Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆTHỐNG HÓA KIẾNTHỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương3 SÓNG CƠ VÀ SÓNG ÂM I/. Sóng cơ. Phương trình sóng 1. Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường. Sóng cơ không truyền được trong chân không. 2. Sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng gọi là sóng ngang. Sóng có phương dao động trùng với phương truyền sóng gọi là sóng dọc. 3. Quá trình truyền sóng là quá trình truyền dao động từ nguồn sóng đến các phần tử của môi trường mà sóng truyền qua. Sóng có dạng hình sin nên gọi là sóng hình sin. 4. Sóng cơ được tạo thành nhờ lực liên kết đàn hồi giữa các phần tử của môi trường truyền dao động. Môi trường nào có lực đàn hồi xuất hiện khi bị biến dạng lệch thì truyền sóng ngang. Môi trường nào có lực đàn hồi xuất hiện khi bị biến dạng nén, dãn thì truyền sóng dọc. 5. Những đại lượng đặc trưng của chuyển động sóng + Biên độ của sóng (A) là biên độ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua. + Chu kỳ của sóng (T) là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua, nó bằng chu kỳ dao động của nguồn tạo sóng. Đại lượng 1 f T = gọi là tần số của sóng. + Tốc độ truyền sóng (v) là tốc độ truyền pha dao động trong môi trường. Đối với mỗi môi trường, tốc độ truyền sóng có một giá trị không đổi. + Bước sóng ( ) λ là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kỳ. v vT f λ = = Bước sóng cũng là khoảng cách giữa hai điểm trên một phương truyền sóng, gần nhau nhất và dao động cùng pha. Những điểm cách nhau một số nguyên lần bước sóng trên phương truyền thì dao động cùng pha. Những điểm cách nhau một số lẻ lần nửa bước sóng trên phương truyền thì dao động ngược pha. + Năng lượng sóng là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường có sóng truyền qua. Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng. Trong trường hợp không ma sát: + Năng lượng sóng không đổi nếu sóng truyền theo một đường thẳng. + Năng lượng sóng tỉ lệ nghịch với khoảng cách nếu sóng truyền trong một mặt phẳng. + Năng lượng sóng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nếu sóng truyền trong không gian. 6. Phương trình sóng: + Nếu dao động của nguồn sóng (tại gốc tọa độ) có dạng: ( ) u Acos t= ω thì phương trình sóng tại M có dạng M x x t x u Acos t Acos t Acos 2 v v T ω = ω − = ω − = π − ÷ ÷ ÷ λ Trong đó u là li độ vừa tuần hoàn theo thời gian vừa tuần hoàn theo không gian. A là biên độ ; x là tọa độ của điểm M. Nếu sóng truyền ngược chiều dương của trục Ox thì M t x u Acos 2 T v = π + ÷ + Nếu dao động của nguồn sóng (tại gốc tọa độ) có dạng: ( ) 0 u Acos t= ω + ϕ với 0 ϕ là pha ban đầu thì phương trình sóng tại M có dạng M 0 2 u Acos t x π = ω − +ϕ ÷ λ . 7. Độ lệch pha giữa hai điểm trên cùng một phương truyền sóng, cách nhau một khoảng d sẽ là Vật lý 12 nâng cao Trang 1 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương d 2 fd 2 d v v ω π π ∆ϕ = = = λ II/. Sóng dừng 1. Sự phản xạ của sóng: + Khi phản xạ trên vật cản cố định, sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới ở điểm phản xạ. + Khi phản xạ trên vật cản tự do, sóng phản xạ luôn cùng pha với sóng tới ở điểm phản xạ. 2. Sóng dừng: + Sóng truyền trên sợi dây trong trường hợp xuất hiện các nút và các bụng gọi là sóng dừng. + Khoảng cách giữa hai nút liên tiếp hoặc hai bụng liên tiếp bằng nửa bước sóng. + Sóng dừng là kết quả của hiện tượng giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ truyền theo cùng một phương. Dựa vào sóng dừng, ta có thể xác định được tốc độ truyền sóng. 3. Điều kiện để có sóng dừng: + Điều kiện để có sóng dừng trên sợi dây có hai đầu cố định là chiều dài của sợi dây phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng. ( ) n n 1,2,3 . 2 λ = =l . n bằng số bụng sóng quan sát được. + Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có một đầu cố định, một đầu tự do là chiều dài của sợi dây phải bằng một số lẻ lần 4 λ . ( ) ( ) 2n 1 n 0,1,2, . 