất lỏng, khí Nó truyền nhanh gần gấp đôi so với tốc độ sóng S Tốc độ truyền sóng dọc vp xác định theo công thức: K modul đàn hồi hay modul nén (Bulk Modulus), G modul ngang hay modul trượt (Shear modulus), 49 mật độ tự nhiên tính (Mg/m3 g/cm3) Môi trường xuất lực đàn hồi có biến dạng nén – dãn truyền sóng dọc Nói cách khác sóng dọc xuất môi trường chịu biến dạng thể tích Trong không khí nước, chúng sóng âm Tốc độ lan truyền sóng P 330 m/s không khí, 1450 m/s nước, khoảng 5000 m/s vật liệu cứng sắt thép, đá granit, Trong lòng Trái Đất tốc độ lan truyền 8000 m/s manti lõi Trong địa vật lý quan sát động đất trạm quan sát địa chấn thấy đến đầu tiên, nên có tên sóng P (Primary) tức sóng sơ cấp Ví dụ: Khi chúng ta nén lò xo buông tay ra, lò xo xuất đoạn lò xo bị nén lại đoạn lò xo dãn Sự nén dãn đoạn lò xo truyền dọc theo lò xo tạo nên sóng dọc 1.3 Sóng ngang Sóng ngang (Transverse wave, Shear waves) hay sóng S, sóng mà phương dao động phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng Sóng S truyền chậm sóng P, giá trị thường cỡ 60% tốc độ sóng P môi trường Sóng S truyền chất rắn thể vô định hình gần rắn, không truyền qua chất lỏng khí Tốc độ truyền sóng ngang vs xác định theo công thức: Các tham số điển hình đất đá Trái Đất cho tỷ số Vp/Vs vào cỡ 50 Trong quan sát động đất đến trạm quan sát địa chấn sau sóng P, nên có tên sóng S (Secondary) tức sóng thứ cấp Ví dụ: sóng truyền sợi dây dài ta rung nhẹ đầu theo phương vuông góc với sợi dây (hình 2.1.3) Sóng ngang xuất môi trường có tính đàn 1.4 Sóng mặt Sóng mặt (Surface waves) lan truyền bề mặt tiếp giáp pha vật chất rắn-không khí, nước-không khí, rắn-lỏng Bùn nhão phủ đá cứng xem gần lỏng sóng mặt xuất mặt đá cứng Sóng mặt nước điển hình sóng mặt Sóng mặt lan truyền chậm sóng P sóng S, dao động hạt môi trường có dạng phức tạp, biên độ giảm dần theo độ sâu Trong địa vật lý nghiên cứu địa chấn dẫn đến phân chia hai loại sóng mặt Sóng Rayleigh, gọi rung cuộn mặt đất (Ground roll) sóng mặt lan truyền có gợn sóng tương tự sóng mặt nước (Tuy nhiên ý rằng, sóng mặt nước chuyển động hạt tầng nước nông ngược dòng lực khôi phục vị trí hạt lực hấp dẫn, sóng Rayleigh sóng địa chấn khác lực khôi phục lực đàn hồi) Sự tồn sóng John William Strutt Lord Rayleigh, dự báo vào năm 1885, sau đặt theo tên ông Sóng Love sóng mặt ngang phân cực ngang (Shear Horizontal, SH), xuất môi trường nửa không gian vô hạn bị phủ lớp có bề dày hữu hạn Chúng đặt tên theo nhà toán học người Anh A.E.H Love, người tạo mô 51 hình toán học sóng năm 1911 Sóng lan nhanh sóng Rayleigh chút, vào khoảng 90% tốc độ sóng S, có biên độ lớn Trong trận động đất mạnh, sóng mặt có biên độ vài cm, sóng gây phá hủy 1.5 Môi trường truyền sóng Môi trường gọi đồng tính tính chất vật lí liên quan đến toán mà ta xét điểm Môi trường gọi đẳng hướng tính chất vật lí liên quan đến toán mà ta xét theo hướng Một môi trường đồng tính (hay đẳng hướng) với tính chất vật lí lại không đồng tính (hay đẳng hướng) với tính chất vật lí khác Ví dụ: đơn tinh thể đồng phương diện đàn hồi lại không đồng tính quang học tia Rơnghen Các chất kết tinh thuộc hệ lập phương đẳng