Mục tiêu dạy học chương “Sóng cơ”

8. Cấu trúc khóa luận

2.1. Mục tiêu dạy học chương “Sóng cơ”

2.1.1. Mục tiêu về kiến thức

Trong quá trình dạy học chương “Sóng cơ” cần đảm bảo cho HS nắm vững các kiến thức sau:

- Nêu được định nghĩa sóng cơ. Phân biệt được sóng ngang và sóng dọc. - Giải thích được nguyên nhân tạo ra sóng.

- Nêu được ý nghĩa của các đại lượng đặc trưng của sóng cơ học (biên độ, chu kì, tần số, bước sóng, vận tốc truyền sóng)

- Lập được phương trình sóng và nêu được ý nghĩa của các đại lượng có trong phương trình.

- Nhận biết được hiện tượng sóng dừng. Giải thích được sự tạo thành sóng dừng và nêu được điều kiện để có sóng dừng trên dây đàn hồi.

- Áp dụng phương trình sóng và kết quả của việc tìm sóng tổng hợp của hai sóng ngang cùng tần số để dự đoán sự tạo thành vân giao thoa.

- Xác định được điều kiện để có vân giao thoa.

- Nêu được nguồn gốc về nguồn âm và cảm giác về âm.

- Nêu được mối quan hệ giữa các cảm giác về âm và những đặc điểm của sóng âm.

- Trình bày được phương pháp khảo sát những đặc điểm của sóng âm dựa trên đồ thị dao động của nguồn âm.

- Nhận biết được hiệu ứng Doppler.

- Giải thích được nguyên nhân hiệu ứng Doppler.

- Nêu được một số ứng dụng của hiện tượng cộng hưởng âm và hiệu ứng Doppler

2.1.2. Mục tiêu về kĩ năng

- Viết được phương trình sóng. Nhận biết được các đại lượng đặc trưng của sóng.

- Vận dụng được kiến thức để giải thích các hiện tượng thực tế có liên quan đến bài học.

- Vận dụng được kiến thức để giải các bài tập.

- Vận dụng công thức tính tần số âm khi nguồn âm chuyển động, máy thu đứng yên và ngược lại

2.1.3. Mục tiêu về thái độ

- Tình cảm: có hứng thú với bộ môn, yêu nghề. - Có tư duy khoa học.

- Tỉ mỉ và cẩn thận 2.1.4. Mục tiêu về năng lực

- Phát triển năng lực GQVĐ của HS. 2.2. Nội dung kiến thức chương “Sóng cơ”

Nội dung kiến thức Mô phỏng minh họa Sóng cơ học: là những dao động cơ

học lan truyền trong một môi trường đàn hồi theo thời gian.

- Sóng ngang: là sóng mà phương dao

động của các phần tử trong môi trường vuông góc với phương truyền sóng

- Sóng dọc: là sóng mà phương dao

động của các phần tử trong môi trường trùng với phương truyền sóng

 Chú ý:

+ Sóng ngang chỉ truyền trong chất rắn (như sợi dây đàn hồi, tấm kim loại mỏng…). Sóng trên mặt chất lỏng là trường hợp đặc biệt

+ Sóng dọc truyền trong cả môi trường rắn, lỏng, khí

 Những đại lượng đặc trưng của chuyển động sóng

- Chu kì, tần số của sóng là chu kì, tần số dao động của các phần tử trong môi trường khi có sóng truyền qua và cũng là chu kì, tần số của nguồn sóng. Chu kì kí hiệu là T, đơn vị là giây (s). Tần số kí hiệu là f, đơn vị Hz.

- Biên độ dao động của sóng tại một điểm là biên độ dao động của các phần tử môi trường tại điểm đó khi có sóng truyền qua.

giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng dao động đồng pha, cũng là quãng đường sóng truyền đi trong thời gian một chu kì. Bước sóng kí hiệu là λ. Biểu thức: f v T v   .  (m) - Tốc độ truyền sóng là tốc độ truyền pha dao động. Tốc độ truyền sóng kí hiệu là v, đơn vị m/s.

f T

v   .

- Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền sóng (ví dụ: thép > nước > không khí).

- Năng lượng của sóng tại một điểm là năng lượng dao động của phần tử môi trường tại điểm đó. Năng lượng của sóng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng.

