Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hƣớng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý ở trường trung học phổ thông – phần dao động cơ, sóng cơ

Lí do chọn đề tài Vật lí học tiếng Anh: Physics, có nghĩa là kiến thức về tự nhiên là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong không gi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƢ PHẠM VẬT LÍ

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO

HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÝ

Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG PHẦN DAO ĐỘNG CƠ, SÓNG CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thị Thu Hiền Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thị Ngát

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân, tôi luôn luôn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình

và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn quý Cô PGS.TS Lê Thị Thu Hiền và quý Thầy PGS.TS Phạm Kim Chung người đã luôn hết lòng giúp đỡ

và hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học Giáo dục - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, tận tình chỉ bảo cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện và hoàn thành đề tài khóa luận

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến quý Thầy Cô, các anh chị và bạn bè làm việc tại Phòng Thí nghiệm Vật lí – Trường Đại học Giáo dục đã không ngừng hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng niên đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện khóa luận

Nguyễn Thị Ngát

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

4 Cấu trúc khóa luận 4

Chương I: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5

1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần Dao động cơ, Sóng cơ 5 1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần Dao động cơ và Sóng cơ 5

1.1.1.1 Dao động cơ 5

1.1.1.2 Sóng cơ 14

1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới 21

1.2.1 Dao động cơ 25

1.2.2 Sóng cơ 31

Chương 2: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 36

2.1 Thí nghiệm 1: Xác định chu kì dao động của con lắc đơn hoặc con lắc lò xo và đo gia tốc trọng trường 36

2.2 Thí nghiệm 2: Kiểm nghiệm quy luật dao động điều hòa của con lắc đơn 45

2.3 Thí nghiệm 3: Dao động cưỡng bức của con lắc 47

2.4 Thí nghiệm 4: Dao động cưỡng bức của con lắc gắn thanh móc với biên độ ghi lại 50

2.5 Thí nghiệm 5: Tần số của sóng dây đứng 55

2.6 Thí nghiệm 6: Nút dao động và bụng dao động như là hàm của tần số kích thích 58

2.7 Thí nghiệm 7: Sóng dừng 60

2.8 Thí nghiệm 8: Giao thoa sóng nước 61

2.9 Thí nghiệm 9: Đo tốc độ truyền âm trong không khí 64

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 69

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Vật lí học (tiếng Anh: Physics, có nghĩa là kiến thức về tự nhiên) là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực, nghiên cứu tìm hiểu các quy luật, các hiện tượng tự nhiên, các khái niệm về vật lí, các thuyết từ đó có thể rút ra được kết luận ứng dụng vào thực tế cuộc sống Vật lí học là một trong những bộ môn khoa học lâu đời nhất, với mục đích tìm hiểu sự vận động của vũ trụ Vật lí học cũng có những đóng góp quan trọng qua sự tiến bộ các công nghệ mới đạt được do những phát kiến lí thuyết trong Vật lí Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu biết về điện

từ học hoặc vật lí hạt nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát triển những sản phẩm mới, thay đổi đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay, như ti vi, máy

vi tính, laser, internet, các thiết bị gia dụng, hay là vũ khí hạt nhân; những tiến

bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển cách mạng công nghiệp và

sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy sự phát triển phép tính vi tích phân

Vì vậy, Vật lí học là cơ sở của nhiều ngành kĩ thuật quan trọng, sự phát triển của khoa học vật lí gắn bó chặt chẽ và tác động qua lại trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật [7, tr.13]

Mục tiêu của giáo dục phổ thông hướng tới là dạy học phải phát huy được tính tự chủ, tự giác, chủ động và sáng tạo của học sinh Điều đó đã được

cụ thể hóa tại điều 28 của Luật Giáo Dục (2005): “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của học sinh, phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; đem lại hứng thú học tập cho học sinh” Do vậy, đổi mới phương pháp giảng dạy các môn khoa học luôn luôn được gắn liền với thực tiễn là

một điều thiết yếu, trong đó Vật lí học không phải là một ngoại lệ Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, hầu hết các kiến thức vật lí đều được rút ra từ những quan sát và thí nghiệm Phương pháp thực nghiệm do Galilê sáng lập

ra và được các nhà khoa học khác hoàn chỉnh Spaski đã nêu lên thực chất của phương pháp thực nghiệm như sau: “Xuất phát từ quan sát và thực nghiệm, nhà khoa học xây dựng một giả thuyết (dự đoán) Giả thuyết đó không chỉ đơn thuần là sự tổng quát hoá các sự kiện thực nghiệm đã làm Nó còn chứa đựng một cái gì mới mẻ, không có sẵn trong từng thí nghiệm cụ thể Bằng phép suy luận lôgic và bằng toán học, các nhà khoa học có thể từ giả thuyết

