Giải Vật Lí 12 Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm

81 lượt xem

Bài trước

Bài sau

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Đặc trưng vật lí của âm lớp 12.

Bài giảng Vật Lí 12 Bài 10: Đặc trưng vật lý của âm

Giải bài tập Vật Lí Lớp 12 Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 50 SGK Vật Lí 12: Hãy chỉ ra bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ này

Lời giải:

Bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ:

- Đàn dây thì sợi dây đàn dao động phát ra âm.

- Ống sáo thì cột không khí dao động phát ra âm.

- Âm thoa thì hai nhánh âm thoa dao động phát ra âm.

Trả lời câu C2 trang 51 SGK Vật Lí 12: Thật ra, lúc trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn còn nghe thấy tiếng chuông rất nhỏ. Giải thích thế nào và chứng minh cách giải thích đó thế nào?

Lời giải:

Trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn nghe thấy tiếng chuông reo rất nhỏ là do âm còn truyền qua giá gắn chuông, bàn đặt chuông và hộp thủy tinh rồi truyền qua không khí đến tai ta.

Nếu ta đặt chuông lên tấm nhựa xốp, mềm cách âm đối với bàn thì âm nghe sẽ giảm. Nếu tấm nhựa xốp cách âm tốt thì tai ta sẽ không còn nghe nữa.

Trả lời câu C3 trang 51 SGK Vật Lí 12: Hãy nêu một vài dẫn chứng chứng tỏ rằng âm truyền với một tốc độ hữu hạn.

Lời giải:

- Khi trời mưa giông, ta thấy tia chớp chói sáng sau khoảng thời gian khá lâu mới nghe tiếng sấm.

- Người đánh kẻng ở xa, từ 150m đến 200m, ta thấy dùi đánh vào kẻng sau mỗi khoảng thời gian khá lâu mới nghe tiếng kẻng.

Câu hỏi và bài tập (trang 55 SGK Vật Lí 12)

Bài 1 trang 55 SGK Vật Lí 12: Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không?

Lời giải:

Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất là sóng cơ học, nhưng khác nhau về tần số.

- Hạ âm: là những âm có tần số nhỏ hơn 16Hz, tai người không nghe được.

- Siêu âm: là những âm có tần số lớn hơn 20000Hz, tai người không nghe được.

Bài 2 trang 55 SGK Vật Lí 12: Sóng âm là gì?

Lời giải:

Sóng âm là sóng cơ truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí.

Bài 3 trang 55 SGK Vật Lí 12: Nhạc âm là gì ?

Lời giải:

Nhạc âm là những âm có tần số xác định thường do các nhạc cụ phát ra.

Bài 4 trang 55 SGK Vật Lí 12: Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí, âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào ?

Lời giải:

Nhanh nhất trong chất rắn, chậm nhất trong chất khí.

Bài 5 trang 55 SGK Vật Lí 12: Cường độ âm được đo bằng gì ?

Lời giải:

Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian: I = Et.S = PS.

Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông kí hiệu là $W / m^{2}$

Bài 6 trang 55 SGK Vật Lí 12: Chọn câu đúng.

Siêu âm là âm

A. có tần số lớn.

B. có cường độ rất lớn.

C. có tần số trên 20000 Hz.

D. truyền trong mọi môi trường nhanh hơn âm.

Lời giải:

Ta có, siêu âm là âm có tần số trên $20000 H z$

Đáp án C.

Bài 7 trang 55 SGK Vật Lí 12: Chọn câu đúng.

Cường độ âm được đo bằng

A. oát trên mét vuông.

B. oát.

C. niutơn trên mét vuông.

D. niutơn trên mét.

Phương pháp giải:

Đơn vị cường độ âm là Oát trên mét vuông ký hiệu là W/m2

Lời giải:

Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng được đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị của cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu là $W / m^{2}$

Đáp án A.

Bài 8 trang 55 SGK Vật Lí 12: Một lá thép dao động với chu kì

T = 80 m s

. Âm do nó phát ra có nghe được không ?

Phương pháp giải:

+ Sử dụng biểu thức tính tần số $f = \frac{1}{T}$

+ Âm nghe được (âm thanh) có tần số từ $16 H z$ đến $20000 H z$

Lời giải:

Tần số âm $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{{80.10}^{- 3}} = 12, 5 H z < 16 H z$ .

