Video: Bài giảng sóng cơ, sự truyền sóng cơ, vật lý lớp 12 ôn thi quốc gia
1/ Sóng cơ là gì?
Một cần rung dao động điều hòa tại một điểm trên mặt nước
Quá trình dao động được lan truyền trên mặt nước như thí nghiệm vật lý trên được gọi là sóng mặt nước [là một sóng cơ]
Khi bạn nói, thanh quản của bạn rung lên tạo ra dao động, dao động này lan truyền trong không khí theo mọi hướng. Trong tai mỗi người có màng nhĩ sẽ dao động theo lớp không khí ở gần tai từ đó mà người khác có thể nghe thấy tiếng bạn nói => Chứng tỏ dao động đã được lan truyền trong không khí.
Trong môi trường chân không các phần tử dao động gần như không có nên dao động từ nguồn không thể truyền ra môi trường xung quanh được.
Định nghĩa: Sóng cơ là dao động cơ được lan truyền trong một môi trường vật chất [rắn, lỏng, khí]. Sóng cơ không truyền được trong môi trường chân không.
3/ Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ:
a/ Biên độ của sóng [A]: là biên độ dao động của một phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.
b/ Tần số sóng [f]: là tần số dao động của một phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.
c/ Vận tốc sóng [v]: là vận tốc lan truyền dao động của sóng trong môi trường [v$_{rắn}$ > v$_{lỏng}$ > v$_{khí}$]
d/Năng lượng sóng: là năng lượng dao động của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.
e/ Bước sóng [λ]:
- là quãng đường mà sóng truyền đi được trong một chu kỳ
- là khoảng cách giữa hai điểm gần nhất trên phương truyền sóng dao động cùng pha với nhau.
Công thức tính bước sóng:
\[\lambda =v.T=\dfrac{v}{f}=2\pi \dfrac{v}{\omega }\]
Trong đó:- λ: bước sóng
- T; f; ω: lần lượt là chu kỳ, tần số, tần số góc của sóng
a/ Sự truyền sóng cơ::
Trong môi trường thực tế, sự truyền sóng cơ phụ thuộc và chịu ảnh của nhiều yếu tố môi trường xung quanh. Trong phạm vi bài viết chỉ đề cập đến sóng hình sin.
Khi một phần tử tại nguồn dao động, do lực liên kết giữa các phân tử môi trường, phần tử cạnh nguồn sẽ dao động theo nhưng trễ pha. Nhờ sự trễ pha trong dao động và năng lượng liên kết giữa các phần từ mà sóng được truyền đi trong không gian như hình minh họa dưới
Quá trình truyền sóng cơ: là quá trình lan truyền dao động [pha của dao động] và năng lượng dao động, không có sự truyền đi của phần tử vật chất.
b/ Phương trình truyền sóng:
\[u=A\cos[\omega t+\varphi ]\]
Gọi v là tốc độ lan truyền dao động của sóngThời gian để sóng truyền tới điểm M cách nguồn một đoạn x: Δt = \[\dfrac{x}{v}\]
Phương trình dao động tại điểm M cách nguồn một đoạn x:
\[u_{M}=A\cos[\omega [t-\Delta t] +\varphi ]\] =>
\[u_{M}=A\cos[\omega [t-\Delta t] +\varphi ]\]=\[A\cos[\omega t-\dfrac{2\pi x}{\lambda} +\varphi]\]
Phương trình truyền sóng:
\[u=A\cos[\omega t+\varphi -\dfrac{2\pi x}{\lambda}]\]
- A: biên độ sóng
- \[\dfrac{2\pi x}{\lambda}\]: độ lệch pha giữa các phần tử trên phương truyền sóng.
- x: khoảng cách giữa các phân tử sóng
- λ: bước sóng
Xem thêm:
Tổng hợp lý thuyết,, bài tập vật lý lớp 12 chương sóng cơ, sóng âm
nguồn vật lý phổ thông ôn thi quốc gia 1/ Âm là gì?
Âm hay 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.
2/ Nguồn âm, tần số âm, vận tốc truyền âm
- Nguồn âm là những nguồn dao động phát ra sóng âm.
- Tần số âm là tần số của nguồn âm
- Vận tốc truyền âm: vận tốc lan truyền dao động, năng lượng âm. Trong các bài toán đơn giản ta coi quá trình truyền âm tương đương với chuyển động thẳng đều. Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào môi trường truyền v$_{rắn}$ > v$_{lỏng}$ > v$_{khí }$
Vận tốc truyền âm được tính theo công thức
\[v=\dfrac{s}{t}\]
Trong đó:- v: vận tốc truyền âm [m/s]
- s: quãng đường âm truyền đi được [m]
- t: thời gian truyền [s]
- Nhạc âm: là những sóng âm có tần số xác định [do nhạc cụ, tiếng nói, tiếng hát của người phát ra]. Sóng âm mà tai con người có thể nghe được gọi là âm thanh có tần số nằm trong khoảng từ 16Hz đến 20kHz gọi là ngưỡng nghe của người.
- Tạp âm [tiếng ồn]: là những sóng âm có tần số không xác định.
