Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 2: Sóng cơ học - Chuyên đề 4: Sóng âm

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 2: Sóng cơ học - Chuyên đề 4: Sóng âm

1. CHỦ ĐỀ 2: SÓNG CƠ HỌC CHUYÊN ĐỀ 4: SÓNG ÂM PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM 1. Định nghĩa Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí. 2. Nguồn phát âm Âm do các vật dao động phát ra. Tần số âm là tần số của nguồn âm. Phân loại theo độ lớn tần số âm - Hạ âm: tần số nhỏ hơn 16 Hz - Âm nghe được: tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz - Siêu âm: tần số lớn hơn 20000 Hz Phân loại theo đặc điểm tần số âm - Nhạc âm: Âm có tần số xác định (tiếng nói, nhạc cụ, ) gây cho tai cảm giác dễ chịu. - Tạp âm: Âm không có tần số xác định (tiếng ồn, ) gây cho tai cảm giác khó chịu. 3. Sự truyền âm Âm truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí. Sóng âm không truyền được trong chân không. Âm hầu như không truyền được trong các chất xốp như bông, len, , gọi là các chất cách âm. Vận tốc truyền âm là vận tốc lan truyền dao động. Vận tốc truyền âm giảm dần trong các môi trường rắn, lỏng, khí 4. Ba đặc trưng vật lí của âm Đặc trưng thứ nhất: Tần số âm (f). Đặc trưng thứ hai: Cường độ âm (I): là đại lượng đo bằng lượng năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm tại điểm xét trong một đơn vị thời gian. Đơn vị W/m 2. Mức cường độ âm (L): I L log I0 Trong đó: L: Mức cường độ âm (B) Trang 1
2. I: Cường độ âm (W/m2) 2 I0: Cường độ âm chuẩn (W/m ) Ngoài đơn vị B (ben) người ta còn sử dụng đơn vị dB (đêxiben): 1B = 10dB. Khi đó công thức tính mức cường độ âm là: I L 10log (dB) I0 Đặc trưng thứ ba: Đồ thị dao động âm: Đồ thị dao động phụ thuộc vào biên độ và tần số âm 5. Ba đặc trưng sinh lí của âm Khi sóng âm tác dụng vào tai ta thì mỗi loại đặc trưng vật lí lại gây một cảm giác cho tai người một cảm giác riêng, gọi là các đặc trưng sinh lí của âm. Độ cao Độ to Âm sắc Phụ thuộc Tần số âm Mức cường độ âm Đồ thị dao động âm Giúp ta phân biệt được âm Tần số cao: âm cao (âm bổng) Mức cường độ âm càng Đặc điểm do các nguồn âm khác nhau Tần số thấp: âm thấp (âm trầm) lớn thì âm nghe càng to phát ra 6. Nguồn nhạc âm Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f 0 thì bao giờ nó cũng phát ra các bội số của âm đó 2f 0, 3f0, 4f0, có cường độ khác nhau. Âm có tần số f0 gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất, các âm có tần số 2f0, 3f0,.4f0, gọi là các họa âm thứ hai, họa âm thứ ba, Đồ thị dao động của một nhạc âm là sự tổng hợp tất cả đồ thị của các họa âm đó. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: 1. Phương pháp giải Với các câu hỏi lí thuyết, vận dụng các đặc điểm của sóng âm để trả lời câu hỏi. Vận dụng các bài toán về sóng cơ kết hợp với các Ví dụ: Một lá thép mỏng một đầu cố định, một đầu công thức về sóng âm để giải bài tập được kích thích để dao động với chu kì 0,04 s. Âm do lá thép phát ra là hạ âm, siêu âm hay âm nghe được? Từ chu kì sóng ta có thể tính được tần số sóng: 1 1 f 25Hz T 0,04 Ta thấy: 16Hz f 20000Hz Vậy âm phát ra là âm nghe được. Nếu nguồn âm có công suất P phát sóng cầu ra Ví dụ: Một loa phát thanh có công suất 1 W phát Trang 2