4 λ = + =l Hay: ( ) m m 1,3,5, . 4 λ = =l + Khi có sóng dừng xảy ra trên một sợi dây đàn hồi thì khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp sợi dây duỗi thẳng sẽ bằng nửa chu kỳ của sóng. III/. Giao thoa sóng 1. Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn hoặc tăng cường nhau, hoặc làm yếu nhau được gọi là sự giao thoa của sóng. Hiện tượng giao thoa là hiện tượng đặc trưng của sóng. 2. Điều kiện để có hiện tượng giao thoa là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn kết hợp, nghĩa là hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian. Hai sóng do hai nguồn kết hợp tạo ra gọi là hai sóng kết hợp. 3. Vị trí cực đại và cực tiểu giao thoa: Với hai nguồn phát sóng kết hợp, cùng pha (hai nguồn đồng bộ) + Những điểm có biên độ dao động cực đại là những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ hai nguồn truyền tới bằng một số nguyên lần bước sóng. ( ) 2 1 d d k k 0, 1, 2, .− = λ = ± ± . Tại đó hai dao động thành phần cùng pha nhau. + Những điểm có biên độ dao động cực tiểu là những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ hai nguồn truyền tới bằng một số bán nguyên lần bước sóng. ( ) 2 1 1 d d k k 0, 1, 2, . 2 − = + λ = ± ± ÷ . Tại đó hai dao động thành phần ngược pha nhau. + Khi có sự giao thoa của hai sóng được tạo ra từ hai nguồn kết hợp 1 S và 2 S cùng pha. Ta xét: 1 2 S S n r= + λ (n là phần nguyên, r là phần thập phân) - Số điểm dao động với biên độ cực đại trên đoạn thẳng 1 2 S S bằng 2n +1 (số lẻ) - Số điểm dao động với biên độ cực tiểu trên đoạn thẳng 1 2 S S bằng 2n (nếu r < 0,5) và bằng 2n +2 (nếu r 0,5≥ ) (số chẵn). Nếu hai nguồn 1 S và 2 S ngược pha nhau thì kết quả ngược lại. 4. Khi có giao thoa sóng trên mặt nước, khoảng cách giữa hai cực đại (hoặc hai cực tiểu) giao thoa gần nhau nhất, nằm trên đường nối hai tâm dao động bằng nửa bước sóng. 5. Sự nhiễu xạ của sóng: Hiện tượng sóng khi gặp vật cản thì đi lệch khỏi phương truyền thẳng của sóng và đi vòng qua vật cản gọi là sự nhiễu xạ của sóng. IV/. Sóng âm 1. Sóng âm (gọi tắt là âm) là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn. Sóng âm không truyền được trong chân không. + Tần số âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm và không đổi trong quá trình truyền âm. Vật lý 12 nâng cao Trang 2 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi và khối lượng riêng của môi trường. Nó thay đổi theo nhiệt độ. + Trong chất khí và chất lỏng sóng âm là sóng dọc. Trong chất rắn sóng âm gồm cả sóng dọc và sóng ngang. + Sóng âm truyền đến tai người gây ra cảm giác về âm. Cảm giác về âm phụ thuộc vào nguồn âm và tai người nghe. + Những âm gây ra được cảm giác âm ở tai người gọi là âm nghe được, có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz. + Âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz gọi là hạ âm. Âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz gọi là siêu âm. 2. Đặc trưng vật lý của âm + Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lý quan trọng nhất của âm. Âm có tần số xác định, thường do nhạc cụ phát ra gọi là nhạc âm. + Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của cường độ âm là ( ) 2 W / m . + Mức cường độ âm: Đại lượng o I L lg I = gọi là mức cường độ âm của âm I (so với âm o I ). Trong đó ( ) 12 2 o I 10 W / m − = là cường độ âm chuẩn. Đơn vị mức cường độ âm là ben (B). Người ta thường dùng đơn vị là đêxiben (dB). Nếu tính theo đơn vị đêxiben thì: ( ) o I L dB 10lg I = Khi L = 10 dB = 1 B thì 1 0 I 10 I= ; L = 20 dB = 2 B thì 2 0 I 10 I= ; L = 30 dB = 3 B thì 3 0 I 10 I= ;… + Âm cơ bản và họa âm: Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f o thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra một loạt âm có tần số 2f o , 3f o , 4f o ,…có cường độ khác