Vậy âm này là hạ âm => không nghe thấy được.

Bài 9 trang 55 SGK Vật Lí 12: Một siêu âm có tần số 1 MHz sử dụng bảng 10.1, hãy tính bước sóng của siêu âm này trong không khí ở 00C và trong nước ở 150C.

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức tính bước sóng

λ = \frac{v}{f}

cho các trường hợp siêu âm này trong không khí ở 00C và trong nước ở 150C.

Lời giải:

Theo bảng 10.1, vận tốc âm trong không khí ở 00C là v = 331 m/s, trong nước ở 150C là v’ = 1500(m/s).

- Trong không khí ở 00C :

$λ = \frac{v_{k h ô n g k h í}}{f} = \frac{331}{10^{6}} = 3, {31.10}^{- 4} m = 0, 331 m m$

- Trong nước ở 150C :

$λ^{'} = \frac{v_{n ư ớ c}}{f} = \frac{1500}{10^{6}} = 1, {5.10}^{- 3} m = 1, 5 m m$

Bài 10 trang 55 SGK Vật Lí 12: Để đo tốc độ âm trong gang, nhà vật lí Pháp Bi-ô đã dùng một ống bằng gang dài

951, 25 m

. Một người đập một nhát búa vào một đầu ống gang, một người ở đầu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí trong ống gang; hai tiếng ấy cách nhau

2, 5 s

. Biết tốc độ âm trong không khí là

340 m / s

, hãy tính tốc độ âm trong gang.

Phương pháp giải:

Sử dụng biểu thức tính thời gian:

t = \frac{s}{v}

Lời giải:

Ta có:

+ Thời gian người đó nghe được âm truyền trong gang là: $t_{1} = \frac{s}{v_{1}}$ (với $v_{1}$ vận tốc âm truyền trong gang)

+ Thời gian người đó nghe được âm truyền trong không khí là: $t_{2} = \frac{s}{v_{2}}$ (với $v_{2}$ vận tốc âm truyền trong không khí)

Theo đề bài, ta có: ${\begin{cases} Δ t = 2, 5 s \\ s = 951, 25 m \\ v_{2} = 340 m / s \end{cases}$

$\begin{array}{l} Δ t = t_{2} - t_{1} = \frac{s}{v_{2}} - \frac{s}{v_{1}} \\ \Leftrightarrow 2, 5 = \frac{951, 25}{340} - \frac{951, 25}{v_{1}} \\ \Rightarrow v_{1} = 3194, 32 m / s \end{array}$

Phương pháp giải một số dạng bài tập về sóng âm

Tổng hợp cách giải một số dạng bài tập về sóng âm thường gặp

Dạng 1: Bài toán về sự truyền sóng âm trong các môi trường vật chất

Thời gian truyền âm trong môi trường 1 và 2 lần lượt là:

$t_{1} = \frac{s}{v_{1}}; t_{2} = \frac{s}{v_{2}}$ , với $v_{1}, v_{2}$ là tốc độ truyền âm trong hai môi trường.

Giả sử $v_{1} > v_{2}$ thì $Δ t = t_{2} - t_{1} = \frac{s}{v_{2}} - \frac{s}{v_{1}}$

+ Gọi t là thời gian từ lúc truyền âm cho đến khi nghe được âm phản xạ thì $t = \frac{2 s}{v}$

+ Thời gian rơi tự do của vật từ độ cao h là $t = \sqrt{\frac{2 h}{g}}$

+ Gọi t là thời gian từ lúc thả vật cho đến khi nghe được âm phản xạ thì $t = \sqrt{\frac{2 h}{g}} + \frac{h}{v}$

- Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất môi trường, nhiệt độ của môi trường và khối lượng riêng của môi trường. Tốc độ âm phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường tuân theo hàm bậc nhất: $v = v_{0} + a T$

Bài tập ví dụ: Để ước lượng độ sâu của một giếng cạn nước, một người dùng đồng hồ bấm giây, ghé sát tai vào miệng giếng và thả một hòn đá rơi tự do từ miệng giếng. Sau 3 s thì người đó nghe thấy tiếng hòn đá đập vào đáy giếng. Giả sử tốc độ truyền âm trong không khí là 330 m/s. Độ sâu ước lượng của giếng là?