đó mà rút ra một số hệ quả, tiên đoán một số sự kiện mới trước đó chưa biết đến Những hệ quả và sự kiện mới đó lại có thể dùng thực nghiệm mà kiểm tra lại được, và nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định một giả thuyết, biến giả thuyết thành định luật vật lí chính xác” [7, tr 38] Vật lí học ở phổ thông hiện nay chủ yếu là vật lí thực nghiệm Do vậy, phát triển chương trình môn học Vật lí giáo dục phổ thông dựa trên thực nghiệm, thiết kế và tiến hành các thí nghiệm vật lí trong các giờ dạy là một lựa chọn tất yếu, khách quan, hiệu quả cao và phù hợp với yêu cầu phát triển của xã hội Mục đích của thí nghiệm vật lí là giúp học sinh hiểu sâu sắc hơn phần lí thuyết, củng cố lí thuyết, kết hợp lí thuyết với thực hành Thí nghiệm vật lí còn rèn luyện cho học sinh tác phong khoa học thực nghiệm, góp phần xây dựng phương pháp độc lập nghiên cứu, suy luận thực tế cần thiết để sau này có cơ hội làm tốt công tác nghiên cứu khoa học Từ đó tạo cho sinh viên hứng thú khám phá và ứng dụng khoa học kĩ thuật vào thực tiễn

Trong những năm gần đây khi nền giáo dục chú trọng phát triển năng lực sáng tạo của học sinh trong quá trình học tập nhằm thực hiện được đồng thời cả hai mục tiêu: vừa giúp học sinh nắm vững kiến thức, vừa bồi dưỡng năng lực sáng tạo [9, tr 3] Vì vậy, phương pháp dạy học phải hướng tới việc

tạo điều kiện cho học sinh tự chiếm lĩnh kiến thức thông qua hoạt động thực nghiệm, những kiến thức vật lí mà giáo viên giảng dạy phải làm cho học sinh hiểu đúng đắn về thế giới tự nhiên, cho học sinh tin vào khả năng làm được của bản thân, tin tưởng vào các sự vật, hiện tượng xung quanh luôn tồn tại, luôn vận động, có nhiều điều học sinh chưa thấy, chưa giải thích được các hiện tượng, nhờ các thí nghiệm thực hành các em có thể tự tay lắp ráp, tiến hành thí nghiệm, quan sát và rút ra nhận xét, xử lý kết quả thí nghiệm, đưa ra kết luận, từ đó vận dụng những kiến thức đó vào cuộc sống để giải thích các hiện tượng xung quanh Tuy nhiên, thực trạng hiện nay cho thấy việc đề cập đến thực hành thí nghiệm vật lí vẫn còn hạn chế, các tiết dạy thực hành còn rất khiêm tốn và gặp nhiều khó khăn Thực trạng này tồn tại đã lâu, thiết nghĩ đây là một trong những nguyên nhân làm ảnh hưởng đến chất lượng dạy học vật lí hiên nay

Từ tình hình nghiên cứu lý luận và trên thực tế nên tôi đã chọn đề tài:

“THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG – PHẦN DAO ĐỘNG CƠ, SÓNG CƠ” làm khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu về kiến thức lý thuyết và xây dựng, tiến hành các thí nghiệm vật lí phần Dao động cơ và Sóng cơ sử dụng trong dạy học ở phổ thông theo chương trình giáo dục phổ thông mới

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý ở trường Trung học phổ thông – phần Dao động cơ và Sóng cơ áp dụng trong dạy học ở phổ thông theo chương trình giáo dục phổ thông mới nhằm nâng cao chất lượng học tập vật lí phổ thông của học sinh

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục đích đề ra, đề tài có những nhiệm vụ chủ yếu sau:

- Nghiên cứu chương trình giáo dục phổ thông mới

- Thiết kế thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông – phần Dao động cơ

và Sóng cơ

- Xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm

4 Cấu trúc khóa luận

Mở đầu

Chương 1 Cơ sở lý luận

Chương 2 Thiết kế thí nghiệm

Chương 3 Kết quả thí nghiệm

Kết luận và khuyến nghị

Tài liệu tham khảo

Chương I: CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Phân tích nội dung chương trình phổ thông phần Dao động cơ, Sóng

cơ

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần Dao động cơ và Sóng cơ

1.1.1.1 Dao động cơ Động học của dao động điều hòa

Định nghĩa: Một vật thực hiện dao động điều hòa nếu tọa độ của nó biến

thiên theo thời gian như một hàm sin hoặc cosin [5, tr 30]

Vận tốc và gia tốc của một vật dao động điều hòa tìm được bằng cách áp dụng công thức ở phần Động học