- Nếu sóng có dạng một nguồn điểm, năng lượng EN, lan truyền trên mặt phẳng (sóng phẳng), năng lượng sóng tại một điểm cách nguồn một khoảng R tỉ lệ nghịch với quãng đường truyền sóng: R E E N R  2  . Suy ra biên độ

sóng tỉ lệ nghịch với R

- Nếu sóng có dạng nguồn điểm, năng lượng EN lan truyền trong không gian (sóng cầu), năng lượng sóng tại một điểm cách nguồn một khoảng R tỉ lệ nghịch với bình phương quãng đường truyền sóng: 2

4 R E E N R   .

Suy ra biên độ sóng tỉ lệ nghịch với R - Nếu sóng có dạng nguồn điểm, lan truyền trên một đường thẳng, năng lượng sóng không đổi. Suy ra biên độ sóng không đổi

Phương trình sóng:

Giả sử tại O trên trục Ox có nguồn phát ra sóng.

Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để sóng ở O có phương trình: t T a t a u   cos2 cos   Phương trình sóng tại M cách O một đoạn là x ) 2 2 cos( t x T a u      (1)

 Tính tuần hoàn theo thời gian Nếu xét dao động A có tọa độ x=d không đổi (1) cho thấy A dao động điều hòa theo thời gian với chu kì

 

2



T

 Tính tuần hoàn theo không gian Nếu xét các điểm của môi trường tại thời điểm t=t1 là hàm số cos theo tọa độ x với chu kì không gian là

, cho biết dạng của môi trường tại một thời điểm xác định (trong hình bên, cho t không đổi, di chuyển điểm x thì điểm A vẽ lên đồ thị cos).

Sóng dừng:

Sự phản xạ sóng

- Sóng phản xạ có cùng tần số, cùng bước sóng với sóng tới.

- Nếu:

+ Phản xạ trên đầu cố định thì sóng phản xạ ngược pha với sóng tới.

+ Phản xạ trên đầu tự do thì sóng phản xạ cùng pha với sóng tới.

 Hiện tượng sóng dừng

Là sóng có những nút và bụng cố định trong không gian.

- Bụng sóng là những điểm sóng

Đầu dây tự do

tới và sóng phản xạ gặp nhau, dao động

cùng pha, tăng cường lẫn nhau, có biên độ cực đại.

- Nút sóng là những điểm sóng tới và sóng phản xạ gặp nhau, dao động

ngược pha, triệt tiêu lẫn nhau, có biên độ cực tiểu.

 Sóng dừng trên sợi dây đàn hồi có đầu cản cố định Chọn gốc thời gian thích hợp để sóng tới B có phương trình: t a u1B  cos Sóng phản xạ tại B: t a u2B  cos Suy ra phương trình sóng tổng hợp tại M cách B một đoạn MB=d ) 2 cos( 2 sin 2       a d t uM

Biên độ dao động tổng hợp tại M: A 2a sin2 d  Các điểm nút và bụng +M đứng yên 2  k d   với k=0,1,2… đó

là những nút (B là 1 nút) + M dao động cực đại 4 ) 1 2 (     d k với k=0,1,2,… đó là những bụng

 Sóng dừng trên dây đàn hồi có đầu cản tự do Chọn u1B u2Bacost Suy ra uM a d t   cos 2 cos 2 

Biên độ dao động tổng hợp tại M: 2 d A2a cos   Các điểm nút và bụng +M dao động cực đại 2  k d   với k=0,1,2,… đó là những bụng (B là 1 bụng) + M đứng yên 4 ) 1 2 (     d k với k=0,1,2,… đó là những nút  Điều kiện để có sóng dừng trên dây đần hồi AB

- Đối với sợi dây có 2 đầu cố định hay một đầu dây cô định còn đầu kia dao động với biên độ nhỏ:

2  k l AB   với k=0,1,2,…là số bó sóng

- Đối với sợi dây có một đầu tự do: AB l (2k 1) 4     với k=0,1,2,… là số bó sóng Giao thoa sóng:  Sóng kết hợp

- Hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian là hai nguồn sóng kết hợp.