Hướng dẫn giải

Sau 3 s thì người đó nghe thấy tiếng hòn đá đấp và đáy giếng. Đây là thời gian từ lúc thả vật cho đến khi nghe được âm phản xạ = thời gian hòn đá rơi từ miệng giếng đến đáy giếng + thời gian tiếng động của hòn đá truyền từ đáy giếng lên miệng giếng.

+ Hòn đá rơi từ miệng giếng xuống đáy giếng là chuyển động rơi tự do nên:

$t_{1} = \sqrt{\frac{2 h}{g}} = \sqrt{\frac{2 h}{10} = \sqrt{0, 2 h}} (s)$ (1)

+ Tiếng động của hòn đá truyền từ đáy giếng lên tới miệng giếng là chuyển động thẳng đều của âm thanh với tốc độ truyền âm là v = 330 m/s, nên:

$t_{2} = \frac{h}{v} = \frac{h}{330} (s)$ (2)

Từ (1) và (2) ta có:

$t = t_{1} + t_{2} \Leftrightarrow 3 = \sqrt{0, 2 h} + \frac{h}{330} \Leftrightarrow h = 41, 32 m$

Dạng 2: Bài toán về cường độ âm và mức cường độ âm

- Cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ âm $I = μ A \Rightarrow \frac{I_{2}}{I_{1}} = {(\frac{A_{2}}{A_{1}})}^{2}$

- Cường độ âm tại hai điểm A, B được cho bởi: ${\begin{cases} I_{A} = \frac{P}{4 π R_{A}^{2}} \\ I_{B} = \frac{P}{4 π R_{B}^{2}} \end{cases} \Rightarrow \frac{I_{A}}{I_{B}} = {(\frac{R_{B}}{R_{A}})}^{2}$

- Mức cường độ âm: (B)

$L = \lg \frac{I}{I_{0}} \Rightarrow I = I_{0} 10^{L} \Rightarrow \frac{I_{A}}{I_{B}} = \frac{10^{L_{A}}}{10^{L_{B}}} = 10^{L_{A} - L_{B}}$

- Tại hai điểm A,B có mức cường độ âm lần lượt là $L_{A}, L_{B}$ thì ta có:

$L_{A} - L_{B} = \lg \frac{I_{A}}{I_{0}} - \lg \frac{I_{B}}{I_{0}} = \lg \frac{I_{A}}{I_{B}} = \lg {(\frac{R_{B}}{R_{A}})}^{2} = 2 \lg (\frac{R_{B}}{R_{A}})$

- Cường độ âm tỉ lệ với công suất nguồn nâm và tỉ lệ với số nguồn âm giống nhau:

$\frac{I_{A}}{I_{B}} = 10^{L_{A} - L_{B}} = \frac{P_{A}}{P_{B}} = \frac{n_{A} P_{0}}{n_{B} P_{0}} = \frac{n_{A}}{n_{B}}$

*Chú ý:

- Ở tần số âm f = 1000 Hz thì $I_{0} = 10^{- 12} W / m^{2}$ gọi là cường độ âm chuẩn.

- Để cảm nhận được âm thì cường độ âm $I \geq I_{0}$ hay mức cường độ âm $L \geq 0$

Bài tập ví dụ: Tại một điểm trên phương truyền sóng âm với biên độ 0,2 mm, có cường độ âm là 2 W/m2. Cường độ âm tại điểm đó sẽ bằng bao nhiêu nếu tại đó biên độ âm bằng 0,3mm?

Hướng dẫn giải

Ta có: Cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ: $I = μ A \Rightarrow \frac{I_{2}}{I_{1}} = {(\frac{A_{2}}{A_{1}})}^{2}$

$\Rightarrow I_{2} = I_{1} {(\frac{A_{2}}{A_{1}})}^{2} = 2. {(\frac{0, 3}{0, 2})}^{2} = 4, 5 W / m^{2}$

Dạng 3: Bài toán về nguồn nhạc âm

- Nhạc âm là những âm có tần số xác định và đồ thị dao động là đương cong hình sin.

- Tạp âm là những âm có tần số không xác định và đồ thi dao động là những đường cong phức tạp.

- Một âm khi phát ra được tổng hợp từ một âm cơ bản và các âm khác còn lại là hoại âm. Âm cơ bản có tần số $f_{1}$ , còn các họa âm có tần số bằng bội số tương ứng với âm cơ bản.

