Giải Vật lí 11 Bài 13 (Kết nối tri thức): Sóng dừng

Giải bài tập Vật lí 11 Bài 13: Sóng dừng

Giải Vật lí 11trang 52

Khởi động trang 52 Vật Lí 11: Khi vỗ tay đều trước miệng các ống của đàn K’lông pút có độ dài khác nhau như hình bên, thì thấy âm phát ra ở các miệng ống trầm bổng khác nhau. Sóng âm lan truyền trong mỗi ống không phải là sóng chạy. Vậy đó là loại sóng gì và có những đặc điểm nào?

Lời giải:

- Đó là loại sóng dừng, là sóng tổng hợp của nhiều sóng tới và sóng phản xạ.

- Sóng dừng được tạo thành mỗi khi có hai sóng cùng biên độ, cùng bước sóng lan truyền theo hai hướng ngược nhau. Hai sóng này gặp nhau, giao thoa nhau tạo nên sóng tổng hợp là sóng dừng. Những điểm tại đó hai sóng ngược pha nhau thì không dao động và được gọi là nút sóng, những điểm tại đó hai sóng cùng pha nhau thì dao động với biên độ cực đại được gọi là bụng sóng.

I. Thí nghiệm tạo sóng dừng

Hoạt động trang 52 Vật Lí 11:

Chuẩn bị

- Giá thí nghiệm.

- Dây đàn hồi PQ.

- Bộ rung.

- Máy phát tần số.

Tiến hành

Bố trí thí nghiệm như Hình 13.1.

Bước 1: Giữ cho dây căng, đầu P mắc vào ròng rọc, đầu rung mắc vào dây.

Bước 2: Cho bộ rung hoạt động để rung đầu P. Điều chỉnh tần số của bộ rung cho đến khi trên dây xuất hiện những điểm dao động với biên độ cực đại và có những điểm đứng yên. Hiện tượng như vậy gọi là hiện tượng sóng dừng. Ghi lại tần số của bộ rung.

Bước 3: Thay đổi tần số của bộ rung cho đến khi lại quan sát được những điểm dao động với biên độ cực đại và những điểm đứng yên. Ghi lại tần số mới của bộ rung.

Lời giải:

Học sinh tự làm thí nghiệm với các bước hướng dẫn ở trên.

Câu hỏi trang 52 Vật Lí 11: Từ kết quả thí nghiệm rút ra điều kiện để có sóng dừng.

Lời giải:

Điều kiện để có sóng dừng trong thí nghiệm trên là chiều dài sợi dây có hai đầu cố định là chiều dài sợi dây phải bằng số nguyên lần nửa bước sóng:

$\mathcal{l}=k\frac{\lambda }{2}=k\frac{v}{2f}$ (k = 1, 2, 3, …)

II. Giải thích sự tạo thành sóng dừng

Giải Vật lí 11trang 53

Câu hỏi trang 53 Vật Lí 11: Hãy xác định số nút và số bụng của sóng dừng trên sợi dây Hình 13.3.

Lời giải:

- Số nút: 4 nút.

- Số bụng: 3 bụng.

III. Sóng dừng trong các nhạc cụ

Câu hỏi trang 53 Vật Lí 11: Hãy giải thích sự tạo thành sóng dừng trên dây PQ ở thí nghiệm Hình 13.1.

Lời giải:

Coi bộ rung P phát ra sóng tới, khi sóng tới đến gặp điểm Q cố định thì tạo ra sóng phản xạ. Sóng tới từ P gặp sóng phản xạ từ Q, do hai sóng này cùng biên độ, cùng tần số nên tạo ra hiện tượng sóng dừng, có các điểm nút, điểm bụng như chúng ta quan sát trong thí nghiệm.

Giải Vật lí 11trang 54

Câu hỏi 1 trang 54 Vật Lí 11: Một dây đàn hồi dài 0,6 m hai đầu cố định dao động với một bụng sóng.

a) Tính bước sóng λ của sóng trên dây.

b) Nếu dây dao động với 3 bụng sóng thì bước sóng là bao nhiêu?

Lời giải:

a) Sóng dừng trên sợi dây có 2 đầu cố định với một bụng sóng, nên

$\mathcal{l}=k\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \mathrm{0,6}=1.\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \lambda =\mathrm{1,2}m$

b) Nếu trên dây dao động với 3 bụng sóng thì $\mathcal{l}=k\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \mathrm{0,6}=3.\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \lambda =\mathrm{0,4}m$

Câu hỏi 2 trang 54 Vật Lí 11: Trên sợi dây đàn hồi, có chiều dài L = 1,2 m người ta tạo ra sóng dừng có hình dạng được mô tả ở Hình 13.6. Biết tần số rung của sợi dây là f = 13,3 Hz. Xác định tốc độ truyền sóng trên dây.

Lời giải:

Trên dây có sóng dừng với 3 bụng sóng, suy ra $\mathcal{l}=k\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \mathrm{1,2}=3.\frac{\lambda }{2}\Rightarrow \lambda =\mathrm{0,8}m$

Tốc độ truyền sóng trên dây: $v=f.\lambda =\mathrm{13,3.0,8}=\mathrm{10,64}m/s$

Câu hỏi trang 54 Vật Lí 11: Tìm điều kiện để có sóng dừng trong cột không khí một đầu cố định, một đầu tự do (Hình 13.7).

Lời giải:

Quan sát hình ảnh thấy trên dây có 3 bụng, 3 nút, độ dài sợi dây khi đó $\mathcal{l}=2.\frac{\lambda }{2}+1.\frac{\lambda }{4}$

Từ đó ta có thể tổng quát được điều kiện để có sóng dừng trên sợi dây có một đầu cố định, 1 đầu tự do là $\mathcal{l}=\left(2k+1\right)\frac{\lambda }{4}$ với k là số bó sóng.

Em có thể trang 54 Vật Lí 11: Giải thích được sự hình thành sóng dừng trong thực tế. Ví dụ trong ống sáo, đàn K’lông pút.

Lời giải:

Khi thổi sáo, thì dao động của cột không khí trong sáo cũng làm xuất hiện một hệ sóng dừng có một đầu cố định, một đầu tự do và chiều dài ống sáo thỏa mãn điều kiện:

$\mathcal{l}=\left(2k+1\right)\frac{\lambda }{4}$.

Lý thuyết Sóng dừng

I. Thí nghiệm tạo sóng dừng

II. Giải thích sự tạo thành sóng dừng

1. Đặc điểm của sóng dừng

- Sóng dừng được tạo thành mỗi khi có hai sóng cùng biên độ, cùng bước sóng lan truyền theo hai hướng ngược nhau. Hai sóng này gặp nhau, giao thoa thành sóng dừng

- Những điểm tại đó hai sóng ngược pha nhau thì không dao động và được gọi là nút sóng

- Những điểm tại đó hai sóng đồng pha với nhau thì dao động với biên độ cực đại được gọi là bụng sóng

- Sóng dừng là tổng hợp của nhiều sóng tới và sóng phản xạ

2. Điều kiện để có sóng dừng

- Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu cố định là chiều dài của sợi dây phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng

$L=n\frac{\lambda }{2}$

Với n= 1, 2, 3, …

III. Sóng dừng trong các nhạc cụ

1. Sóng dừng đối với nhạc cụ dây

- Đối với các loại nhạc cụ dây như đàn ghita, violon, đàn tính, đàn cò,… thì hai đầu dây đàn được giữ cố định

- Để khuếch đại âm, đàn ghita, đàn tính còn có một thùng đàn đóng vai trò hộp cộng hưởng

2. Sóng dừng đối với nhạc cụ khí

- Đối với nhạc cụ khí như sáo, kèn, khi ta thổi, cột không khí dao động tạo ra sóng dừng

Sơ đồ tư duy về “Sóng dừng”