Lý thuyết và bài tập Vật lý - Chương 2: Sóng cơ học. Âm học

CHƯƠNG 2:SÓNG CƠ HỌC. ÂM HỌC 1. Sóng cơ học: a. Khái niệm: Sóng Là những dao động cơ học lan truyền trong môi trường vật chất theo thời gian ngang Là sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng dọc Là sóng có phương dao động trùng với phương truyền sóng. b. Các đại lượng đặc trưng cho sóng: Đại lượng Khái niệm Biểu thức. Chu kì sóng Là khoảng thời gian ngắn nhất mỗi phần tử môi trường có sóng truyền qua thực hiện một dao động. Tần số sóng Là số dao động mà mỗi phần tử môi trường thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Bước sóng +Là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên cùng một phương truyền sóng dao động cùng pha với nhau. + Là quãng đường mà sóng truyền đi được trong thời gian một chu kì dao động của sóng. Vận tốc sóng Là vận tốc truyền pha dao động. Biên độ sóng Biên độ sóng là biên độ dao động của phần tử vật chất tại điểm khảo sát khi có sóng truyền qua. - Những phần tử càng xa nguồn, năng lượng mà sóng truyền tới càng nhỏ. + Sóng là sóng cầu: Năng lượng truyển sóng ( giảm) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới nguồn. + Sóng là sóng phẳng: Năng lượng truyền sóng( giảm) tỉ lệ nghịch với khoảng tới nguồn. + Sóng truyền trên một đường thẳng thì năng lượng truyển qua mọi điểm là như nhau. Năng lượng sóng + Sóng làm cho các phần tử môi trường có sóng truyền qua dao động nên sóng mang năng lượng. + Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng. 2. Âm học: a. Dao động âm và sóng âm: - Dao động âm là dao động cơ học có tần số từ 16 Hz – 20 000 Hz ( 20 kHz). - Sóng âm là sóng cơ học có tần số từ 16 Hz – 20 000Hz. - Sóng siêu âm: là sóng có tần số f > 20 kHz. Có một số loài vật như: Cào cào; Dơi; Cá voi. Có thể phát ra và cảm nhận được sóng siều âm. - Sóng hạ âm: là sóng có tần số f < 16 Hz. Tai người không thể cảm nhận được sóng hạ âm và sóng siêu âm hay sóng siêu âm và sóng hạ âm không gây ra cảm giác âm đối với tai ta. b. Môi trường truyền âm. Vận tốc âm: - Môi trường truyền âm: + Âm truyền được trong mọi môi trường vật chất đàn hồi: rắn, lỏng, khí + Âm không truyền được trong chân không. - Vận tốc: + Phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường, nhiệt độ của môi trường: rắn > lỏng > khí. + Các chất nhẹ, mềm, xốp truyền âm kém. Chú ý: Khi sóng truyền qua hai môi trường có tính chất khác nhau thì vận tốc thay đổi nên bước sóng cũng thay đổi. Tuy nhiên chu kỳ T, tần số f và tốc độ góc thì không đổi. c. Các đặc trưng vật lí của âm: - Tần số: f = 16 Hz – 20 kHz. - Vận tốc âm khoảng 340 m/s trong không khí đến vài nghìn m/s trong chất rắn. - Bước sóng: (m). - Năng lượng âm – Cường độ âm -Mức cường độ âm: + Cường độ âm (I): tại 1 điểm là năng lượng truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Đơn vị : W/m2. + Mức cường độ âm(L): là đại lượng đo bằng log của tỷ lệ số giữa cường độ I tại điểm đang xét và cường độ âm chuẩn I0 của âm ( I0 = 10 – 12 W/m2) Mức cường độ âm có đơn vị là: Ben (B), đơn vị khác là dexiBen (dB): d. Các đặc tính sinh lí của âm: + Độ cao của âm: là đặc tính sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là tần số. - Nếu f nhỏ: Âm là âm trầm. - Nếu f lớn: Âm là âm cao (bổng). + Âm sắc: Là đặc tính sinh lí của âm, n ó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là biên độ và tần số. + Độ to của âm: là đặc tính sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính vật lí của âm là mức cường độ âm L và tần số âm. e. Ngưỡng nghe, ngưỡng đau và miền nghe được: - Ngưỡng nghe: Muốn gây cảm giác âm thì cường độ âm phải lớn hơn giá trị cực tiểu nào đó gọi là ngưỡng nghe. + ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số: Cụ thể khi f = 100 Hz thì ngưỡng nghe I = 10 – 12 W/m2; Khi tần số f = 50 Hz thì ngưỡng nghe I = 10 – 7 W/m2. + Tai người rất thính với những âm thanh có tần số f = 1000 – 5000 Hz mà giọng nói của phụ nữ có tần số nằm trong khoảng này nên các đài phát thanh thường dùng phát thanh viên là nữ. + Âm cao nghe rõ hơn âm trầm. - Ngưỡng đau: Khi cường độ âm W/m2 với mọi tần số của sóng âm, tai ta có một cảm giác đau đớn, nhức nhối gọi là ngưỡng đau. - Miền nghe được: Miền từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau gọi là miền nghe được. f. Nguồn âm và hộp cộng hưởng: - Nguồn âm: là những vật dao động phát ra âm thanh. VD: dây đàn rung động, cột không khí trong cây sáo, kèn trống, mõ - Hộp cộng hưởng: Hộp rỗng có khả năng cộng hưởng đối với nhiều tần số khác nhau. 3. Hiện tượng giao thoa và sóng dừng: a. Hiện tượng giao thoa: - Hai sóng kết hợp: là hai sóng có cùng tần số, cùng pha hoặc có độ lệch pha không đổi. - Định nghĩa hiện tượng giao thoa: là sự tổng hợp hai hay nhiều sóng kết hợp trong không gian, trong đó có những chỗ cố định biên độ sóng được tăng cường hoặc giảm bớt. + Độ lệch pha của hai sóng truyền từ hai nguồn truyền tới một điểm M là: - Điểm có biên độ cực đại khi: - Điểm có biên độ cực tiểu khi: b. Sóng dừng: Sóng có các nút và bụng cố định trong không gian. - Những điểm cách đầu cố định một số nguyên lần nửa bước sóng thì là một nút sóng. - Những điểm cách đầu cố định một số lẻ lần bước sóng thì là một bụng sóng: II. Các dạng toán thường gặp: Dạng 1: Viết phương trình sóng tại điểm M trên phương truyền sóng các nguồn O đoạn x = OM. Dạng 2: Xác định trạng thái dao động của điểm M (Cực đại hay cực tiểu) bất kì trong miền giao thoa hai sóng. Dạng 3: Giao thoa với hai nguồn kết hợp S1 và S2. Tìm số gợn lồi (số dao động cực đại) và số gợn lõm (số dao động cực tiểu) trên S1S2. Dạng 4: Xác định điều kiện để có sóng dừng. Suy ra số điểm bụng, số điểm nút. SÓNG CƠ. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG P1. Sóng cơ là gì? A. Sự truyền chuyển động cơ trong không khí.B. Những dao động cơ học lan truyền trong môi trường vật chất. C. Chuyển động tương đối của vật này so với vật khác.D. Sự co dãn tuần hoàn giữa các phần tử môi trường. P2. Bước sóng là gì? A. Là quãng đường mà mỗi ptửcủa môi trường đi được trong 1 giây.B. Là khoảng cách giữa hai ptửcủa sóng dao động ngược pha. C. Là khoảng cách giữa hai phần tử sóng gần nhau nhất dao động cùng pha. D. Là khoảng cách giữa hai vị trí xa nhau nhất của mỗi phần tử sóng. P3. Một sóng cơ có tần số 1000Hz truyền đi với tốc độ 330 m/s thì bước sóng của nó có giá trị nào sau đây? A. 330 000 m. B. 0,3 m-1. C. 0,33 m/s. D. 0,33 m. P4. Sóng ngang là sóng: A. lan truyền theo phương nằm ngang. B. trong đó các phần tử sóng dao động theo phương nằm ngang. C. trong đó các phần tử sóng dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng. D. trong đó các phần tử sóng dao động theo cùng một phương với phương truyền sóng. P5. Phương trình sóng có dạng nào trong các dạng dưới đây: A. x = Asin(wt + j); B. ; C. ; D. . P6. Một sóng cơ học có tần số f lan truyền trong môi trường vật chất đàn hồi với vận tốc v, khi đó bước sóng được tính theo công thứcA. l = v.f; B. l = v/f; C. l = 2v.f; D. l = 2v/f P7 Phát biểu nào sau đây về đại lượng đặc trưng của sóng cơ học là không đúng? A. Chu kỳ của sóng chính bằng chu kỳ dao động của các phần tử dao động. B. Tần số của sóng chính bằng tần số dao động của các phần tử dao động. C. Tốc độ của sóng chính bằng tốc độ dao động của các phần tử dao động. D. Bước sóng là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kỳ. P8 Sóng cơ học lan truyền trong môi trường đàn hồi với tốc độ v không đổi, khi tăng tần số sóng lên 2 lần thì bước sóng A. tăng 4 lần. B. tăng 2 lần. C. không đổi. D. giảm 2 lần. P9 Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào A. năng lượng sóng. B. tần số dao động.C. môi trường truyền sóng. D. bước sóng P10 Một người quan sát một chiếc phao trên mặt biển thấy nó nhô lên cao 10 lần trong 18s, khoảng cách giữa hai ngọn sóng kề nhau là 2m. Tốc độ truyền sóng trên mặt biển làA. v = 1m/s. B. v = 2m/s. C. v = 4m/s. D. v = 8m/s. SỰ PHẢN XẠ SÓNG -SÓNG DỪNG P1. Ta quan sát thấy hiện tượng gì khi trên dây có sóng dừng? A. Tất cả phần tử dây đều đứng yên.B. Trên dây có những bụng sóng xen kẽ với nút sóng. C. Tất cả các điểm trên dây đều dao động với biên độ cực đại.D. Tất cả các điểm trên dây đều chuyển động với cùng tốc độ. P2. Sóng truyền trên một sợi dây hai đầu cố định có bước sóng l. Muốn có sóng dừng trên dây thì chiều dài L của dây phải thoả mãn điều kiện nào?A. L = l. B. . C. L = 2l. D. L =l2. P3. Hiện tượng sóng dừng trên dây đàn hồi, khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp bằng bao nhiêu? A. bằng hai lần bước sóng. B. bằng một bước sóng.C. bằng một nửa bước sóng. D. bằng một phần tư bước sóng. P4. Một dây đàn dài 40cm, căng ở hai đầu cố định, khi dây dao động với tần số 600Hz ta quan sát trên dây có sóng dừng với hai bụng sóng. Bước sóng trên dây làA. l = 13,3cm. B. l = 20cm. C. l = 40cm. D. l = 80cm. P5. Một dây đàn dài 40cm, căng ở hai đầu cố định, khi dây dao động với tần số 600Hz ta quan sát trên dây có sóng dừng với hai bụng sóng. Tốc độ sóng trên dây làA. v = 79,8m/s. B. v = 120m/s. C. v = 240m/s. D. v = 480m/s. P6. Dây AB căng nằm ngang dài 2m, hai đầu A và B cố định, tạo một sóng dừng trên dây với tần số 50Hz, trên đoạn AB thấy có 5 nút sóng. Tốc độ truyền sóng trên dây là A. v = 100m/s. B. v = 50m/s. C. v = 25cm/s. D.v= 12,5cm/s. P7. Một sợi dây đàn hồi dài 60cm, được rung với tần số 50Hz, trên dây tạo thành một sóng dừng ổn định với 4 bụng sóng, hai đầu là hai nút sóng. Tốc độ sóng trên dây là A. v = 60cm/s. B. v = 75cm/s. C. v = 12m/s. D. v = 15m/s. GIAO THOA CỦA SÓNG P1. Điều kiện có giao thoa sóng là gì? A. Có hai sóng chuyển động ngược chiều giao nhau.B. Có hai sóng cùng tần số và có độ lệch pha không đổi. C. Có hai sóng cùng bước sóng giao nhau.D. Có hai sóng cùng biên độ, cùng tốc độ giao nhau. P2. Thế nào là 2 sóng kết hợp? A. Hai sóng chuyển động cùng chiều và cùng tốc độ.B. Hai sóng luôn đi kèm với nhau. C. Hai sóng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian. D. Hai sóng có cùng bước sóng và có độ lệch pha biến thiên tuần hoàn. P3. Có hiện tượng gì xảy ra khi một sóng mặt nước gặp một khe chắn hẹp có kích thước nhỏ hơn bước sóng? A. Sóng vẫn tiếp tục truyền thẳng qua khe.B. Sóng gặp khe phản xạ trở lại. C. Sóng truyền qua khe giống như một tâm phát sóng mới.D. Sóng gặp khe rồi dừng lại. P4. Trong hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước, khoảng cách giữa hai cực đại liên tiếp nằm trên đường nối hai tâm sóng bằng bao nhiêu?A. bằng hai lần bước sóng. B. bằng một bước sóng.C. bằng một nửa bước sóng. D. bằng một phần tư bước sóng. P5. Trong thí nghiệm tạo vân giao thoa sóng trên mặt nước, người ta dùng nguồn dao động có tần số 50Hz và đo được khoảng cách giữa hai vân tối liên tiếp nằm trên đường nối hai tâm dao động là 2mm. Bước sóng của sóng trên mặt nước là bao nhiêu? A. l = 1mm. B. l = 2mm. C. l = 4mm. D. l = 8mm. P6. Trong thí nghiệm tạo vân giao thoa sóng trên mặt nước, người ta dùng nguồn dao động có tần số 100Hz và đo được khoảng cách giữa hai vân tối liên tiếp nằm trên đường nối hai tâm dao động là 4mm. Tốc độ sóng trên mặt nước là bao nhiêu? A. v = 0,2m/s. B. v = 0,4m/s. C. v = 0,6m/s. D. v = 0,8m/s. P7. Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước, hai nguồn kết hợp A, B dao động với tần số 20Hz, tại một điểm M cách A và B lần lượt là 16cm và 20cm, sóng có biên độ cực đại, giữa M và đường trung trực của AB có 3 dãy cực đại khác. Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là bao nhiêu?A. v = 20cm/s. B. v = 26,7cm/s. C. v = 40cm/s. D. v = 53,4cm/s. P8. Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước, hai nguồn kết hợp A, B dao động với tần số f = 16Hz. Tại một điểm M cách các nguồn A, B những khoảng d1 = 30cm, d2 = 25,5cm, sóng có biên độ cực đại. Giữa M và đường trung trực có 2 dãy cực đại khác. Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là bao nhiêu?A. v = 24m/s. B. v = 24cm/s. C. v = 36m/s. D. v = 36cm/s. P9. Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước, hai nguồn kết hợp A, B dao động với tần số f = 13Hz. Tại một điểm M cách các nguồn A, B những khoảng d1 = 19cm, d2 = 21cm, sóng có biên độ cực đại. Giữa M và đường trung trực không có dãy cực đại khác. Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là bao nhiêu? A. v = 26m/s. B. v = 26cm/s. C. v = 52m/s. D. v = 52cm/s. SÓNG ÂM, NGUỒN NHẠC ÂM. P1. Cảm giác về âm phụ thuộc những yếu tố nào? A. Nguồn âm và môi trường truyền âm. B. Nguồn âm và tai người nghe. C. Môi trường truyền âm và tai người nghe. D. Tai người nghe và giây thần kinh thị giác. P2. Độ cao của âm phụ thuộc vào yếu tố nào của âm?A. Độ đàn hồi của nguồn âm. B. Biên độ dao động của nguồn âm. C. Tần số của nguồn âm. D. Đồ thị dao động của nguồn âm. P3. Tai con người có thể nghe được những âm có mức cường độ âm trong khoảng nào? A. Từ 0 dB đến 1000 dB. B. Từ 10 dB đến 100 dB. C. Từ -10 dB đến 100dB. D. Từ 0 dB đến 130 dB. P4. Âm cơ bản và hoạ âm bậc 2 do cùng một dây đàn phát ra có mối liên hệ với nhau như thế nào? A. Hoạ âm có cường độ lớn hơn cường độ âm cơ bản. B. Tần số hoạ âm bậc 2 lớn gấp dôi tần số âm cơ bản. C. Tần số âm cơ bản lớn gấp đôi tần số hoạ âm bậc 2. D. Tốc độ âm cơ bản lớn gấp đôi tốc độ hoạ âm bậc 2. P5. Hộp cộng hưởng có tác dụng gì A. Làm tăng tần số của âm. B. Làm giảm bớt cường độ âm. C. Làm tăng cường độ của âm. D. Làm giảm độ cao của âm. P6. Vận tốc truyền âm trong không khí là 340m/s, khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng dao động ngược pha nhau là 0,85m. Tần số của âm là A. f = 85Hz. B. f = 170Hz. C. f = 200Hz. D. f = 255Hz. P7. Một sóng cơ học có tần số f = 1000Hz lan truyền trong không khí. Sóng đó được gọi là A. sóng siêu âm. B. sóng âm. C. sóng hạ âm. D. chưa đủ điều kiện để kết luận. P8. Sóng cơ học lan truyền trong không khí với cường độ đủ lớn, tai ta có thể cảm thụ được sóng cơ học nào sau đây? A. Sóng cơ học có tần số 10Hz.B. Sóng cơ học có tần số 30kHz.C. Sóng cơ học có chu kỳ 2,0ms.D. Sóng cơ học có chu kỳ 2,0ms. P9. Phát biểu nào sau đây là không đúng? A. Sóng âm là sóng cơ học có tần số nằm trong khoảng từ 16Hz đến 20kHz.B. Sóng hạ âm là sóng cơ học có tần số nhỏ hơn 16Hz. C. Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20kHz.D. Sóng âm thanh bao gồm cả sóng âm, hạ âm và siêu âm. P10. Một sóng âm 450Hz lan truyền với vận tốc 360m/s trong không khí. Độ lệch pha giữa hai điểm cách nhau 1m trên một phương truyền sóng làA. Dj = 0,5p(rad). B. Dj = 1,5p (rad). C. Dj = 2,5p (rad). D. Dj = 3,5p (rad). BÀI TẬP VỀ SÓNG CƠ P1. Một sóng cơ học lan truyền trên sợi dây đàn hồi, trong khoảng thời gian 6s sóng truyền được 6m. Tốc độ truyền sóng trên dây là bao nhiêu?A. v = 1m. B. v = 6m. C. v = 100cm/s. D. v = 200cm/s. P2. Một sóng ngang lan truyền trên một dây đàn hồi rất dài, đầu 0 của sợi dây dao động theo phương trình u = 3,6sin(pt)cm, vận tốc sóng bằng 1m/s. Phương trình dao động của một điểm M trên dây cách 0 một đoạn 2m là A. uM = 3,6sin(pt)cm. B. uM = 3,6sin(pt - 2)cm. C. uM = 3,6sinp (t - 2)cm. D. uM = 3,6sin(pt + 2p)cm. P3. Đầu 0 của một sợi dây đàn hồi nằm ngang dao động điều hoà theo phương thẳng đứng với biên độ 3cm với tần số 2Hz. Sau 2s sóng truyền được 2m. Chọn gốc thời gian là lúc điểm 0 đi qua VTCB theo chiều dương. Li độ của điểm M cách 0 một khoảng 2m tại thời điểm 2s làA. xM = 0cm. B. xM = 3cm. C. xM = - 3cm. D. xM = 1,5 cm. P4. Trong một thí nghiệm về giao thoa sóng trên mặt nước, hai nguồn sóng kết hợp S1 và S2 dao động với tần số 15Hz. Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 30cm/s. Với điểm M có những khoảng d1, d2 nào dưới đây sẽ dao động với biên độ cực đại? A. d1 = 25cm và d2 = 20cm. B. d1 = 25cm và d2 = 21cm. C. d1 = 25cm và d2 = 22cm. D. d1 = 20cm và d2 = 25cm. P5. Dùng một âm thoa có tần số rung f = 100Hz để tạo ra tại 2 điểm O1 và O2 trên mặt nước hai nguồn sóng cùng biên độ, cùng pha. Biết O1O2 = 3cm. Một hệ gợn lồi xuất hiện gồm một gợn thẳng và 14 gợn hypebol mỗi bên. Khoảng cách giữa hai gợn ngoài cùng đo dọc theo O1O2 là 2,8cm. Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là bao nhiêu? A. v = 0,1m/s. B. v = 0,2m/s. C. v = 0,4m/s. D. v = 0,8m/s. P6. Tại một điểm A nằm cách nguồn âm N (nguồn điểm) một khoảng NA = 1m, có mức chuyển động âm là LA = 90dB. Biết ngưỡng nghe của âm đó là I0 = 0,1nW/m2. Cường độ của âm đó tại A là A. IA = 0,1nW/m2. B. IA = 0,1mW/m2. C. IA = 0,1W/m2. D. IA = 0,1GW/m2. P7. Tại một điểm A nằm cách nguồn âm N (nguồn điểm) một khoảng NA = 1m, có mức chuyển động âm là LA = 90dB. Biết ngưỡng nghe của âm đó là I0 = 0,1nW/m2. Mức cường độ của âm đó tại điểm B cách N một khoảng NB = 10m là A. LB = 7B. B. LB = 7dB. C. LB = 80dB. D. LB = 90dB. P8. Một sợi dây đàn hồi AB được căng theo phương ngang, đầu A cố định, đầu B được rung nhờ một dụng cụ để tạo thành sóng dừng trên dây. Tần số rung là 100Hz và khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp là l = 1m. Tốc độ truyền sóng trên dây là: A. 100cm/s; B. 50cm/s; C. 75cm/s; D. 150cm/s.