- Hai nguồn sóng kết hợp tạo ra hai sóng kết hợp

 Hiện tượng giao thoa sóng - Tạo ra 2 nguồn sóng giống nhau S1,S2 trên mặt nước

Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để có: uS1  uS2  a cos t - Sóng tổng hợp tại M do sóng từ S1, S2 đến M: ) cos( cos 2 1 2 1 2      d d t d d a uM    



 1 2

cos

2a d d

A  

- Các vân giao thoa:

+Biên độ dao động tại M cực đại



k d

d  

 1 2 . Quỹ tích của M là các đường vẽ nét liền biểu diễn các điểm dao động cực đại

+ M đứng yên 2 ) 1 ' 2 ( 2 1      d d k . Quỹ

tích của M là các đường vẽ nét rời biểu diễn các điểm đứng yên

 Điều kiện có giao thoa: Hai sóng gặp nhau phải là hai sóng kết hợp

 Ứng dụng: Giao thoa là hiện tượng rất đặc trưng của sóng. Hiện tượng vật lí nào thể hiện sự giao thoa chứng tỏ có tính chất sóng

Sóng âm:

 Sóng âm

- Sóng âm là sóng dọc truyền được trong môi trường đàn hồi rắn, lỏng, khí. Âm không truyền được trong chân không.

- Âm nghe được có tần số 16Hz ≤ f ≤ 20000Hz

vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường.

 Các đặc tính của âm

 Độ cao

Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số của âm phát ra

f lớnâm bổng f nhỏâm trầm

 Âm sắc

Một nguồn âm phát ra đồng thời âm cơ bản có tần số f và các họa âm có tần số 2f, 3f,…

Dao động âm tổng hợp tạo nên âm sắc

 Cường độ âm – mức cường độ âm - Cường độ âm: S I  - Mức cường độ âm: 0 lg 10 ) ( I I dB L 

Cường độ âm chuẩn I0=10-

12

(W/m2), có tần số f=1000 Hz

 Độ to

- Độ to của âm phụ thuộc vào hiệu ứng do cường độ âm gây ra đối với tai người nghe.

ngưỡng nghe ứng với Imin Độ to của âm ∆I=I - Imin Hiệu ứng Doppler:  Công thức Đốp-ple Trường hợp tổng quát: f0 v v v v f S M    Trong đó:

v: là vận tốc truyền âm trong môi trường

vs: vận tốc của nguồn âm vM: là vận tốc của máy thu f0: tần số của nguồn âm

f: tần số do máy thu nhận được Quy ước về dấu:

vM, vs>0 khi máy thu hoặc nguồn âm tiến lại gần nhau.

vM, vs<0 khi máy thu hoặc nguồn âm tiến ra xa nhaukhi máy thu hoặc nguồn âm tiến ra xa nhau.

2.3. Hệ thống bài tập chương “Sóng cơ”

Dạng 1: Phương trình sóng cơ

Bài 1: Một người quan sát một chiếc phao nổi trên mặt nước biển thấy nó nhấp nhô 6 lần trong 15 giây. Biết vận tốc truyền sóng là 3 m/s. Tìm bước sóng?

Hướng dẫn giải:

Câu hỏi hướng dẫn: Dựa vào dữ kiện đã cho ở đề bài ta có thể xác định

được các đại lượng nào? Bước sóng được tính bởi công thức nào?

Bài giải:

Bước 1: Nghiên cứu đề bài

Chiếc phao nhấp nhô 6 lần trong 15 s v= 3 m/s

λ=?

Bước 2: Phân tích nội dung bài tập và lập kế hoạch giải

Chiếc phao nhấp nhô 6 lần tức là nó đã thực hiện được 5 chu kì trong 15 giây. Từ đó ta xác định được chu kì T, rồi áp dụng công thức tính vận tôc truyền sóng là

T

v 

 để tìm ra bước sóng λ.

Bước 3: Giải

Chiếc phao nhấp nhô 6 lần trong 15 s, nên ta có: 5T 15T 3s

Tốc độ truyền sóng là:

T

v 

 , suy ra bước sóng λ là:

λ=v.T=3.3=9 m

Bước 4: Kiểm tra và biện luận kết quả

Do λ= 9 m: Có thể chấp nhận được

Bài 2: Một người ngồi ở bờ biển trông thấy 10 ngọn sóng qua mặt trong 36 giây, khoảng cách giữa hai ngọn sóng là 10 m. Tính tần số sóng biển và vận tốc truyền sóng?

Hướng dẫn giải:

Câu hỏi hướng dẫn: Tần số sóng và vận tôc truyền sóng được tính bởi

công thức nào?

