Bài tập Vật lí 11 Bài 10: Thực hành: Đo tần số của sóng âm (15 bài tập)

Lớp 11 · Vật Lí Bài 10

Thực Hành: Đo Tần Số Của Sóng Âm

Dao động kí điện tử, phương án thí nghiệm và cách đo tần số sóng âm bằng âm thoa

1
Giới thiệu dao động kí điện tử

Bài toán mở đầu: Để chỉnh các dây đàn, ta có thể so sánh âm do đàn phát ra với âm phát ra từ âm thoa có tần số xác định. Vậy làm thế nào để kiểm tra tần số ghi trên âm thoa bằng dụng cụ thí nghiệm?

DAO ĐỘNG KÍ ĐIỆN TỬ
Dao động kí điện tử là thiết bị dùng để hiển thị trên màn hình dạng tín hiệu (dao động điện) đưa vào cần quan sát.
Máy dao động kí điện tử
Hình 10.1 – Máy dao động kí điện tử

▸ Các tính năng cơ bản của dao động kí

  • Đo cường độ của tín hiệu dao động điện.
  • Đo tần số, chu kì, khoảng thời gian của tín hiệu dao động điện.

Khoảng tần số đo được phụ thuộc vào từng loại dao động kí.

⚠️
Mỗi dao động kí điện tử chỉ đo được tín hiệu có hiệu điện thế nhất định. Nếu vượt quá có thể làm hỏng thiết bị.

▸ Các nút điều chỉnh chính

Nút / Chế độChức năng
TRIGGERChọn chế độ kích hoạt (thường để AUTO).
VOLTS/DIVĐiều chỉnh độ cao của tín hiệu (giá trị điện áp ứng với 1 ô theo phương đứng).
SEC/DIVĐiều chỉnh giá trị thời gian ứng với 1 ô theo phương ngang (quan trọng để đo chu kì).
Vertical PositionĐiều chỉnh đồ thị tín hiệu lên / xuống.
AC / DCChọn dạng tín hiệu cần đo (xoay chiều / một chiều).

▸ Cách sử dụng dao động kí

  1. Nối que đo vào chân cắm tín hiệu vào.
  2. Chọn dạng tín hiệu đo (AC hoặc DC).
  3. Nối dao động kí với bộ nguồn và bật công tắc.
  4. Dùng dây đo nối với đầu tín hiệu cần đo.
  5. Nhấn nút TRIGGER → chọn chế độ AUTO.
  6. Điều chỉnh VOLTS/DIV để có độ cao tín hiệu phù hợp.
  7. Điều chỉnh SEC/DIV để thấy rõ chu kì của tín hiệu.
  8. Dùng Vertical Position để điều chỉnh đồ thị lên/xuống cho dễ quan sát.
2
Cách đọc tần số từ màn hình dao động kí

Trên màn hình dao động kí, tín hiệu hiện ra dạng hình sin. Để xác định tần số, ta cần:

  1. Đọc giá trị SEC/DIV – tức là khoảng thời gian ứng với 1 ô vuông theo phương ngang.
  2. Đếm số ô vuông giữa hai đỉnh sóng liên tiếp (hoặc giữa 2 đáy liên tiếp) → tính ra chu kì $T$.
  3. Áp dụng công thức $f = \dfrac{1}{T}$ để tính tần số.
Màn hình dao động kí
Hình 10.2 – Màn hình hiển thị tín hiệu dao động điện trên dao động kí
CÔNG THỨC TÍNH TẦN SỐ
$T = n \cdot \tau$ và $f = \dfrac{1}{T}$
($n$: số ô giữa 2 đỉnh; $\tau$: giá trị SEC/DIV)
📝 Ví dụ minh hoạ
Trên màn hình dao động kí, núm SEC/DIV đặt ở $1$ ms/ô. Đếm thấy khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp là 4 ô. Tính tần số tín hiệu.
Chu kì: $T = 4 \times 1$ ms $= 4$ ms $= 0{,}004$ s
Tần số: $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}004} = 250$ Hz
⚠️
Lưu ý đơn vị: Giá trị SEC/DIV thường là ms (mili giây) hoặc μs (micro giây). Phải đổi về giây (s) trước khi tính $f$:
• 1 ms = $10^{-3}$ s
• 1 μs = $10^{-6}$ s
3
Thí nghiệm đo tần số sóng âm

