Bài 10. Thực hành đo tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm trang 62, 63, 64, 65 Vật Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

Trong đời sống hằng ngày, chúng ta có thể nghe âm thanh từ mọi nơi. Ta đã biết âm thanh chính là sóng âm được lan truyền trong môi trường vật chất. Âm thanh có thể có tần số xác định khi được phát ra từ một số nhạc cụ như đàn guitar, đàn piano, sáo,... hoặc có tần số không xác định khi được phát ra từ động cơ xe, máy khoan,... Thời gian âm thanh truyền từ nguồn phát đến tai ta phụ thuộc vào tốc độ truyền sóng âm. Vậy làm thế nào để đo được tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm?

Lời giải chi tiết:

Để đo được tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm chúng ta cần vận dụng kiến thức đã học từ tính chất của sóng dừng vào để có xây dựng được những thí nghiệm và xác định được nó.

CH

Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tần số của sóng âm.

Lời giải chi tiết:

Mục đích thí nghiệm: Đo được tần số của sóng âm.

* Dụng cụ:

– Nguồn âm (1)

+ Loa điện động được kết nối với máy phát tấn số.

+ Âm thoa, búa và âm thoa gắn trên hộp cộng hưởng (Hình 10.1b).

– Micro (2) để chuyển dao động âm thành dao động điện.

– Dao động kí điện tử (3).

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.2.

Bước 2: Sử dụng nguồn âm là loa điện động, đặt loa gần micro (chú ý đảm bảo không có nguồn âm khác ở gần).

Bước 3: Bật micro và dao động kí ở chế độ làm việc.

Bước 4: Bật máy phát tần số

Bước 5: Điều chỉnh dao động kí để ghi nhận tín hiệu. Lặp lại bước 2 đến bước 5 khi sử dụng nguồn âm là âm thoa.

CH 1

Trình bày cách tính sai số tuyệt đối của phép đo. Liệt kê một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm và đề xuất cách khắc phục.

Lời giải chi tiết:

Tính giá trị trung bình: \(\overline A  = \frac{{{A_1} + {A_2} + ... + {A_n}}}{n}\)

- Xác định sai số tuyệt đối ứng với mỗi lần đo là trị tuyệt đối của hiệu giữa giá trị trung bình và giá trị của mỗi lần đo

\(\Delta \overline {{A_1}}  = \left| {\overline A  - \left. {{A_1}} \right|} \right.\)

\(\Delta \overline {{A_2}}  = \left| {\overline A  - \left. {{A_2}} \right|} \right.\)

…

\(\Delta \overline {{A_n}}  = \left| {\overline A  - \left. {{A_n}} \right|} \right.\)

- Tính sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo gọi là sai số ngẫu nhiên:

\(\overline A  = \frac{{\Delta {A_1} + \Delta {A_2} + ... + \Delta {A_n}}}{n}\)

- Sai số tuyệt đối của phép đo là tổng sai số ngẫu nhiên và sai số dụng cụ:

\(\Delta A = \Delta \overline A  + \Delta A'\)

CH 2

So sánh kết quả tần số đo được với giá trị tần số được ghi trên âm thoa hoặc hiển thị trên màn hình của máy phát tần số. Rút ra kết luận.

Lời giải chi tiết:

Kết quả tần số đo được gần bằng với tần số được ghi trên âm thoa hoặc hiển thị trên màn hình của máy phát tần số. Tần số của sóng dừng sẽ bằng tần số của thiết bị tạo ra sóng dừng.

LT

Hiện nay, ứng dụng SmartScope Oscilloscope trên điện thoại thông minh có thể được sử dụng để ghi nhận đồ thị dao động âm. Sử dụng ứng dụng này, kết hợp với ứng dụng quay màn hình điện thoại, hãy tiến hành lại thí nghiệm đo tần số của sóng âm và so sánh kết quả đo được với kết quả trong phương án thí nghiệm (sử dụng dao động kí điện tử). Phân tích ưu, nhược điểm của hai phương án này.

Lời giải chi tiết:

CH 1

Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo tốc độ truyền âm trong không khí.

Lời giải chi tiết:

*Mục đích thí nghiệm: Đo được tốc độ truyền âm trong không khí

* Dụng cụ:

– Ống cộng hưởng (1) trong suốt bằng nhựa, dài 70 cm, đường kính 40 mm, có gắn thước thẳng.

– Pit-tông bằng kim loại bọc nhựa (2), đường kính 38 mm, có vạch chuẩn xác định vị trí.

– Dây treo pit-tông (3) dài 1,5 m, một đầu có móc treo, vắt qua ròng rọc có đường kính 40 mm.

– Hệ thống giá đỡ gồm trụ thép đặc (4), dài 75 cm, đường kính 10 mm và để ba chân bằng thép. – Loa điện động (4 Ω – 3 W) (5), lắp trong hộp bảo vệ có cán bằng trụ thép và lỗ cắm điện.