* Các nguồn âm thường gặp:

- Dây đàn :

+ Hai đầu là hai nút sóng

+ Chiều dài dây: $l = k \frac{λ}{2}$ hay $f = k \frac{v}{2 l}$

+ Âm cơ bản: $f_{1} = \frac{v}{2 l}$

- Ống sáo hở hai đầu mà nghe được âm to nhất:

+ Hai đầu là hai bụng sóng

+ Chiều dài ống sáo: $l = k \frac{λ}{2}$ hay $f = k \frac{v}{2 l}$

+ Âm cơ bản: $f_{1} = \frac{v}{2 l}$

- Ống sáo một đầu bịt kín, một đầu để hở mà nghe được âm to nhất thì giống sợi dây một đầu cố định, một đầu tự do:

+ Đầu bịt kín là nút, đầu để hở là bụng

+ Chiều dài ống sáo: $l = k \frac{λ}{2} + \frac{λ}{4}$ hay $f = (2 k + 1) \frac{v}{4 l}$

+ Âm cơ bản: $f_{1} = \frac{v}{4 l}$

Bài tập ví dụ:

Hai họa âm liên tiếp do một dây đàn phát ra có tần số hơn kém nhau 56 Hz, họa âm thứ ba và họa âm thứ năm có tần số bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Ta có: ${\begin{cases} f_{n} = n f_{1} \\ f_{n + 1} = (n + 1) f_{1} \end{cases}$

Hai họa âm liên tiếp có tần số hơn kém nhau 56 Hz nên ta có:

$f_{n + 1} - f_{n} = (n + 1 - n) f_{1} = f_{1} = 56 H z$

Tần số của họa âm thứ ba và họa âm thứ năm lần lượt là:

${\begin{cases} f_{3} = 3 f_{1} = 3.56 = 168 H z \\ f_{5} = 5 f_{1} = 5.56 = 280 H z \end{cases}$

Lý thuyết Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm

1. Khái niệm sóng âm

Sóng âm là những sóng cơ truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn.

2. Nguồn âm

- Nguồn âm là các vật dao động. Tần số dao động của nguồn cũng là tần số của sóng âm.

- Trong mỗi môi trường, âm truyền với một tốc độ xác định.

3. Phân loại:

- Âm nghe được(âm thanh): Là những sóng âm gây ra cảm giác âm với màng nhĩ, có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz.

- Âm có tần số dưới 16 Hz gọi là hạ âm, tai người không nghe được nhưng voi, chim bồ câu,.. vẫn có thể nghe được hạ âm.

- Âm có tần số trên 20000 Hz gọi là siêu âm, tai người không nghe được nhưng chó, dơi, cá heo,.. vẫn có thể nghe được siêu âm.

4. Sự truyền âm:

+ Âm chỉ truyền qua được các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không.

+ Sóng âm truyền trong mỗi môi trường với vận tốc xác định: vr > vl > vk

5. Đặc trưng vật lí của âm

- Tần số dao động của âm: f

- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian; đơn vị W/m2:

- Mức cường độ âm: với I0 là chuẩn cường độ âm (âm rất nhỏ vừa đủ nghe, thường lấy chuẩn cường độ âm I0 = 10-12 W/m2 với âm có tần số 1000 Hz)

Đơn vị của mức cường độ âm là ben (B). Trong thực tế người ta thường dùng ước số của ben là đêxiben (dB): 1dB = 0,1 B.

Với là cường độ âm chuẩn :

6. Tạp âm và nhạc âm

- Tạp âm: là những âm không có tần số xác định.

- Nhạc âm là âm có tần số xác định và thường kéo dài.

7. Nhạc cụ

Khi cho một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f0, gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra một loạt âm có tần số là một số nguyên lần âm cơ bản 2f0, 3f0,... Các âm này gọi là các họa âm thứ hai, họa âm thứ ba,...

8. Sơ đồ tư duy về đặc trưng vật lí của âm - Vật lí 12

Giải Vật Lí 12 Bài 10: Đặc trưng vật lí của âm (ảnh 1)

Xem thêm các chương trình khác:

Bài trước

Bài sau

Giải SGK, SBT, Chuyên đề Vật Lý Lớp 12