Hình ảnh quay chậm lại quá trình nghệ sĩ đang kéo vilông làm cho sợi dây đàn rung lên, dao động từ dây đàn sẽ tạo ra âm thanh, âm thanh này lan truyền trong không khí với tốc độ khoảng 330m/s đến tai người. Trong tai có một màng mỏng [màng nhĩ] cũng rung lên theo lớp không khí trong tai với cùng tần số mà nhạc cụ phát ra từ đó mà ta có thể nghe được.
4/ Thang sóng âm:
Ngưỡng nghe của người nằm trong vùng từ 16Hz đến 20.000Hz bạn có thể nghe thử qua đoạn video dưới đây.
- f < 16Hz: được gọi là vùng hạ âm.
- f > 20kHz: được gọi là vùng siêu âm.
Cá heo có thể phát ra sóng siêu âm và chúng có thể giao tiếp với nhau ở khoảng cách lên đến vài trăm m đến vài km.
Để xác định độ sâu của biển các tàu đo đạc phát sóng siêu âm, căn cứ vào thời gian phản xạ lại của sóng siêu âm và tốc độ truyền sóng siêu âm có thể tính được khoảng cách từ vị trí của tàu đến vật cản.
5/ Các đặc trưng vật lý của âm
a/ Tần số âm [f]: là tần số dao động của nguồn âm, âm trầm [bass] có tần số nhỏ, âm cao [treble] có tần số lớn.
b/ Cường độ âm [I]: tại một điểm được xác định bằng năng lượng của sóng âm truyền vuông góc qua một diện tích trong một đơn vị thời gian.
\[I=\dfrac{W}{s.t}=\dfrac{P}{4\pi d}\]
Mức cường độ âm L:
\[L=lg\dfrac{I}{I_{o}} [B]=10lg\dfrac{I}{I_{o}}[dB]\]
Trong đó- I: Mức cường độ âm [W/m2]
- W: năng lượng của sóng âm [J]
- t: thời gian truyền âm [s]
- S: diện tích [m2]
- P: công suất của nguồn âm [W]
- d: khoảng cách từ điểm cần tính đến nguồn âm [m]
- Io = 10$^{ - 12}$ [W/m2 ]: cường độ âm chuẩn
- L: mức cường độ âm [B đọc là ben]
- 1B = 10dB [dB: đề xi ben]
- Âm thanh trong thành phố thường là 70dB.
- Một ban nhạc rock có âm thanh trung bình 110dB.
- Phản lực cơ cất cánh, tiếng còi xe cứu hỏa có cường độ tới trên 140dB.
- Hơi thở có cường độ là 10dB trong khi đó tiếng lá thu sào sạc rơi là 20dB.
- Trong nhà, tiếng động bình thường là 40dB, nhưng khi hút bụi âm thanh lên tới 75dB
- Âm thanh từ 160 → 170dB gây điếc hoàn toàn, dù chỉ một lần nghe.
Âm thanh phát ra trong không khí được thu lại và chuyển thành dao động của các cần rung hoặc dao động điện có cùng tần số
Cấu tạo cơ bản của một chiếc loa biến đao dộng cơ thành dao động điện
Hình ảnh máy kiểm tra nói dối ghi lại đồ thị âm thanh dao động của nhịp đập trái tim.
Đồ thị dao động âm của một nốt nhạc do dây đàn violon phát ra.
Khái niệm: Âm cơ bản và họa âm
Khi một sợi dây đàn ghi ta rung thì nó phát ra âm do trên dây có xảy ra hiện tượng sóng dừng. Nếu dây rung với một bó sóng thì dây phát ra âm có tần số fo thấp nhất gọi là âm cơ bản [còn gọi là họa âm thứ 1].
Khảo sát thực nghiệm cho thấy dây này còn phát ra các âm có tần số 2fo, 3fo, 4fo .... gọi là họa âm thứ 2, họa âm thứ 3, họa âm thứ 4, ... Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau. Sự khác nhau này phân biệt được bởi âm sắc của chúng.
6/ Các đặc trưng sinh lý của âm
a/ Độ cao của âm: gắn liền với tần số âm. Âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn.
b/ Độ to của âm: gắn liền với mức cường độ âm [tức là cũng phụ thuộc vào cường độ âm].
c/ Âm sắc: có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm hoặc phổ của âm. Âm sắc giúp ta phân biệt được âm từ nguồn nào phát ra.
Ví dụ cùng một bản nhạc nhưng khi nghe ta có thể xác định được bản nhạc đó được chơi bằng nhạc cụ các loại nhạc cụ khác nhau ghitar, violông, piano ... vì âm sắc của các nhạc cụ này rất khác nhau.
Đồ thị dao động của âm có tần số thấp [âm trầm] và tần số âm cao
Vitas [Hoàng tử mang giọng ca cá heo] người đàn ông có có giọng cao nhất thế giới [tần số âm cực cao]
Xem thêm:
Tổng hợp lý thuyết,, bài tập vật lý lớp 12 chương sóng cơ, sóng âm
nguồn vật lý phổ thông ôn thi quốc gia