– Máy phát tần số (0,1 Hz – 1 kHz) (6), tín hiệu hình sin, điện áp ra cực đại 14 V.

– Bộ hai dây nối mạch điện (7), dài 50 cm, hai đầu có phích cắm.

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.3. Đặt loa điện động gần sát đầu hở của ống cộng hưởng.

Bước 2: Dùng hai dây dẫn điện cấp điện cho loa từ máy phát tần số.

Bước 3: Điều chỉnh thang do trên máy phát sang vị trí 100 Hz – 1 kHz. Điều chỉnh tần số sóng âm cho phù hợp. Bước 4: Điều chỉnh biên độ để nghe được âm phát ra từ loa vừa đủ to.

Bước 5: Kéo dẫn pit-tông lên và lắng nghe âm phát ra. Xác định vị trí thứ nhất của pit-tông khi âm nghe được to nhất và xác định chiều dài cột khí l₁ tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Bước 6: Tiếp tục kéo pit-tông lên và xác định vị trí thứ hai của pit-tông khi âm nghe được lại to nhất và xác định chiều dài cột khí l₂ tương ứng. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Bước 7: Cho pit-tông về lại sát miệng ống, lặp lại các bước 5 và 6 thêm 4 lần nữa. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

CH 2

Liệt kê một số nguyên nhân gây ra sai số trong phương án thí nghiệm và đề xuất cách khắc phục.

Lời giải chi tiết:

Nguyên nhân gây ra sai số của phép đo:

+ Sai số dụng cụ đo

+ Thao tác thực hiện không đúng

+ Chưa điều chỉnh thang đo máy phát phù hợp

+ Không xác định được vị trí âm thanh to nhất

Khắc phục

+ Thực hiện thí nghiệm nhiều lần để giảm sai số

+ Đọc kĩ hướng dẫn thao tác thực hành thí nghiệm, có phần nào chưa hiểu rõ cần hỏi lại giáo viên

+ Điều chỉnh các thiết bị liên tục phù hợp nhất rồi mới bắt đầu thực hành đo

+ Thực hành trong không gian yên tĩnh, không có tiếng ồn.

CH

Giải thích vì sao ta có biểu thức: \({l_2} - {l_1} = \frac{\lambda }{2}\)

Lời giải chi tiết:

Vị trí l₂,l₁ là hai vị trí có âm thanh to nhất gần nhau nhất thể hiện đây là vị trí của hai bụng sóng gần nhau nhất và khoảng các này sẽ một nửa bước sóng.

LT

Có thể xác định tốc độ truyền âm trong không khí thông qua việc đo khoảng thời gian từ lúc bắt đầu thả một vật rơi tự do từ độ cao so với một bề mặt cứng đến khi nghe được âm phát ra từ va chạm của vật với bề mặt. Thực hiện thí nghiệm này và so sánh kết quả đo được với kết quả trong phương án thí nghiệm (sử dụng ống cộng hưởng).

Lời giải chi tiết:

Hai thí nghiệm này cho ra kết quả khác nhau
Khoảng thời gian đo được khi thả rơi tự do vật từ độ cao 2,2m là 0,462s, tốc độ đo khi thả rơi vật là tốc độ rơi tự do của vật không phải tốc độ truyền âm trong không khí.

VD

Cảm biến âm là cảm biến có nguyên tắc hoạt động tương tự micrô. Khi sóng âm được truyền tới cảm biến thì nó sẽ chuyển tín hiệu âm thành tín hiệu điện có cùng tần số. Kết nối cảm biến âm với bộ xử lí số liệu sẽ thu được tín hiệu điện này trên màn hình (hình 10.4), dựa vào đồ thị và sự cài đặt tỉ lệ trục thời gian ban đầu ta có thể xác định được chu kì của tín hiệu.

Nếu có hai sóng âm tới cảm biến cách nhau một khoảng thời gian nào đó thì bộ xử lí số liệu cũng sẽ hiển thị đồng thời hai tín điện trên màn hình và cũng có thể xác định được hai thời điểm mà cảm biến bắt đầu ghi nhận hai sóng âm.

Từ các thông tin trên, hãy đưa ra một phương án thí nghiệm xác định tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm với cảm biến âm và bộ xử lí số liệu.

Lời giải chi tiết:

Phương án thí nghiệm:

- Sử dụng một âm thoa, búa cao su.

- Đặt âm thoa gần bộ cảm biến âm một khoảng vừa đủ, dùng búa cao su gõ nhẹ vào âm thoa, bộ cảm biến âm sẽ nhận sóng âm từ âm thoa và xử lí tín hiệu cho ta đồ thị dao động của sóng âm.

- Do đã cài đặt tỉ lệ trục thời gian ban đầu ta có thể xác định được chu kì của tín hiệu.

- Từ đồ thị xác định được bước sóng (khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp).

- Từ đó xác định được tốc độ truyền âm và tần số của âm thoa.