Slide bài giảng Vật lí 11 chân trời bài 10: Thực hành đo tần số của sóng âm và tốc độ truyền âm

Tóm lược nội dung

BÀI 10. THỰC HÀNH ĐO TẦN SỐ CỦA SÓNG ÂM VÀ TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM

I. SỰ PHẢN XẠ SÓNG

Thảo luận 1 trang 62 sgk vật lý 11 ctst

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

Đáp án rút gọn: 

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 

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. 

Thực hiện thí nghiệm ít nhất 3 lần từ đó ghi lại kết quả đo 

Thảo luận 2 trang 63 sgk vật lý 11 ctst

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.

Đáp án rút gọn:

+  Tỉnh giá trị trung bình: =

+ Tính sai số tuyệt đối trung bình: 

=

Sai số tuyệt đối của phép đo:  trong đó  là sai số dụng cụ (thường được cung cấp bởi nhà sản xuất).

– Một số nguyên nhân gây ra sai số trong thí nghiệm đo tần số sóng âm:

+ Tín hiệu đầu vào bị nhiều do yếu tố ngoại cảnh 

+ Sai số đo các dụng cụ thí nghiệm 

+ Thao tác của người làm thí nghiệm 

- Cách khắc phục:

+ Hạn chế gây ra âm thanh nhiều trong quá trình do.

+ Kiểm tra dụng cụ thí nghiệm trước khi đo, đảm bảo các dụng cụ hoạt động tốt.

+ Chọn thang đo phù hợp, điều chỉnh máy để tín hiệu hiển thị rõ nét trên màn hình quan sát và đọc số liệu cẩn thận,…

Thảo luận 3 trang 63 sgk vật lý 11 ctst

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.

Đáp án rút gọn:

So sánh kết quả đo của A và B nếu giá trị A sai lệch không quá 10% so với giá trị B thì kết quả đo được coi là tốt.

So sánh kết quả B và C nếu giá trị C sai lệch không quá 10% so với giá trị D thì kết quả đo được coi là tốt.

Nếu kết quả đo không tốt thì cần tìm cách khắc phục sai số như đã đề cập ở câu hỏi 2 và thực hiện lại các bước tiến hành thí nghiệm.

Luyện tập trang 63 sgk vật lý 11 ctst

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.

Đáp án rút gọn:

Thảo luận 4 trang 64 sgk vật lý 11 ctst

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

Đáp án rút gọn:

*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 – 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. 

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 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 vị trí ban đầu, lặp lại các bước 5 và 6 thêm 4 lần nữa. Ghi số liệu vào Bảng 10.2.

Thảo luận 5 trang 64 sgk vật lý 11 ctst

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

Đáp án rút gọn:

- Một số nguyên nhân gây ra sai số trong thí nghiệm đo tốc độ truyền âm:

+ Tín hiệu đầu vào bị nhiều do yếu tố ngoại cảnh 

+ Sai số do các dụng cụ thí nghiệm 

+ Thao tác của người làm thí nghiệm

- Cách khắc phục:

+ Hạn chế gây ra âm thanh nhiều trong quá trình đó.

+ Kiểm tra dụng cụ thí nghiệm trước khi đo, đảm bảo các dụng cụ hoạt động tốt.

+ Khi điều chỉnh pit-tông cần thao tác chậm, nhẹ nhàng để có thể biết được chính xác tại giá trị nào thì có âm cộng hưởng, khi đọc giá trị độ cao pit-tông thì cần đặt mắt thẳng và vuông góc với mặt thước.

Thảo luận 6 trang 65 sgk vật lý 11 ctst

Giải thích vì sao ta có biểu thức:

 Đáp án rút gọn:

Khi pít tông kéo đến vị trí âm thanh nghe được là to nhất lần thứ nhất

 Khi pít tông kéo đến vị trí âm thanh nghe được là to nhất lần thứ 2

Khi đó chênh lệch giữa chiều dài là

Luyện tập trang 65 sgk vật lý 11 ctst

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).

Đáp án rút gọn:

Tiến hành thí nghiệm đo tốc độ truyền âm trong không khí bằng hai phương án:

1. Phương án 1: Sử dụng ống cộng hưởng
   • Đo tốc độ truyền âm trong không khí bằng cách tạo ra sóng âm trong ống cộng hưởng và xác định tần số cộng hưởng.
   • Từ đó, tính tốc độ truyền âm dựa trên chiều dài ống và tần số cộng hưởng.
2. Phương án 2: Sử dụng phương pháp thả vật rơi
   • Thả một vật rơi tự do từ độ cao nhất định so với một bề mặt cứng.
   • Đo khoảng thời gian từ lúc thả vật đến khi nghe âm phát ra từ va chạm của vật với bề mặt.
   • Tính tốc độ truyền âm dựa trên thời gian đo được và độ cao thả vật.

So sánh kết quả:

• So sánh tốc độ truyền âm đo được từ cả hai phương án.
• Đối chiếu với tốc độ truyền âm chuẩn trong không khí để đánh giá độ chính xác của hai phương án thí nghiệm.

Vận dụng trang 65 sgk vật lý 11 ctst

Cảm biến âm là cảm biến có nguyên tắc hoạt động tương tự. Khi sóng âm được truyền tới cảm biến thì nên 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 tin hiệu điện này trên màn hình (Hình 104), dựa vào đô thị và sự cải đặt tỉ lệ trục thời gian ban đầu ta có thể xác định được chu kì của tín hiệu.

Nếu có hai sống 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 tin điện trên màn hình và cũng có thể xác định được hai thời điểm mà cảm biến bắt đầu ghi nhận hai sóng 3m .

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

Đáp án rút gọn:

HS thiết kế phương án thí nghiệm đo tẩn số sóng âm và tốc độ truyền âm trong không khi sử dụng cảm biến âm và bộ xử lí số liệu.

Đo tần số sóng âm

1. Thiết bị: Nguồn âm, cảm biến, bộ xử lý số liệu.
2. Thực hiện: Phát sóng âm, đo chu kỳ , tính tần số 

Đo tốc độ truyền âm

1. Thiết bị: Hai nguồn âm, cảm biến, bộ xử lý số liệu, thước đo, đồng hồ.
2. Thực hiện: Phát sóng âm từ hai nguồn cách nhau , đo chênh lệch thời gian , tính tốc độ 

So sánh kết quả

• Đo tốc độ truyền âm bằng hai phương pháp, so sánh với chuẩn 343 m/s