Ví dụ: Luyện tập: Sóng và âm

Bài tập luyện tập: Sóng và âm

Giới thiệu

Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu về các khái niệm cơ bản của sóng cơ học, đặc biệt là sóng âm. Để củng cố kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải bài tập, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau thực hành qua các ví dụ minh họa từng bước. Mục tiêu của bài luyện tập này là giúp các em vận dụng linh hoạt các công thức về bước sóng, tốc độ truyền sóng, tần số và các đặc trưng vật lý của sóng âm.

Lý thuyết cần nhớ

• Sóng cơ học: Sóng lan truyền dao động trong môi trường vật chất.
• Các đại lượng đặc trưng:
  • Biên độ (A): độ lệch lớn nhất khỏi vị trí cân bằng.
  • Bước sóng (λ): quãng đường sóng truyền trong một chu kỳ.
  • Tần số (f): số dao động toàn phần thực hiện trong một giây (Hz).
  • Chu kỳ (T): thời gian thực hiện một dao động toàn phần (s).
• Công thức liên hệ:
  • Tốc độ truyền sóng: v = λ × f hay v = λ / T.
  • Trong đó, v là tốc độ truyền sóng (m/s), λ là bước sóng (m), f là tần số (Hz).
• Sóng âm: Là sóng cơ học truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí. Tai người nghe được âm có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz.

Ví dụ minh họa từng bước

Ví dụ 1: Một sóng cơ học truyền trên mặt nước với tần số 50 Hz. Khoảng cách giữa hai gợn sóng liên tiếp là 0,4 m. Hãy tính tốc độ truyền sóng.

Bước 1: Xác định các đại lượng đã cho.

• Tần số f = 50 Hz.
• Khoảng cách giữa hai gợn sóng liên tiếp chính là bước sóng λ = 0,4 m.

Bước 2: Chọn công thức phù hợp.

Tốc độ truyền sóng v = λ × f.

Bước 3: Thay số và tính toán.

v = 0,4 m × 50 Hz = 20 m/s.

Kết luận: Tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 20 m/s.

Ví dụ 2: Một người đứng cách một vách núi 170 m và hét to. Sau 1 giây, người đó nghe thấy tiếng vọng của mình. Biết tốc độ truyền âm trong không khí là 340 m/s. Hãy cho biết âm truyền từ người đến vách núi rồi phản xạ lại mất bao nhiêu thời gian? Từ đó khẳng định lại kết quả?

Bước 1: Phân tích hiện tượng.

Âm thanh phát ra từ người, truyền đi đến vách núi (quãng đường d = 170 m), sau đó phản xạ và quay trở lại người ( thêm 170 m nữa). Tổng quãng đường âm đi là 2 × 170 m = 340 m.

Bước 2: Tính thời gian.

Thời gian âm truyền tổng cộng: t = s / v = 340 m / 340 m/s = 1 giây.

Bước 3: Kết luận.

Kết quả này hoàn toàn phù hợp với dữ kiện đề bài cho là "sau 1 giây nghe thấy tiếng vọng". Như vậy, tốc độ truyền âm trong không khí xác định là chính xác.

Lưu ý quan trọng: Trong hiện tượng tiếng vang, âm truyền đi và phản xạ lại, nên tổng quãng đường gấp đôi khoảng cách đến vật cản. Thời gian nghe thấy tiếng vang thường lớn hơn 1/15 giây.

Ví dụ 3: Một dây đàn ghita dài 0,9 m, khi gảy, trên dây tạo ra một bước sóng dừng có một bụng sóng. Tần số âm phát ra là 200 Hz. Tốc độ truyền sóng trên dây là bao nhiêu?

Bước 1: Xác định điều kiện sóng dừng.

Trên dây có 1 bụng sóng nghĩa là dây dao động với một múi sóng. Chiều dài dây L = λ/2 (vì hai đầu dây là nút).

Bước 2: Tính bước sóng.

L = λ/2 → λ = 2 × L = 2 × 0,9 m = 1,8 m.

Bước 3: Tính tốc độ truyền sóng trên dây.

v = λ × f = 1,8 m × 200 Hz = 360 m/s.

Kết luận: Tốc độ truyền sóng trên dây đàn là 360 m/s.

Ghi nhớ

• Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha trên phương truyền sóng.
• Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào bản chất môi trường (nhiệt độ, tính đàn hồi...), không phụ thuộc vào tần số hay biên độ.
• Đối với sóng âm, biên độ sóng quyết định độ to, tần số quyết định độ cao (bổng/trầm).
• Khi giải bài tập sóng cơ, cần xác định rõ mối quan hệ giữa chiều dài dây, bước sóng và số nút, số bụng trong hiện tượng sóng dừng.

Bài tập gợi ý

1. Một sóng âm truyền trong thép với tốc độ 5000 m/s. Nếu bước sóng của âm này là 2,5 m, hãy tính tần số của sóng âm.
2. Trên mặt hồ yên lặng, một người thả hòn đá xuống nước. Sau 0,5 giây, sóng chạm vào bờ cách vị trí thả 2 m. Tính tốc độ truyền sóng trên mặt nước.
3. Một dây đàn có chiều dài 1,2m được kéo căng, khi gảy tạo ra sóng dừng với 2 bụng sóng. Tốc độ truyền sóng trên dây là 240 m/s. Tính tần số do dây phát ra.
4. Khi đứng ở mép một vực sâu, bạn hét to và sau 3 giây thì nghe thấy tiếng vang từ đáy vực dội lại. Biết tốc độ âm trong không khí là 340 m/s, hãy tính độ sâu của vực.