3. không gian thì cường độ âm tại điểm cách nguồn sóng cầu ra không gian. Tại điểm cách loa 1 m thì âm đoạn r tính bởi: cường độ âm bằng: P P 1 I I 0,08W / m2 4 r2 4 r2 4. .12 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một người đứng gần chân núi hét to thì sau 2 s người đó nghe thấy tiếng vọng lại từ phía núi. Biết vận tốc sóng âm trong không khí bằng 340 m/s. Khoảng cách từ nơi người đó đứng đến chân núi bằng: A. 340m B. 680m C. 170m D. 300m Hướng dẫn Khi người hét lên, sóng âm phát ra từ miệng, truyền đến vách núi rồi phản xạ lại. Gọi khoảng cách từ nơi người đó đứng đến chân núi là L thì tổng quãng đường mà sóng âm đã truyền đi từ lúc hét đến lúc nghe thấy phải là 2L Ta có: S v.t suy ra: 2.L 340.2 L 340m Chọn A 12 2 -5 2 Ví dụ 2: Cường độ âm chuẩn là I0 10 W / m . Tại một điểm có cường độ âm bằng 10 W/m thì mức cường độ âm tại điểm đó bằng: A. 5B B. 7B C. 2B D. 12B Hướng dẫn Bài cho biết cường độ âm tại điểm xét: I 10 5 W / m2 . Mức cường độ âm tính bởi: I 10 5 L log log 12 7B I0 10 Chọn B 12 2 Ví dụ 3: Tại một điềm M có mức cường độ âm bằng 50 dB. Biết cường độ âm chuẩn I0 10 W / m . Cường độ âm tại M bằng A. 10-3 W/m2 B. 10-4 W/m2 C. 10-5 W/m2 D. 10-7 W/m2 Hướng dẫn Bài cho biết mức cường độ âm tại M: L = 50 dB nên ta có thể tính được cường độ âm. Đề bài cho L với đơn vị là dB nên ta sử dụng công thức: I I I 5 5 5 12 7 2 L 10log 50 10log 10 I 10 I0 10 .10 10 W / m I0 I0 I0 Chọn D Ví dụ 4: Nếu cường độ âm tại một điểm tăng lên 100 lần thì mức cường độ âm tại điểm đó A. tăng lên 100 lần B. tăng lên 10 dB C. tăng lên 20 dB D. giảm đi 100 lần Hướng dẫn Trang 3
4. I Lúc đầu tại điểm M có cường độ âm là I và mức cường độ âm là L (dB): L 10log (1) I0 Bây giờ tăng cường độ âm lên 100 lần thì cường độ âm bây giờ là I’ = 100I. Mức cường độ âm bây giờ là I' L’: L' 10log (2) I0 Lấy (2) trừ (1) ta có: I' I' I I I' a L' L 10log 10log 10log 0 10log (Theo tính chất của hàm loga: log a log b log ) I I0 I0 I b I0 100I L' L 10log 10log100 20(dB) I Vậy khi I tăng lên 100 lần thì L tăng thêm 20dB Chọn C Chú ý: Ta có thể ghi nhớ kết quả bài toán này để giải nhanh: khi cường độ âm tăng lên 10 n lần thì mức cường độ âm tăng thêm 10n dB và ngược lại Ví dụ 5: Một sóng âm truyền trong không khí. Tại hai điểm M, N có mức cường độ âm lần lượt bằng 40 dB và 60 dB. Biết cường độ âm tại M bằng 0,5 W/m2. Cường độ âm tại N có giá trị bằng: A. 0,05 W/m2 B. 0,5 W/m2 C. 5 W/m2 D. 50 W/m2 Hướng dẫn Cách 1 (Sử dụng cách giải thông thường) IM IN Mức cường độ âm tại M và N: LM 10log (1);LN 10log (2) I0 I0 Trừ vế (2) cho (1), ta có: IN IM IN LN LM 10log 10log 10log I I I 0 0 M I I 60 40 10log N log N 2 I 102.0,5 50W / m2 0,5 0,5 N Chọn D Cách 2 (Sử dụng kết quả giải nhanh vừa tìm được) Mức cường độ âm tại N lớn hơn tại M một lượng: LN LM 60 40 20 10.2dB Khi mức cường độ âm tăng thêm 10.2 lần thì cường độ âm phải tăng lên 102 lần. 2 2 Ta có ngay: IN 10 .IM 10 .0,5 50dB Chọn D Ví dụ 6: Một nguồn âm có công suất không đổi phát sóng cầu ra không gian. Tại điểm M cách nguồn một đoạn 4 m có cường độ âm bằng I. Điểm N cách nguồn âm 8 m có cường độ âm bằng: I I A. 2I B. C. 4I D. 2 4 Trang 4
5. Hướng dẫn Vì nguồn phát sóng cầu ra không gian nên gọi công suất nguồn âm là P thì cường độ âm tại điểm M cách P nguồn đoạn rM 4m tính bởi: IM 2 (1) 4 rM P Tại điểm N cách nguồn âm rN 8m có cường độ âm bằng: IN 2 (2) 4 rN 2 2 IN rM IN 4 I Chia vế (2) cho (1) ta được: 2 2 IN IM rN I 8 4 Chọn D 3. Bài tập tự luyện Câu 1. Cường độ âm tăng gấp bao nhiêu lần nếu mức cường độ âm tương ứng tăng thêm 2 Ben? A. 10 lầnB. 100 lầnC. 50 lầnD. 1000 lần Câu 2. Hãy chọn câu đúng. Âm do hai nhạc cụ khác nhau phát ra luôn luôn khác nhau về A. độ caoB. độ toC. âm sắcD. mức cường độ âm Câu 3. Một nguồn âm phát sóng cầu ra không gian, bỏ qua sự hấp thụ âm. Khi khoảng cách từ nguồn âm đến điểm M tăng lên 2 lần thì cường độ âm tại M A. tăng 2 lầnB. giảm 2 lầnC. tăng 4 lầnD. giảm 4 lần Câu 4. Khi tần số âm tăng 2 lần thì A. độ cao tăng lênB. độ cao giảm đi C. độ cao không đổiD. độ cao tăng lên 2 lần Câu 5. 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 10HzB. Sóng cơ học có tần số 30 kHz C. Sóng cơ học có chu kì 2 sD. Sóng cơ học có chu ki 2 ms 12 2 Câu 6. Cho cường độ âm chuẩn I0 10 W / m . Một âm có mức cường độ 80 dB thì cường độ âm là: A. 10-4 W/m2 B. 3.10-5 W/m2 C. 10-6 W/m2 D. 10-20 W/m2 Câu 7. Một cái loa có công suất 1 W khi mở hết công suất, lấy = 3,14. Cường độ âm tại điểm cách nó 400 cm có giá trị là bao nhiêu? (âm do loa phát ra dạng sóng cầu) A. 5.10-5 W/m2 B. 5 W/m2 C. 5.10-4 W/m2 D. 5 mW/m2 Câu 8. Khi cường độ âm gấp 100 lần cường độ âm chuẩn thì mức cường độ âm có giá trị là: A. 2dBB. 20dBC. 20BD. 100dB Câu 9. Một âm có tần số xác định truyền lần lượt trong nhôm, nước, không khí với tốc độ tương ứng là v1, v2 , v3 . Nhận định nào sau đây đúng? A. v2 v1 v3 B. v1 v2 v3 C. v3 v2 v1 D. v1 v3 v2 Câu 10. Một sóng âm truyền trong thép với vận tốc 5000 m/s. Nếu độ lệch của sóng âm đó ở hai điểm gần nhau nhất cách nhau 1 m trên cùng một phương truyền sóng là thì tần số của sóng bằng: 2 A. 1000HzB. 1250HzC. 5000HzD. 2500Hz Trang 5
6. Đáp án: 1 – B 2 – C 3 – D 4 – A 5 – D 6 – A 7 – D 8 – B 9 – B 10 - B Trang 6