hướng phương diện quang học, lại không đẳng hướng (dị hướng: phụ thuộc tính chất vật lí môi trường theo phương không gian) tính chất đàn hồi Các chất lỏng chất khí đẳng hướng với tính chất vật lí trường Môi trường gọi tuyến tính có tỉ lệ thuận đại lượng đặc trưng cho tác dụng bên lên môi trường đại lượng đặc trưng cho thay đổi trạng thái môi trường Những đặc trưng sóng 2.1 Chu kì 2.1.1 Định nghĩa Chu kì T sóng khoảng thời gian sau chuyển động phần tử sợi dây dao động (tại vị trí định trước nào) bắt đầu tự lập lại Trong hệ SI, đơn vị chu kì giây (s) 2.1.2 Biểu thức 52 Chu kì sóng xác định công thức: T = 2π ω 2.1.3 Chứng minh công thức tính chu kì Dựa vào hình ta viết biểu thức cho độ dời phần tử m sợi dây vị trí x , vào thời điểm t: u ( x, t ) = Am sin( kx −ωt ) Trong đó: A biên độ sóng, chữ m vế phải để cực đại, biên độ độ lớn độ dời lớn phần tử m theo phương k số sóng góc sóng: số lần bước sóng λ chứa khoảng chiều dài 2π phương truyền sóng ( k = 2π ), có đơn vị hệ SI radian mét λ ω tần số góc sóng, có đơn vị hệ SI radian giây, hay s −1 Trên hình 5, vị trí cố định lấy x = Nếu điều khiển sợi dây vị trí này, thấy chuyển động phần tử đơn độc sợi dây chuyển động lên, xuống cho biểu thức u (0, t ) = Am sin(−ωt ) = − Am sin ωt (2) Dựa vào định nghĩa chu kì áp dụng phương trình (2) cho đầu khoảng thời gian này, cân kết quả, ta được: u = − Am sin ωt = − Am sin ω (t + T ) = − Am sin(ωt + ωT ) Điều nếu: ωT = 2π Từđâysuyra: T = 2π 2π hay ω = ω T Trong hệ SI, chu kì T có đơn vị giây 2.2 Tần số 53 2.2.1 Định nghĩa Tần số f số chu kì đơn vị thời gian, thực phần tử cho sợi dây, sóng qua 2.2.2 Biểu thức f = ω = T 2π Trong hệ SI, đơn vị tần số Héc: héc ( Hz ) = dao động/s 2.3 Tốc độ truyền sóng (tốc độ sóng) Sóng thời điểm t = thời điểm t = ∆t Sóng truyền theo phương x tăng, toàn hình sóng truyền khoảng ∆x theo phương khoảng thời gian ∆t Biểu thức tốc độ sóng Chỉ xét tập trung vào phần tử đặc biệt A điểm có độ dời cực đại Theo phương trình (1), độ dời u xác định, cách gán giá trị định cho đại lượng ( kx − ωt ), đại lượng gọi pha sóng Đặt: kx − ωt = a = số (3) Theo phương trình (3), t tăng vị trí x phần tử A chuyển động phía x tăng (sang bên phải) Như thân sóng chuyển động phía x tăng Để tìm tốc độ sóng v ta lấy đạo hàm phương trình (3), ta k dx ω dx −ω = ⇒ =v= dt dt k (4) Kết (4) dương, không đổi nghiệm sóng lan truyền theo chiều x tăng, tức sóng lan truyền sang bên phải (hình 6) với tốc độ không đổi Vậy từ (4), biểu thức cho tốc độ sóng viết: v= ω 2π λ λ ⇒ v = = λf = k T 2π T (5) Phương trình (5) chứng tỏ sóng chuyển động bước sóng chu kì dao động Vậy định nghĩa tốc độ sóng sau: Tốc độ sóng quãng đường mà sóng truyền sau đơn vị thời gian 54 Giao thoa sóng 3.1 Hiện tượng giao thoa Dao động u1 M gây sóng từ nguồn O1, theo công thức (11’): 2πd1   u1 = A1 cos ωt −  (18) λ   Tương tự, dao động u2 M gây sóng từ nguồn O2: 2πd   u2 = A2 cos ωt −  (19) λ   Hình 2.5.3 Vì hai dao động phương nên M có tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số Hiệu số pha hai sóng bằng: ϕ2 − ϕ1 = − 2πd  2πd1  2π ( d1 − d ) = hằngsố (20) − − = λ λ  λ  Biên độ dao động tổng hợp M: A2 = A12 + A22 + A1 A2 cos 2π (d − d ) λ (21) Để thấy rõ kết giao thoa M, khảo sát biến thiên biên độ tổng hợp A theo hiệu sốkhoảngcách d − d1 55 Từ phương trình (21), ta thấy: Amax = A1 + A2 d − d1 = kλ , (với k số nguyên).Nhìn vào biểu thức đưa nhận xét: điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O1O2 số nguyên lần bước sóng dao động mạnh nhất: hai dao động truyền đến pha biên độ dao động cực đại, tức hai sóng tăng cường Toán học cho biết quỹ tích điểm M họ mặt hypebol tròn xoay có hai tiêu điểm chung O O2 Những đường hypebol liền nét hình 11 biểu diễn giao tuyến điểm M với mặt phẳng hình vẽ λ Cũng từ phươngtrình (21) ⇒ A = A1 − A , d − d1 = ( 2k + 1) Dựa vào biểu thức cho thấy điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O1O2 số lẻ lần nửa bước sóng dao động yếu nhất: hai dao động truyền đến ngược pha biên độ dao động cực tiểu, tức hai sóng làm yếu Toán học cho biết quỹ tích điểm M họ mặt hypebol tròn xoay có hai tiêu điểm O1 O2 Giao tuyến chúng với mặt phẳng qua O1O2 biểu diễn đường hypebol đứt nét hình 11, xen kẽ với đường hypebol liền nét nói Tóm lại, biểu thức trên, cho k nhận giá trị: k = ±1,±2,±3 xác định họ đường hypebol điểm có dao động với biên độ cực đại xen kẽ với họ đường hypebol điểm có dao động với biên độ cực tiểu Những cực đại ứng với k=0 nằm đường thẳng đường trung trực O1O2 Hiện tượng hai sóng kết hợp, gặp điểm xác định, luôn tang cường nhau, làm yếu gọi giao thoa sóng Lưu ý: - Các kết đúng với trường hợp pha ban đầu hai nguồn Nếu pha ban đầu hai nguồn khác tính toán tương tự kết khác với kết - Hiện tượng giao thoa xảy sóng ngang sóng dọc 56 3.2 Điều kiện để có tượng giao thoa Từ kết việc khảo sát trên, ta nhận thấy để có tượng giao thoa xảy hai sóng giao phải xuất phát từ hai nguồn dao động phương, tần số hiệu số pha không đổi theo thời gian Hai sóng thỏa mãn điều kiện gọi hai sóng kết hợp.Khi xuất đường cong cố định mặt nước nối điểm có biên độ dao động cực đại cực tiểu gọi vân giao thoa Sóng dừng Sau ta xét trường hợp đặc biệt giao thoa sóng, sóng dừng hay gọi sóng đứng Khái niệm Sóng dừng sóng tạo thành chồng chập hai sóng hình sin kết hợp, truyền theo phương ngược chiều có phương dao động trùng (hoặc gần trùng) Nếu sóng truyền từ môi trường có khối lượng riêng nhỏ tới phản xạ môi trường có khối lượng riêng lớn hơn, chỗ phản xạ xuất nút Nếu sóng truyền từ môi trường có khối lượng riêng lớn tới phản xạ môi trường có khối lượng riêng nhỏ chỗ phản xạ xuất bụng Lưu ý: Trong trình hình thành sóng dừng sóng tới sóng phản xạ liên tục truyền theo hai chiều ngược sóng tổng hợp chúng không truyền mà đứng (dừng) chỗ Vì mà sóng tổng hợp trường hợp gọi sóng đứng hay sóng dừng Điều kiện: Sợi dây có đầu cố định 57 (n= 1, 2, …) Sợi dây có đầu tự (m= 1, 2, …) Sóng âm 4.1 Khái niệm sóng âm Sóng âm định nghĩa cách khái quát sóng học qua chất khí, chất lỏng hay chất rắn Trong chất rắn sóng âm sóng ngang sóng dọc, lực đàn hồi xuất có biến dạng lệch, nén giãn Sóng âm sóng truyền môi trường khí, lỏng, rắn 4.2 Các đặc tính sinh lí âm Nhờ thính giác, người phân biệt ba đặc tính sinh lí âm: độ cao, âm sắc độ to 4.2.1 Độ cao