Ta có: = và = =

Động lực học của dao động điều hòa

Nguyên nhân gây ra dao động điều hòa do đâu? Ta

xét một vật khối lượng m gắn với một lò xo khối lượng

không đáng kể và có độ cứng k, bỏ qua ma sát, do đó tổng

hợp lực tác dụng lên vật chỉ là của lò xo Ta có lực đàn

hồi = - (kx) với x là tọa độ của vật được đo từ vị trí lò

xo ở trạng thái tự nhiên Lực này còn được gọi là lực hồi phục tuyến tính vì tỉ

lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x.i và được gọi là hồi phục vì lực luôn luôn ngược hướng với độ dịch chuyển Nếu x dương thì lực hướng về phía – x và ngược lại Lực này có xu hướng hồi phục vật về vị trí cân bằng và độ dịch chuyển càng lớn thì lực này càng lớn [4, tr 303-304] Vì lực lò xo chính bằng lực tổng hợp tác dụng, nên theo định luật II Newton F = ma, ta : - kx = m

Vì =

nên

= (*) Định luật II Newton bây giờ trở thành một phương trình vi phân đối với tọa độ Nghiệm của phương trình có thể viết dưới dạng: x = Acos (wt

+ Khi đạo hàm bậc hai của x đối với t là: = - Acos(wt + Thay vào phương trình (*) được: - Acos( wt + = Acos( wt + (2)

Như vậy phương trình (1) là nghiệm của phương trình (2) với

Điều này có nghĩa là vật thực hiện dao động điều hòa với tần số góc: w = √

Năng lượng của dao động điều hòa

Thế năng của dao động điều hòa được tạo bởi lò xo:

Trong hệ dao động coi chỉ có lực đàn hồi của lực đàn hồi thực hiện công,

do đó cơ năng E của hệ bằng:

Khi xét các năng lượng trên như các hàm của đồ thị Phương trình của thế năng như hàm của x là U = k Định luật bảo toàn năng lượng sẽ được dùng để tìm K như một hàm của li độ:

E = K + U = K + k

Hay: K = E - k = k - k = k ) [4, tr 305]

Đồ thị biểu diễn U và K theo x có cả hai đường cong đều là parabol có đỉnh tại x = 0

Con lắc đơn

Chuyển động tuần hoàn của con lắc đã đƣợc sử dụng trong đồng hồ quả lắc để điều chỉnh cơ cấu làm cho các kim chuyển động trên mặt số Đối với những dịch chuyển nhỏ khỏi vị trí cân bằng, con lắc sẽ thực hiện dao động điều hòa Con lắc đơn là con lắc có toàn bộ khối lƣợng tập trung vào một đầu

và cố định đầu còn lại

Trong những khoảng thời gian cách đều nhau, có sự trao đổi năng lƣợng qua lại giữa động năng và thế năng Động năng cực đại khi quả lắc ở vị trí thấp nhất còn thế năng hấp dẫn cực đại khi quả lắc ở vị trí cao nhất trong chuyển động [4, tr 309 -310]

Quả lắc chuyển động trên một cung tròn có thành phần gia tốc góc:

và thành phần gia tốc dài

Tọa độ góc của con lắc đơn đối với nhƣng dịch chuyển nhỏ là:

= Acos( wt + với w = √

Chu kỳ T = 2 √ là độc lập với khối lƣợng của quả lắc, nó chỉ phụ thuộc vào chiều dài L và g Nếu chu kỳ của con lắc đƣợc xác định bởi các phép đo thời gian chính xác thì con lắc có thể đƣợc dùng để đo g

Con lắc vật lí

Con lắc vật lí là một vật rắn quay quanh một trục O nằm ngang cố định Khối lượng của con lắc vật lí được phân bố dọc theo chiều dài của nó với khối tâm C cách trục quay một khoảng bằng L Vị trí cân bằng với khối tâm nằm phía dưới và trên đường thẳng đứng đi qua điểm treo Nếu con lắc được kéo

ra khỏi vị trí cân bằng thì thành phần của momen trọng lượng sẽ có xu hướng làm quay theo chiều kim đồng hồ và kéo con lắc về vị trí cân bằng

Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động quay ta xác định được momen trọng lực ∑ = - mgLsin

Khi xét những dịch chuyển nhỏ sin có

Tọa độ góc: = Acos( wt + với w = √ [4, tr 312]

Dao động điều hòa với chuyển động tròn đều

Xét một hạt hay một điểm Q chuyển động với tốc độ v không đổi trên vòng tròn bán kính A Đường bán kính OQ kẻ từ gốc tới điểm Q tạo một góc với hướng dương của trục x Vì Q chuyển động với tốc độ không đổi, nên góc biến đổi đều và

= Vì w không đổi = wt + , trong đó pha ban đầu là giá trị ban đầu của

Thông qua tọa độ, vận tốc và gia tốc ta thấy rằng thành phần x của chuyển động của hạt trên vòng tròn bán kính A với tốc độ góc w không đổi tương đương với dao động điều hòa của một hạt với biên độ A, tần số góc w Các kết luận tương tự cũng đúng với thành phần y của chuyển động [4, tr

314 – 316]

Dao động tắt dần

Xét một vật nối với một lò xo và dao động theo phương

thẳng đứng quanh vị trí cân bằng tại y

Ta thấy thành phần tổng hợp ∑ = - ky và chuyển động là dao động điều hòa nếu bỏ qua các hiệu ứng hao tán năng lượng Ta có thể nghiên cứu các hiệu ứng hao tán năng lượng bằng cách thêm vào một cơ cấu gây tắt dần như được cho trong hình bên Một cánh – là một phần của vật dao động – nằm trong chất lỏng và bị chất lỏng tác dụng một lực cản hay lực gây tắt dần Lực này sẽ tác dụng ngược chiều với vận tốc của vật Bằng cách thay đổi hình dạng của cánh và các chất lỏng khác nhau có thể làm cho lực gây tắt dần lớn hoặc nhỏ

Ta có lực tắt dần tỉ lệ với vận tốc của vật nhưng ngược hướng: = -

bv với b là hằng số phụ thuộc bản chất của chất lỏng và hình dạng của cánh

Vì lực này ngược chiều với vận tốc nên nó sinh công m đối với mọi dịch chuyển của vật, tức là cơ năng của dao động giảm dần

Dựa vào định luật II Newton, ta có:

∑ = - ky - b = m => = - - Đây là phương trình chuyển động của dao động tử điều hòa tắt dần [4, tr 318]

Dao động cưỡng bức và cộng hưởng

Dao động tắt dần cuối cùng sẽ trở về trạng thái đứng yên nếu cơ năng của nó bị tiêu hao hết và không được cũng cấp bởi một lực dẫn động Ví dụ một đứa bé ngồi xích đu có thể đung đưa rất lâu nếu thỉnh thoảng ta lại đẩy một cái theo hướng vận tốc Đa số dao động trong các máy móc và trong các mạch điện đều là các dao động cưỡng bức, tức là các dao động được tạo ra và duy trì bởi một ngoại lực hoặc tác động bên ngoài

Giả sử có một ngoại lực tác dụng vào một dao động tử chuyển động dọc theo trục x (vật gắn với một lò xo): = cos t với là độ lớn cực đại của ngoại lực và thành phần x của ngoại lực biến thiên tuần hoàn với vận tốc góc

Kết hợp với định luật II Newton, ta có:

Sự tăng mạnh biên độ dao động khi được gọi là sự cộng

hưởng Cộng hưởng cũng có thể xảy ra khi một hệ dao động bất kỳ dẫn động

bởi một hệ dao động khác hoặc liên kết với một hệ dao động khác, nếu các tần

số của hai hệ gần như nhau Cộng hưởng vừa có lợi vừa có mặt hạn chế Ví

dụ, dạng đặc trưng của cây đàn ghita cho phép nó có sự liên kết cộng hưởng giữa dây đàn rung và không khí rung trong hộp đàn Radio hay máy thu hình

đều được điều chỉnh để có sự cộng hưởng với tần số của tín hiệu đến máy thu Ngược lại, mặt hạn chế của sự cộng hưởng khi ta xét trường hợp một xe ôtô

có tần số đặc trưng phụ thuộc vào khối lượng và độ cứng của lò xo giảm xóc Giả sử xe có một bánh mất thăng bằng với một tốc độ đặc biệt nó làm cho xe rung mạnh ở cộng hưởng của nó khiến cho hành khách bị xóc

1.1.1.2 Sóng cơ

Sự hình thành sóng cơ trong môi trường vật chất

Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ Ta gọi vật gây ra kích động là nguồn sóng, phương truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng Các sóng âm, sóng trên dây đàn và các sóng nước đều là ví dụ của sóng cơ [4,

tr 337]

Khi một sóng truyền qua một môi trường, thì các phân tử của môi trường không chuyển động cùng với sóng Giả sử bạn buộc một đầu của sợi dây vào một cái cột, kéo căng sợi dây theo phương ngang và sau đó rung một đầu để có một sóng chuyển động dọc theo sợi dây Sóng chuyển động dọc theo chiều dài của sợi dây nhưng một phần tử của sợi dây chỉ dao động xung quanh một tâm điểm Khi ta mô tả chuyển động liên kết với một sóng, ta phải phân biệt hai dạng chuyển động: chuyển động của sóng đi qua môi trường và chuyển động của các phân tử của môi trường Để phân biệt các loại sóng người ta dựa vào phương dịch chuyển của các phân tử so với phương truyền sóng Sóng ngang là sóng trong đó các phân tử dao động vuông góc với phương truyền sóng Sóng dọc là sóng trong đó các phân tử dao động song song với phương truyền sóng

Phương trình truyền sóng

Bằng cách nghiên cứu các đạo hàm của hàm sóng đối với một sóng điều hòa, ta có thể dẫn ra một phương trình vi phân được gọi là phương trình sóng Trước hết hãy xét đạo hàm của y theo t, khi giữ x không đổi, đó là đạo hàm riêng

Đạo hàm này cho thành phần y của vận tốc của một phần tử

Vì y(x,t) = – nên: - y(x,t) (1)

Tiếp theo ta xét đạo hàm của y theo x khi giữ t không đổi:

Phương trình này là phương trình sóng Vì các đạo hàm của một hàm sóng điều hòa sinh ra phương trình này nên hàm sóng của một sóng điều hòa thỏa mãn phương trình sóng [4, tr 345 - 347]

Sự giao thoa của sóng

Nếu hai hoặc nhiều sóng tồn tại trong cùng một vùng không gian thì các sóng sẽ giao thoa nhau Tức là khi các sóng riêng rẽ được chồng lên nhau, chúng sẽ tổ hợp lại để sinh ra một sóng tổng hợp Cùng nghiên cứu về các hiện tượng liên quan tới giao thoa tăng cường và hủy nhau; nghiên cứu về sóng dừng

Sự giao thoa tăng cường và hủy nhau

Hãy xét sự giao thoa của hai sóng điều hòa, các sóng 1 và 2:

= A sin (kx – wt +

= A sin (kx – wt +

Hai sóng chạy theo cùng một chiều và cùng biên độ A, số sóng k và tần số w nhưng khác hằng số pha của chúng có thể khác nhau Hiệu pha giữa các sóng này là:

( kx – wt + - ( kx – wt + =

Đồ thị trên đã chỉ ra được hiệu pha của mỗi sóng Nếu thì ta nói hai sóng cùng pha và nếu thì ta nói hai sóng này lệch pha nhau với hiệu

số pha

Để tìm được sóng tổng hợp y tạo ra bởi sự giao thoa ta dùng nguyên lý chồng chập: y = = A[ sin( kx – wt + + sin( kx – wt + ]

Dùng đẳng thức: sin = 2 sin [ sin( ]cos[ sin( ] ta có:

y = [2A cos sin [kx –wt + )]

Từ phương trình trên ta thấy:

1 Sóng tổng hợp y là một sóng điều hòa cùng tần số góc w và cùng chiều truyền như các sóng thành phần

2 Biên độ của y là |2A cos phụ thuộc hiệu pha giữa các sóng thành phần

Giả sử hiệu số pha giữa bằng 0 hoặc bằng nguyên lần của 2 , tức hai sóng cùng pha nhau Khi đó = 2k với k = 0, ; cos = 1 và biên độ của y là 2A Dạng này của sự giao thoa được gọi là

sự giao thoa tăng cường nhau Khi giao thoa tăng cường nhau thì sóng tổng hợp có biên độ lớn gấp đôi biên độ của hoặc , nếu từng sóng đó tác dụng độc lập

Giả sử hiệu số pha giữa ngược pha nhau Khi đó = hoặc (2k với k = 0, ; cos = cos = 0 và biên

độ của y là 2A cos = 0 Dạng này của sự giao thoa được gọi là sự giao thoa hủy nhau Khi giao thoa hủy nhau thì sóng tổng hợp không tồn tại vì chồng chập lên nhau

Đối với các giá trị khác của hiệu pha , sóng tổng hợp có biên độ trung gian giữa 2A và số không [4, tr 353 - 355]

Sóng dừng

Hiện tượng sóng dừng là sự giao thoa của hai sóng điều hòa có cùng biên

độ, cùng bước sóng, truyền cùng phương nhưng ngược chiều nhau Xét sóng dừng sinh ra trên một ống cao su dài được rung một đầu ống [4, tr 355 - 357]

Để thấy các sóng được tạo thành như thế nào, ta xét sự giao thoa của hai sóng điều hòa có cùng biên độ, số sóng và tần số góc nhưng chạy ngược chiều

nhau: Asin( kx – wt) và Asin( kx + wt) Đặt là sóng tới và là sóng phản xạ Dùng nguyên lý chồng chất, ta có:

y = = Asin(kx – wt) + Asin(kx + wt)

Biến đổi lượng giác ta được hàm đối với sóng dừng: y( x,t) = 2Acos(wt).sin(kx)

Thấy rằng phần tử riêng rẽ của sợi dây thực hiện dao động điều hòa với biên

độ bằng |2Asin(kx)| Biên độ này có giá trị cực đại là 2A tại vị trí mà:

* |sin(kx)| = 1 hay kx = Các vị trí này của biên độ cực đại gọi là bụng sóng Vì k =  nên các vị trí của các bụng sóng là:

= ( n + ) 

( n = 0, 1, 2,…) Các bụng sóng các nhau một nửa bước sóng và được ký hiệu bằng chữ B

* |sin(kx)| = 0 hay kx = Các vị trí này của biên độ cực tiểu gọi là nút sóng Vì k =  nên các vị trí của các nút sóng là:

= n 

, ( n = 0, 1, 2,…) Các nút sóng các nhau một nửa bước sóng và được ký hiệu bằng chữ N