nhau. Âm có tần số f o gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất. Các âm có tần số 2f o , 3f o , 4f o ,…gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư,… Tập hợp các họa âm tạo thành phổ của nhạc âm. + Đồ thị dao động của âm:Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm ta được đồ thị dao động của nhạc âm đó. Đồ thị dao động của âm là đặc trưng vật lý của âm. Đồ thị dao động của cùng một nhạc âm do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hoàn toàn khác nhau. 3. Đặc trưng sinh lý của âm + Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lý của âm gắn liền với tần số âm. Âm có tần số lớn gọi là âm cao hay âm bổng, âm có tần số nhỏ gọi là âm thấp hay âm trầm. + Độ to của âm là đặc trưng sinh lý của âm gắn liền với tần số và mức cường độ âm. Với cùng một cường độ âm, tai người nghe được âm có tần số cao “to” hơn âm có tần số thấp. + Âm sắc: Các nhạc cụ khác nhau khi phát ra âm có cùng độ cao nhưng vẫn có sắc thái khác nhau. Đặc trưng đó của âm gọi là âm sắc. Âm sắc là đặc trưng sinh lý của âm nó dựa trên tần số và biên độ. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm. Âm sắc giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra. 4. Để gây ra được cảm giác âm ở tai người thì mức cường độ âm phải có giá trị ở trong miền nghe được. Miền nghe được nằm giữa ngưỡng nghe và ngưỡng đau. + Giá trị nhỏ nhất của mức cường độ âm mà còn gây ra được cảm giác âm ở tai người gọi là ngưỡng nghe. Ngưỡng nghe thay đổi theo tần số âm. + Khi mức cường độ âm đạt 130 (dB) ứng với cường độ âm ( ) 2 10 W / m đối với mọi tần số sẽ gây cho người nghe một cảm giác nhức nhối, đau đớn. Giá trị đó được gọi là ngưỡng đau. 5. Nguồn nhạc âm: + Dây đàn hai đầu cố định: Trên một sợi dây đàn có chiều dài l , được kéo căng bằng một lực không đổi, chỉ xảy ra sóng dừng với tần số nv f 2 = l Với n = 1 thì 1 v f 2 = l âm phát ra gọi là âm cơ bản. Vật lý 12 nâng cao Trang 3 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Với n = 2 thì 2 v f = l âm phát ra gọi là hoạ âm bậc 2. Với n = 3 ta có hoạ âm bậc 3, … + Với ống sáo có một đầu kín, một đầu hở sẽ xảy ra sóng dừng với tần số mv f 4 = l (m là số lẻ). Với m = 1 âm phát ra là âm cơ bản ; m = 3, 5, … ta có các hoạ âm bậc 3, bậc 5, … Các hoạ âm có số bậc lẻ. Chiều dài ống sáo càng lớn thì âm phát ra có tần số càng nhỏ, âm phát ra càng trầm. + Mỗi cây đàn dây, thường có một hộp đàn có hình dạng và kích thước khác nhau. Hộp đàn có tác dụng như một hộp cộng hưởng sẽ tăng cường âm cơ bản và một số hoạ âm khiến cho âm tổng hợp phát ra vừa to, vừa có một âm sắc riêng đặc trưng cho đàn đó. V/. Hiệu ứng Đốp-ple 1. Sự thay đổi tần số sóng do nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu gọi là hiệu ứng Đốp- ple. 2. Tần số của âm mà người quan sát (máy thu) nghe được: M S v v f ' f v v ± = m Trong đó: f là tần số của âm do nguồn âm phát ra ; v là tốc độ truyền âm. M v là tốc độ chuyển động của máy thu (lấy dấu (+) nếu máy thu chuyển động lại gần nguồn âm và lấy dấu (-) nếu máy thu chuyển động ra xa nguồn âm). S v là tốc độ chuyển động của nguồn âm (lấy dấu (-) nếu nguồn âm chuyển động lại gần máy thu và lấy dấu (+) nếu nguồn âm chuyển động ra xa máy thu). + Nếu máy thu chuyển động lại gần nguồn âm đứng yên thì M v v f ' f f v + = > . + Nếu máy thu chuyển động ra xa nguồn âm đứng yên thì M v v f ' f f v − = < . + Nếu nguồn âm chuyển động lại gần máy thu đứng yên thì S v f ' f f v v = > − . + Nếu nguồn âm chuyển động ra xa máy thu đứng yên thì S v f ' f f v v = < + . Vật lý 12 nâng cao Trang 4 . nghe. Ngưỡng nghe thay đổi theo tần số âm. + Khi mức cường độ âm đạt 130 (dB) ứng với cường độ âm ( ) 2 10 W / m đối với mọi tần số sẽ gây cho người nghe. tính theo đơn vị đêxiben thì: ( ) o I L dB 10lg I = Khi L = 10 dB = 1 B thì 1 0 I 10 I= ; L = 20 dB = 2 B thì 2 0 I 10 I= ; L = 30 dB = 3 B thì 3 0 I 10