âm Trong âm nhạc, nốt nhạc: do, re, mi, fa, sol, la, si, ứng với âm có độ cao tăng dần 4.2.2 Âm sắc Tai người phân biệt âm có độ cao (cùng tần số) phát nhạc cụ khác 4.2.3 Độ to âm Hai đại lượng dùng để đặc trưng cho độ mạnh âm cường độ âm độ to âm Cường độ âm đặc trưng cho độ mạnh âm phương diện vật lí, 58 Độ to âm đặc trưng cho độ mạnh âm phương diện sinh lí Hiệu ứng Doppler 5.1 Định nghĩa Hiệu ứng Doppler hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, tần số bước sóng sóng âm, sóng điện từ hay sóng nói chung bị thay đổi mà nguồn phát sóng chuyển động tương người quan sát Hiệu ứng Doppler thay đổi tần số sóng nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu 5.2 Biểu diễn toán học Đối với sóng chuyển động môi trường, sóng âm, nguồn sóng người quan sát chuyển động tương đối so với môi trường Hiệu ứng Doppler lúc tổng hợp hai hiệu ứng riêng rẽ gây hai chuyển động đó, vận tốc lan truyền sóng môi trường, vận tốc tương đối người quan sát môi trường, nhận giá trị dương người quan sát tiến lại gần nguồn âm, vận tốc tương đối nguồn môi trường, nhận giá trị dương nguồn dịch chuyển xa người quan sát Tần số tăng lên nguồn tiến phía người quan sát, giảm nguồn xa người quan sát (với điều kiện chuyển động nguồn người chuyển động đều) Cụ thể, nguồn di động môi trường phát sóng với tần số nguồn f0, người quan sát đứng yên môi trường nhận tần số f: 59 với c tốc độ lan truyền sóng môi trường, v thành phần vận tốc chuyển động nguồn so với môi trường theo phương đến người quan sát (âm phía người quan sát, dương ngược lại) Tương tự, nguồn đứng im người quan sát chuyển động: Đối với sóng điện từ (ví dụ ánh sáng), lan truyền mà không cần môi trường, hiệu ứng Doppler tính toán dựa vào thuyết tương đối Phân tích Trong hiệu ứng Doppler thật tần số nguồn sóng không bị thay đổi Để hiểu rõ nguyên nhân tạo hiệu ứng Doppler, thay đổi tần số, ta lấy ví dụ hai người ném bóng Người A ném bóng đến người B khoảng cách định Giả sử vận tốc trái bóng không đổi phút người B nhận x số bóng Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B nhận nhiều bóng phút khoảng cách họ bị rút ngắn Vậy số bước sóng bị thay đổi nên gây thay đổi tần số 5.3 Ứng dụng Một microphone cố định thu âm tiếng xe cảnh sát độ ngân khác tùy thuộc vào hướng tương đối chúng Một tiếng còi xe cấp cứu tiến đến ta có tần số cao (chói hơn) xe đứng yên Tần số giảm dần (trầm hơn) xe vượt qua ta nhỏ bình thường xe chạy xa 60 Nhà thiên văn học John Dobson giải thích tượng trên: "lý mà tiếng còi giảm xe không tông bạn" Nói cách khác, xe theo phương thẳng tới bạn, tần số giữ nguyên (vì thành phần vận tốc v theo phương tới bạn không đổi, chúng vượt qua bạn, chuyển sang tần số thấp Sự khác biệt tần số cao lúc tiến đến so với tần số chuẩn còi khác biệt tần số thấp lúc xa so với tần số chuẩn Khi xe không tông vào bạn mà qua mặt bạn, thành phần vận tốc theo phương tới bạn không giữ nguyên phương thay đổi tùy thuộc vị trí xe: Trong v thành phần vận tốc xe theo phương tới bạn, v0 tốc độ xe góc hướng di chuyển xe hướng nối từ xe đến bạn Súng bắn tốc độ Sử dụng chế radar hiệu ứng Doppler, phát bước sóng radio có tần số xác định f0 thu nhận tần số sóng radio f1 phản xạ ngược trở lại từ phương tiện giao thông di chuyển với vận tốc u Từ f0 f1 ta tính vận tốc phương tiện giao thông Không xảy với sóng âm mà xảy sóng siêu âm có bước sóng ngắn, sóng vô tuyến điện sóng ánh sáng KẾT LUẬN “Phương pháp nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông” phần quan trọng dạy học nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức trình bày sách giáo khoa vật lý phổ thông 61 Thông qua môn “ Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông”, thân học thêm nhiều kiến thức Tầm hiểu biết nhận thức nâng cao tạo thuận lợi cho thân luôn tự tin đứng bục giảng truyền thụ kiến thức nhân loại cho hệ học sinh Tuy nhiên điều kiện khả nghiên cứu thời gian ngắn nên tiểu luận nhiều hạn chế Nhưng với hướng dẫn thầy giáo PGS TS Lê Công Triêm, giúp đỡ góp ý chân tình bạn lớp đặc biệt nỗ lực cố gắng thân, hy vọng tiểu luận góp phần giải nhiều vấn đề đặt việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nói chung tài liệu tham khảo góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy giảng dạy vật lý trường trung học phổ thông 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Quang Bảo, Lê Nguyên Long, tư liệu vật lý cấp III, NXB Giáo dục 1976 Lương Duyên Bình, Dư Trí Công, Nguyễn Hữu Hồ, vật lý đại cương - tập 2, NXB Giáo dục 2008 Lương Duyên Bình ( chủ biên), vật lý đại cương - tập 1(cơ - nhiệt), NXB Giáo dục 2004 Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều , vật lý đại cương nguyên lý ứng dụng-tập 2, NXB Giáo dục 2005 Giáo trình vật lý đại cương, Trường Đại Học Cộng Nghiệp TP Hồ Chí Minh Lương Duyên Bình, Vũ Quang( chủ biên),vật lý 12 –SGK - NXB Giáo dục 2008 Lương Duyên Bình, Vũ Quang (chủ biên), vật lý 12 ban– SGV - NXB Giáo dục 2008 Lê Công Triêm, nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông, Đại học Huế 2004 David Haliday – Robert Resnick - Jearl Walker, sở vật lý tập II ( dich tiếng Việt), NXB Giáo Dục 2007 10 N.I.KARIKIN, K.N.BƯXTRÔV, P.X.KIRÊEV (2003), sách tra cứu tóm tắt vật lý, nhà xuất khoa học kỹ thuật 11 Tài liệu từ trang web thuvienvatly.com 63 [...]... v=0, động năng Wđ=0, x = -A, thế năng Wt = kA , cơ năng của 1 2 2 vật W = Wd + Wt = kA Sau đó vật đổi chiều chuyển động và quá trình lặp lại như cũ 3.2 Con lắc vật lý 3.2.1 Định nghĩa Con lắc vật lý là một vật rắn khối lượng M có thể dao động quanh một trục nằm ngang cố định (đi qua O) 3.2.2 Khảo sát dao động của con vật lý về mặt động lực học Xét con lắc vật lý: Gọi C là khối tâm Con lắc vật lý của vật. .. 2.2.2 Phương trình dao động điều hòa trong trong sách giáo khoa vật lý 12 trung học phổ thông Đối với sách giáo khoa vật lý 12 trung học phổ thông, tác giả chỉ dung phương trình dao động điều hòa dưới dạng x = Acos(ωt + φ), không đề cập đến phương trình vi phân vì: Phương trinh này cho biết vị trí của vật dao động tại một vị trí bất kì, rất giống với các phương trình chuyển động của chuyển động thẳng... cực đại của vật dao động điều hòa Biên độ phụ thuộc vào điều kiện kích thích, tức là phụ thuộc vào năng lượng làm vật dao động Biên độ luôn nhận giá trị dương và có cùng đơn vị với li độ Ý nghĩa: Biên độ A cho biết phạm vi dao động của vật 2.3.3 Pha của dao động (ωt + ϕ) là pha của dao động tại thời điểm t Đơn vị của pha dao động là radian (rad) Ý nghĩa: pha dao động cho biết trạng thái dao động (vị trí... nói rằng dao động của hệ là dao động tắt dần Dao động tắt dần là những dao động mà biên độ chúng giảm dần theo thời gian Quy luật giảm của biên độ phụ thuộc vào tính chất của các lực tác dụng lên vật 4.2.2 Nguyên nhân Khi vật dao động trong môi trường (không khí, nước, dầu,…) thì các phần tử môi trường tác dụng lực cản lên vật (lực đó gọi là lực ma sát) Lực ma sát làm cho cơ năng của vật dao động chuyển... dao động Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong giai đoạn đầu, dao động của hệ khá phức tạp Nó là sự tổng hợp của hai dao động: dao động riêng tắt dần dưới tác dụng của nội lực và dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn Sau một thời gian đủ lớn dao động tắt dần coi như không còn nữa, khi đó dao động của hệ là dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn Dao. .. thực hiện dao động điều hòa Tọa độ góc con lắc vật lý đối với những dịch chuyển nhỏ là: θ = θ 0 cos ( ω t + θ ) với ω = mgL I (2) Vậy dao động của con lắc là dao động điều hòa Với θ là tọa độ góc, biểu diễn tọa độ góc cực đại Chu kì con lắc vật lý: T = 2π I mgL (3) 3.2.3 Ứng dụng con lắc vật lý Dùng con lắc vật lý đo gia tốc trọng trường g Đặt con lắc tại một vị trí, đo chu kì T của con lắc dao động Dùng... gian~~~~~~~~~~~~~ Hình 1: Thế năng, động năng của dao động điều hòa phụ thuộc thời gian t với φ=0 Hình 2: Thế năng, động năng của dao động điều hòa phụ thuộc vào li độ x Hình 1 là đồ thị biễu biễn sự phụ thuộc của động năng và thế năng vật dao động điều hòa vào thời gian, ta thấy mỗi hàm đều dao động giữa hai giá trị 0 và W, năng lượng của dao động điều hòa biến thiên liên tục từ động năng sang thế năng rồi... bằng không 1 2 Đối với vật dao động điều hòa, cơ năng là không đổi và bằng W = kA20 Nhưng với vật dao động tắt dần cơ năng giảm dần theo thời gian Nếu sự tắt dần là nhỏ thì ta có thể tìm được cơ năng W(t) bằng cách thay A 0 trong công thức trên bằng A = A0 e− β t 1 2 là biên độ của dao động tắt dần Làm như vậy ta được W(t) = kA20 e − β t , nó cho ta biết rằng cơ năng của dao động tắt dần giảm theo... nghĩa: tần số góc cho biết mức độ nhanh chậm của dao động 2.3.8 Vận tốc trong dao động điều hòa Vận tốc tức thời của một vật dao động điều hòa là đạo hàm bậc nhất của li độ (x) của vật theo thời gian.’ Biểu thức vận tốc của vật dao động điều hòa : v = x' = - ωAsin(ωt + ϕ) = ωAcos(ωt + ϕ + π ) 2 Ý nghĩa của biểu thức: 13 Biểu thức cho biết vận tốc của vật dao động điều hòa cũng biến thiên điều hòa cùng chu... 0 Lực đàn hồi khi vật ở vị trí bất kỳ : F = k ( ∆l0 ) 3.1.3.2 Khảo sát dao động của con lắc lò xo thẳng đứng về mặt năng lượng Xét chuyển động của vật nặng có khối lượng trong con lắc lò xo thẳng đứng Vât dao động điều hòa với phương trình li độ x = A cos( ωt + ϕ ) , phương trình vận tốc v = - ωAsin(ωt + ϕ) Động năng của con lắc lò xo Động năng của con lắc lò xo là động năng của vật m: Wd = 1 2 1 mv