Sóng âm

Khái niệm

Dao động được truyền đi từ nguồn âm trong không khí tạo thành sóng

âm, có cùng tần số với nguồn âm Sóng âm truyền đến tai, làm màng nhĩ tai dao động, cho ta cảm giác về âm Cảm giác âm phụ thuộc vào nguồn âm và tai người nghe [3, tr 57]

Sóng âm là những sóng cơ lan truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí (không truyền được trong chân không) Sóng âm truyền trong môi trường chất khí, chất lỏng là sóng dọc, trong môi trường chất rắn thường là sóng ngang

Độ cao của âm

Số dao động trong 1 giây gọi là tần số f (Hz) Tần số dao động càng lớn thì

âm thanh càng "cao" và ngược lại

Độ to của âm

Cường độ âm I (W/m) là năng lượng được sóng âm truyền qua một đơn

vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian

Để so sánh cường của một âm với cường độ âm tiêu chuẩn người ta dùng đại lượng mức cường độ âm (L):

hoặc

Độ to của âm: là một đặc tính sinh lý phụ thuộc vào cường độ âm và tần

số của âm Do đặc điểm sinh lý của tai nên : ngưỡng nghe  cường độ âm  ngưỡng đau Ngưỡng nghe thay đổi theo tần số của âm Ngưỡng đau là cường

độ âm lớn tới mức tạo cảm giác đau trong tai Ngưỡng đau có giá trị là 10W/m2 đối với mọi tần số âm, ứng với mức cường độ âm là 130dB

Âm sắc

Các nhạc cụ khác nhau phát ra các âm có cùng một độ cao nhưng tai ta

có thể phân biệt được âm của từng nhạc cụ, đó là vì có âm sắc khác nhau

Âm có cùng một độ cao do các nhạc cụ khác nhau phát ra có cùng một chu kì nhưng đồ thị dao động của chúng có dạng khác nhau

Vậy, âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động

âm tổng hợp có âm sách riêng đặc trưng cho mỗi loại nhạc cụ

Hiệu ứng Đốp – ple

Hiệu ứng Đốp – ple là sự thay đổi tần số của âm thanh do một máy thu thu được khi máy thu hoặc nguồn âm hoặc cả hai chuyển động đối với nhau Khi nguồn âm tiến lại gần người quan sát thì người này nhận biết được sóng

âm có tần số lớn hơn so với tần số của nguồn âm và ngược lại

1.1.2 Những yêu cầu chương trình phổ thông mới

Mục tiêu của chương trình là đổi mới căn bản toàn diện, kết hợp việc dạy làm người và định hướng nghề nghiệp, góp phần chuyển biến từ truyền thụ kiến thức sang phát triển phẩm chất năng lực người học GS Nguyễn Minh Thuyết cho rằng chương trình hiện hành được xác định là nặng nề là do chương trình và sách giáo khoa có quá nhiều kiến thức hàn lâm, cách dạy áp đặt một chiều Vì vậy, để giảm tải cho học sinh, cần thay đổi đồng bộ tất cả những điều này Chương trình mới nhấn mạnh phát triển năng lực thì phải trả lời câu hỏi: Học sinh học xong để làm gì, chứ không phải là học được gì? Vì

mục tiêu đó, theo GS Nguyễn Minh Thuyết, chương trình các môn học đều được xây dựng theo hướng mở, chú trọng yếu tố thực hành, giảm kiến thức hàn lâm, để học sinh không quá áp lực trong việc học tập

Ở Trung học phổ thông, Vật lí là môn học thuộc nhóm môn khoa học tự nhiên, được lựa chọn theo nguyện vọng của học sinh Chương trình chú trọng vào bản chất, ý nghĩa vật lí của các đối tượng, đề cao tính thực tiễn; tránh khuynh hướng thiên về toán học; tạo điều kiện để giáo viên giúp học sinh phát triển tư duy khoa học dưới góc độ vật lí, khơi gợi sự ham thích ở học sinh, tăng cường khả năng vận dụng tri thức vào thực tiễn Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng các mô hình vật lí và toán học, chương trình chú trọng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của sự vật, hiện tượng vật lý thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dưới các góc độ khác nhau Theo chương trình phổ thông mới, phần Dao động cơ và Sóng cơ được phân bố chương trình lớp 11 với nội dung yêu cầu cần đạt như sau [9, tr 11]:

− Nêu được khái niệm nguồn sóng kết hợp

− Nêu các điều kiện cần thiết để quan sát được hệ vân giao thoa

− Vận dụng công thức i = , giải được các bài tập giao thoa ánh sáng qua hai khe hẹp

2 Dao động

Dao động

điều hoà

− Định nghĩa được: biên độ, chu kì, tần số, tần số góc,…

− Vận dụng được các khái niệm: biên độ, chu kì, tần số, tần

số góc, độ lệch pha để mô tả dao động điều hoà

− Sử dụng được phương trình a = để định nghĩa dao

động điều hoà

− Nêu và sử dụng được các phương trình về li độ và vận tốc của dao động điều hoà

− Sử dụng đồ thị mô tả được: độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc

đã cho để rút ra kết luận cũng giúp người học phát triển năng lực tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức ở THPT

1.2.1 Dao động cơ

Cấu trúc chương trình

Theo chương trình giáo dục phổ thông mới chương Dao động cơ được phân bố trong chương trình học lớp 11 với các nội dung chính: Dao động điều hòa; Năng lượng trong dao động điều hòa; Dao động tắt dần và dao động cưỡng bức , hiện tượng cộng hưởng Với các nội dung trên tôi đã grap lại nội dung của chương dưới dạng sơ đồ sau:

Phân tích chương trình

Dao động – dao động tuần hoàn

 Dao động là sự lặp đi lặp lại nhiều lần một trạng thái của một vật nào

đó Trong cơ học, dao động là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp

đi lặp lại nhiều lần quanh vị trí cân bằng

DAO ĐỘNG

CƠ

Các loại dao động khác

Tắt dần

Duy trì Cưỡng bức Cộng hưởng

Dao động điều hòa

Khảo sát về động lực học và năng lượng

Các đại lượng đặc

trưng

Các con lắc: con lắc đơn, con lắc lò

xo, con lắc vật lý

 Dao động tuần hoàn là hiện tượng cứ sau một khoảng thời gian xác định trạng thái dao động được lặp lại như cũ

Tần số dao động – chu kỳ

 Tần số f (Hz) là số dao động được hoàn thành sau mỗi giây

1Hz = 1 dao động trong một giây= 1 s-1

 Chu kỳ là thời gian thực hiện một dao động toàn phần: T = (s)

Dao động điều hòa

 Khái niệm

 Quan niệm 1: Dùng hàm điều hòa x Acost hoặc xAsint

để định nghĩa : “Dao động điều hòa là chuyển động của một vật mà li độ

biến đổi theo định luật dạng sin hay cosin theo theo thời gian, trong đó

A, ω, φ là những hằng số”

 Quan niệm 2: Dùng biểu thức của lực hồi phục F  kx để định nghĩa :

“ Chuyển động điều hòa đơn giản là chuyển động thực hiện bởi một hạt

có khối lượng m, dưới tác dụng của một lực tỉ lệ với li độ của hạt nhưng trái dấu”

 Quan điểm 3: Dùng phương trình vi phân x'' 2x hay x''2x0 để

định nghĩa dao động điều hòa: “ Dao động điều hòa của một vật là dao

động trong đó gia tốc của vật:

 Phương trình dao động

 Có hai cách thiết lập phương trình dao động điều hòa: phương pháp động lực học (x = Acos( ωt + φ)), phương pháp năng lượng (x’’ + x = 0)

 Các đại lượng đặc trưng

 Li độ (m): Là độ lệch của vật so với vị trí cân bằng Biểu thức li độ của vật dao động điều hòa: x Acost

 Biên độ (m): Là li độ cực đại của vật dao động điều hòa

 Pha dao động: Là đại lượng xác định trạng thái của quá trình dao động tại mỗi điểm

 Độ lệch pha: Độ lệch pha được xác định bằng hiệu số pha ban đầu của

Cho vật dao động điều hòa với phương trình : x Acost

Thế năng của con lắc lò xo tại thời điểm t:

Con lắc đơn

 Định nghĩa: Con lắc đơn gồm vật nặng có kích

thước nhỏ, có khối lượng m, treo ở đầu một sợi dây

mềm không giãn có độ dài

   g

1 2

g f

a a

mgl mv

hệ là dao động tắt dần

Dao động duy trì

C

O

 Khái niệm: Muốn giữ cho biên độ dao động của vật không đổi mà không làm thay dổi chu kì riêng của nó, người ta dùng một hệ thống nhằm cung cấp cho nó sau mỗi chu kì một phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng tiêu hao do ma sát Dao động của vật được duy tri theo cách này gọi là dao động duy trì

Dao động cưỡng bức cộng hưởng

 Khi tác dụng ngoại lực tuần hoàn lên hệ, hệ bắt đầu 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

=> Hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số

f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riềng f0 của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng

Tổng hợp dao động

* Dao động điều hòa và chuyển động tròn đều

Hình chiếu của véc tơ OM xuống trục Ox tại thời điểm

t bất kì cũng được biểu diễn bằng một dao động điều

hòa: xOMcos( t ) hay xAcos(  t )

* Phương pháp giản đồ Frenen

 Chọn trục Ox theo phương ngang

 Vẽ véc tơ OA có góc trùng với góc tọa độ O, và có độ dài tỉ lệ với biên

độ A, và hợp với trục Ox một góc bằng pha ban đầu 

M

M

P

 Véc tơ OA quay quanh trục Ox theo chiều dương với tốc độ góc bằng tần số góc  của dao động điều hòa

Tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương

1.2.2 Sóng cơ

Cấu trúc chương trình

Theo chương trình giáo dục phổ thông mới chương Sóng cơ được phân

bố trong chương trình học lớp 11 với các nội dung chính: Sự hình thành sóng; Giao thoa sóng; Sóng âm và Hiệu ứng Đốp - ple Với các nội dung trên tôi đã grap lại nội dung của chương dưới dạng sơ đồ sau:

Sự hình thành sóng cơ trong môi trường vật chất

Sóng cơ được tạo thành nhờ lực liên kết đàn hồi giữa các phần tử của môi trường truyền dao động Phần tử càngcở xa tâm, dao động càng trễ pha

hơn “Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường.”

Trong quá trình tạo ra sóng cơ, ta gọi : vật kích động là nguồn sóng, phương truyền là tia sóng, không gian sóng truyền qua là trường sóng Sóng cơ không thể truyền trong chân không vì chân không không có vật chất

SÓNG CƠ

Hiệuứng Đốp - ple Sóng âm

Sóng cơ

Sóng dọc, sóng ngang Giao thoa sóng

Sóng dừng Vận tốc truyền âm

Các đặc trưng của âm

và trọng lực có tác dụng như lực đàn hồi

- Sóng dọc: Khi các phần tử của môi trường dao động theo phương truyền sóng

Ví dụ cố định một đầu của lò xo dài, truyền cho đầu kia của lò xo một dao động theo phương của lò xo Các vòng lò xo lần lượt bị nén rồi dãn, truyền dao động đi dọc theo lò xo gọi là sóng dọc Sóng dọc xuất hiện trong môi trường chịu biến dạng nén, dãn Sóng dọc truyền được trong các môi trường rắn lỏng khí

Giải thích sự tạo thành sóng cơ trong môi trường vật chất

Truyền cho phân tử O một dao động theo phương thẳng đứng có chu kì T

- Ở thời điểm ban đầu t=0, tất cả các phần tử của dây đều đứng yên ở vị trí I

- Trong khoảng thời gian t=T/4, phần tử O chuyển động từ vị trí cân bằng lên vị trí cao nhất Trong khi lực liên kếtđàn hồi kéo phần tử 1 chuyểnđộng theo, nhưng chuyển động sau Cũng như thế, chuyển động được truyền đến phần tử thứ 2 sau phần tử 1 và có vị trí II

- Phần tử O tiếp tục dao động và dao động này lần lượt được truyền cho các phần tử tiếp theo của dây Các phần tử này thực hiện dao động cùng tần số, biên độ với phần tử O nhưng trễ pha hơn

Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ

- Chu kì, tần số sóng: Tất cả các phần tử của môi trường đều dao động với cùng chu kì và tần số bằng chu kì, tần số của nguồn dao động gọi là chu kì và tần

số của sóng

- Biên độ sóng: Biên độ sóng tại mỗi điểm trong không gian chính là biên độ dao động của mỗi phần tử môi trường tại điểm đó Trong thực tế, càng xa tâm thì biên độ sóng càng nhỏ

- Bước sóng: Quãng đường mà sóng truyền đi được trong một chu kì dao động gọi là bước sóng (kí hiệu: λ)

- Vận tốc truyền sóng: Trong thời gian một chu kì, sóng truyền đi một khoảng bằng một bước sóng λ Vậy tốc độ truyền sóng là:

- Năng lượng sóng: Một chất điểm khi dao động điều hoà có cơ năng tỉ lệ với bình phương biên độ dao động Sóng truyền dao động cho các phần tử của môi trường, nghĩa là truyền cho chúng năng lượng Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng

Trong đó, w là rần số góc của sóng: w = 2πf = 2π/T

Sóng cần một thời gian là để truyền từ O đến M, v là tốc độ truyền sóng Như vậy, li độ dao động uM tại điểm M vào thời điểm t bằng li độ dao động tại O vào thời điểm t – Ta có:

uM(t) = u (x,t) = uO( t - ); uM(t) = A cos[ w( t - ) ]

Thay w = và v = ta có:

uM(t) = A cos[2π( )]

Giao thoa sóng cơ

Khi có nhiều nguồn sóng đồng thời truyền qua một miền nào đó của môi trường đàn hồi thì dao động của mỗi điểm trong miền đó là tổng hợp các dao động gây ra bởi các sóng riêng rẽ

Xét trường hợp 2 nguồn dao động S1 và S2 có cùng tần số, cùng pha Xét điểm

M trên mặt nước có khoảng cách MS1 = d1 và MS2 = d2

Phương trình dao động của S1 và S2 là: u1 = u2 = A cos(wt) = A cos t

Giả thiết rằng, biên độ giao động bằng nhau và không đổi trong quá trình truyền sóng, thì dao động u1, u2 truyền đến M có phương trình:

AM

2

= 2A |cos |