Bài giải:

Bước 1: Nghiên cứu đề bài

λ=10m

Quan sát được 10 ngọn sóng trong 36s f, v=?

 Giải thích thuật ngữ: khoảng cách giữa 2 ngọn sóng bằng λ=10m. Vậy khoảng cách giữa 10 ngọn sóng bằng 9λ

Bước 2: phân tích nội dung đề bài và lập kế hoạch giải

Cho HS quan sát mô phỏng:

Theo đề bài một người quan sát được 10 ngọn sóng trong khoảng 36 giây, từ dữ kiện này ta có thể tìm ra chu kì sóng. Sau đó tìm ra tần số sóng

Vận tốc truyền sóng được tính bởi công thức

T v 

 . Theo đề bài ta có thể xác định được bước sóng λ, mà ở trên ta đã xác định được chu kì T. Sử dụng công thức trên ta xác định được vân tốc truyền sóng.

Bước 3: Giải

Một người quan sát sát được 10 ngọn sóng trong khoảng 36 giây. Vậy chu kì là: T 4s

9 36

 

Vậy tần số sóng biển bằng: Hz T f 0,25 4 1 1    Vận tốc truyền sóng là: m s T v 2,5 / 4 10    

Bước 4: Kiểm tra và biện luận kết quả

f=0,25 Hz, v=2,5 m/s: có thể chấp nhận được.

Bài 3: Một sóng ngang truyền trên mặt nước có phương trình: u=6cos(4πt+0,02πx)

Trong đó x và u được tính bằng centimet (cm) và t được tính bằng giây (s). Hãy xác định biên độ, bước sóng, tần số, tốc độ truyền sóng.

Hướng dẫn giải:

Câu hỏi hướng dẫn: Từ phương trình sóng ta có thể biết được các đại

lượng nào?

Bài giải:

Bước 1: Nghiên cứu đề bài

u=6cos(4πt+0,02πx) cm A=?, λ=?, f=?, v=?

Bước 2: Phân tích nội dung đề bài và lập kế họach giải

Phương trình sóng có dạng tổng quát:         t x T a u    2 2 cos

Dựa vào phương trình sóng tổng quát ta có thể xác định đại lượng a, T, λ, sau đó áp dụng các công thức ta xác định được các dữ kiện cần tìm.

Bước 3: Giải

Từ phương trình sóng ta thu được: a= 6 cm,

Hz T f s T T 0,5 2 1 1 5 , 0 4 2          Và 2 0,02  100cm  

Tốc độ truyền sóng là: v=λ.f=100.2=200 cm/s

Bước 4: Kiểm tra và biện luận kết quả

Do a= 6 cm, λ=100 cm, f= 2 Hz, v= 200 cm/s: có thể chấp nhận được

Dạng 2: Hiện tượng giao thoa

Bài 1: Tại mặt thoáng của chất lỏng có hai nguồn phát sóng kết hợp S1, S2 dao động theo phương trình vuông góc với mặt chất lỏng có cùng phương trình u = 2cos40πt (trong đó u tính bằng cm, t tính bằng giây). Tốc độ truyền sóng trên mặt chất lỏng là 80 cm/s. Gọi điểm M trên mặt chất lỏng cách S1, S2 lần lượt là 12 cm và 9 cm . Coi biên độ của sóng truyền từ hai nguồn trên đến điểm M là không đổi. Phần tử chất lỏng tại M dao động với biên độ bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải: Câu hỏi hướng dẫn:

1. Từ phương trình sóng ta có thể xác định được các đại lượng nào? 2. phương trình sóng tổng hợp tại M có dạng như thế nào?

3. Làm thế nào để xác định được biên độ dao động tại M?

Bài giải:

Bước 1: Nghiên cứu đề bài

u = 2 cos 40πt (cm) v= 80 cm/s

MS1= d1= 12 cm MS2 = d2 = 9 cm

Biên độ dao động tại M: A=?

 Giải thích thuật ngữ: hai nguồn sóng kết hợp là hai nguồn có cùng phương, cùng tần số, cùng pha hoặc độ lệch pha không đổi theo thời gian.

Bước 2: Phân tích nội dung đề bài và lập kế hoạch giải

Để xác định được biên độ dao động tổng hợp tại M, ta sẽ đi viết phương trình sóng tổng hợp tại M. Phương trình sóng tổng hợp tại M có dạng: