Bồi dưỡng giáo viên giảng dạy Khoa học tự nhiên THCS
ÂM THANH
Phạm Đỗ Chung Bộ môn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Khoa học tự nhiên THCS
Chương 1: Cơ sở về dao động, sóng cơ và sóng âm
1. Cơ sở về dao động 2. Sóng cơ trên một sợi dây kéo căng
2
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Sóng cơ trên một sợi dây kéo căng
Sóng ngang Độ dịch chuyển (li độ) của các phần trên sợi dây vuông góc với phương truyền sóng.
Dạng sóng tùy vào nguồn sóng
3
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Sóng dọc
Độ dịch chuyển (li độ) của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng song song với phương truyền sóng.
Fig. 16-2
4
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Phương trình sóng và một số đặc trưng của sóng
Sự lan truyền một sóng ngang
y
v
my
t
sin
80
x
t
kx
=
-
tw
( y x t ,
)
(
)
y sinm
Displacement (y): Amplitude (ym): Oscillating term: Phase: Angular wave number (k): Position
Hình17-4
Angular frequency: Time:
li độ của sóng biên độ sóng thừa số dao động pha của sóng số sóng tọa độ (vị trí) của phần tử dao động tần số góc thời gian
5
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Hình ảnh của một sóng ngang ở các thời điểm khác nhau
kx
=
-
tw
( y x t ,
)
(
)
y sinm
Biên độ:
my
Pha của sóng:
kx
1 sin
kx
1
- ® - £
t w
-
t w
£
(
)
Hình17-5
6
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Bước sóng và số sóng
kx
=
-
tw
( y x t ,
)
(
)
y sinm
,0
kx
=
( y x
)
(
)
y sinm
y
sin
y
sin
=
+
m
kx 1
m
)
) (
y
sin
=
+
) l ) k l
m
( ( k x 1 ( kx 1
k
k 2 l p
= ® =
2 p l
l k
Bước sóng: Số sóng: Số sóng có ý nghĩa là số dao động trong một đơn vị độ dài (theo phương truyền sóng)
7
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Chu kỳ, tần số góc và tần số
sin
kx
=
y m
0,
y
t
) x
y
sin
0
=
=
m
) ( y x t , ) (
( ( sin
y
= -
tw - ) )
t - w ( t w
m
y
sin
y
-
=
+
)
m
( t w 1
m
t 1
)
Hình17-6
y
sin
) =
T )
m
( ( sin w ( T t + w w 1
2
f nd a
Tw p
= ® =
w
=
=
2 p T
1 T
w 2 p
Chu kì:
Tần số góc:
T w f
Tần số:
Tần số có ý nghĩa là số dao động trong một đơn vị thời gian
8
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Pha ban đầu
Hình17-7
y
kx
=
-
( y x t ,
)
(
) tw f +
sinm
t = 0
f
Pha ban đầu: Pha ban đầu được thêm vào trong phương trình sóng y(x,t) để mô tả một sóng không bắt đầu từ gốc tọa độ
t = 0
if
0
0,
t
0
sin 0 0 0
0
f= ® =
=
=
+ +
=
( y x
)
(
)
y m
However, if for example
0,
t
0
y
0
f
=
=
=
+ +
¹
( y x
)
m
p = + ® 5
p 5
æ sin 0 0 ç è
ö ÷ ø
9
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Vận tốc truyền sóng
v
=
=
f l
w l = k T
Hình17-8
v
moves past in one period
l
= ® Vận tốc truyền sóng là quãng đường sóng đi được trong one wavelength T một chu kì (quãng đường này chính là bước sóng)
l T
10
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Vận tốc truyền sóng
v
t
sin
80
x
t
Chú ý nếu pha của sóng có dạng kx –wt thì sóng sẽ lan truyền theo chiều +x
v
t
sin
80
x
t
Chú ý nếu pha của sóng có dạng kx +wt thì sóng sẽ lan truyền theo chiều -x
11
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Tốc độ truyền sóng trên một sợi dây
F
2
sin
2
=
»
=
( t q t q t
)
(
)
q
D R
sint q
where 2 Ở đó
q
=
D R
m µD = D
có độ dài
Gia tốc hướng tâm của đoạn dây Centripetal acceleration of string element
D
Hình17-10
2
v
=
a
=
t µ
v R
Tốc độ truyền sóng
Vận tốc truyền sóng trên một sợi dây phụ thuộc vào khối lượng riêng của dây và hệ số đàn hồi của sợi dây mà không phụ thuộc vào tần số góc hay biên độ của sóng.
12
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Năng lượng của sóng
0
u =
Động năng (K) của sóng ngang trên dây Cực đại ở vị trí b trên Hình 17-12 Cực tiểu ở vị trí a trên Hình 17-12
u
Thế năng (U) của sóng ngang trên dây Cực đại ở vị trí a trên Hình 17-12 Cực tiểu ở vị trí b trên Hình 17-12
Hình17-12
0
K U=
=
Năng lượng của sóng dưới dạng thế năng và động năng được truyền dọc theo sợi dây. Trên hình mô tả năng lượng ở vị trí một đầu của sợi dây được truyền tới khu vực lúc đầu dây đứng yên (tức là có K=U=0)
13
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Các hiệu ứng của sóng
Một sóng bất kì sẽ luôn tuân theo qui luật của các hiệu ứng sau: Phản xạ, Khúc xạ và Nhiễu xạ
tới
Phản xạ là hiện tượng sóng quay ngược trở lại môi trường truyền sóng khi đi tới và đập vào biên của môi trường đó. Góc phản xạ bằng của với góc sóng.
Hình vẽ biểu diễn một sóng phẳng lan truyền trên mặt phẳng với các điểm trên cùng một mặt sóng (đường thẳng) có cùng pha dao động
14
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Các hiệu ứng của sóng
Khúc xạ là hiện tượng sóng đổi hướng khi đi từ môi trường này sang môi trường kia.
Trong hiện tượng khúc xạ thì hướng truyền và bước sóng ở hai môi trường có tốc độ truyền sóng khác nhau là khác nhau. Điều này đảm bảo cho tần số của sóng không bị thay đổi.
15
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Các hiệu ứng của sóng
Nhiễu xạ là hiện tượng sóng đi vòng qua một vật cản hoặc đi xuyên qua một lỗ nhỏ trên vật cản
Nhiễu xạ là một tính chất quan trọng của sóng làm cho sóng có cách di chuyển khác hẳn với những vật cụ thể có kích thước, khối lượng mà học sinh vẫn biết trước kia.
16
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Sự chồng chập hai sóng
'
y
x t ,
=
+
( y x t ,
)
)
(
)
( y x t , 1
2
Hi hai sóng chồng lên nhau thì li độ của dao động tại điểm chồng chập là tổng đại số của từng li độ thành phần
Hai sóng được truyền độc lập và không bị ảnh hưởng lẫn nhau.
Hình17-14
17
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Giao thoa của sóng
kx
x t ,
sin
kx
=
-
=
-
(
)
(
) t + w f
y m
m
2
'
y
=
+
2
sin
y
y
and y và ) +
-
=
m
m
( sin ( ) y x t , 1 ( kx sin 2sin
sin
sin
a
b
=
+
Cho 2 sóng cùng truyền trên một sợi dây có phươn trình: ) ( ) t y y x t , w 1 ( ) ( y x t , , x t ) t w - 1 ( ) + a b 2
( ) t kx + w f 1 ( ) cos + a b 2
kx kx
a b
= =
- -
t w t + w f
Hình17-15
18
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Giao thoa của sóng
'
2
y
cos
kx
sin
t
=
-
( y x t ,
)
m
1 2
1 2
é ê ë
ö w f + ÷ ø Lệch pha
Cùng pha
æ ù f ç ú è û Ngược pha
amplitude
y
'
x t ,
2
y
cos
(
)
m
1 2
é = ê ë
ù f ú û
) 0
' 0 if = = f p
( y x t , tw f if
Hình17-16 ) ( kx -
( y x t ,
)
19
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
' 2 sin = = y m
Giao thoa của sóng
)
(
)
( y x t , 1
sin kx = - tw y m 1
(
)
(
) tw f +
m
2
x t , y sin kx = - y 2
( y x t ,
)
(
) tw b +
Kết quả giao thoa bên trên được tính bằng cách sử dụng giản đồ vector
Hình17-17
20
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
' ' sin kx = - y m
Sóng dừng
Sóng dừng được tạo thành từ sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ
Sóng 1
Sóng 2
nút
antinodes
Hình17-19
(
(
)
(
)
2
sin kx x t , sin kx = - tw = + tw y m 1 y 2 y m
( y x t , 1 ( y x t ,
) )
(
)
(
)
) )
( y x t , 1
m 1
m
2
sin
'
cos
=
tw
)
Sóng dừng có phương trình ] [ ( kx y x t , 2
y m
a b
( y x t , 1 kx = kx =
) t - w t + w
21
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
' y sin kx y sin kx = + = - t w + + t w
a
Sóng phản xạ ở biên
(a) Khi sóng truyền tới đầu cố định (biên) của một sợi dây thì đầu dây tạo thành một nút sóng ® Sóng tới và sóng phản xạ trái dấu nhau.
2a
(b) Khi sóng truyền tới đầu không cố định (biên) của một sợi dây thì đầu dây tạo thành một bụng sóng ® Sóng tới và sóng phản xạ cùng dấu nhau.
Hình17-21
22
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
Điều kiện tạo thành sóng dừng
Sóng chạyÛ mọi điểm trên sợi dây đều có cùng biên
độ (với điều kiện không bị hao phí năng lượng)
Sóng dừngÛ biên độ sóng thay đổi theo tọa độ (vị
trí trên dây
Resonant Wavelengths Sóng dừng chỉ tồn tại trên dây ở một số điều kiện nhất đinh: Standing waves are set up if:
2 ,
L L ,
, for
n
1, 2, 3,
,
l=
=
=
L 2 3
L 2 n
Resonant Frequencies
Fig. 16-23 Harmonic Series n
f 1st harmonic
1 = ®
Standing waves are set up if:
1 2nd harmonic
n
f
2 = ®
2
f
n
, for với
n
1, 2, 3,
=
=
=
v L 2
v l
f 3rd harmonic
n
3 = ®
3
23
PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020