▸ Dụng cụ thí nghiệm

STTDụng cụVai trò
(1)Dao động kí điện tử và dây đoHiển thị tín hiệu dao động → đọc chu kì.
(2)MicroThu sóng âm, chuyển thành tín hiệu điện.
(3)Bộ khuếch đại tín hiệuKhuếch đại tín hiệu từ micro đủ mạnh để dao động kí đọc được.
(4)Âm thoa và búa cao suNguồn âm có tần số xác định (ghi trên âm thoa).
Giá đỡ, kẹp giữ âm thoaCố định âm thoa khi đo.
Bộ thí nghiệm đo tần số sóng âm
Hình 10.3 – Bộ thí nghiệm đo tần số sóng âm

▸ Nguyên lý đo

NGUYÊN LÝ
Sóng âm từ âm thoa truyền tới micro → micro chuyển thành tín hiệu điện cùng tần số → bộ khuếch đại làm tín hiệu mạnh hơn → dao động kí hiển thị → đọc chu kì $T$ → tính $f = \dfrac{1}{T}$.

Vì sao tần số tín hiệu điện = tần số sóng âm?

Khi sóng âm tác động lên màng micro, màng micro dao động cùng tần số với sóng âm. Dao động cơ của màng micro được chuyển thành tín hiệu điện cùng tần số. Vì vậy tần số tín hiệu trên dao động kí bằng tần số dao động của âm thoa.

Bố trí thí nghiệm
Hình 10.4 – Bố trí thí nghiệm đo tần số sóng âm

▸ Các bước tiến hành thí nghiệm

  1. Bố trí thí nghiệm như Hình 10.4.
  2. Đặt micro cách âm thoa khoảng 20 cm.
  3. Nối micro và bộ khuếch đại vào dao động kí; bật dao động kí.
  4. Đặt TRIGGER MODE ở chế độ AUTO; điều chỉnh VOLTS/DIV cho đến khi thấy sóng trên màn hình.
  5. Dùng búa cao su gõ nhẹ vào âm thoa.
  6. Xác định chu kì $T$ của sóng trên màn hình (đếm ô × SEC/DIV); ghi vào Bảng 10.1.
  7. Lặp lại bước 5–6 hai lần nữa (tổng 3 lần đo).
  8. Tính tần số $f = \dfrac{1}{T}$, lấy giá trị trung bình và sai số.
🔇
Cách giảm ảnh hưởng của tiếng ồn: đặt micro sát âm thoa (nhưng không chạm), tiến hành thí nghiệm ở phòng yên tĩnh, có thể dùng vật cản âm xung quanh.
4
Xử lí kết quả và sai số

▸ Bảng kết quả thí nghiệm (Bảng 10.1)

Đại lượngLần 1Lần 2Lần 3Trung bình
Chu kì $T$ (s)$T_1$$T_2$$T_3$$\bar{T}$
Tần số $f$ (Hz)$f_1$$f_2$$f_3$$\bar{f}$

▸ Tính giá trị trung bình

GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH
$\bar{T} = \dfrac{T_1 + T_2 + T_3}{3}$ ; $\bar{f} = \dfrac{1}{\bar{T}}$

▸ Tính sai số tuyệt đối

SAI SỐ TUYỆT ĐỐI TRUNG BÌNH
$\overline{\Delta T} = \dfrac{|T_1 - \bar{T}| + |T_2 - \bar{T}| + |T_3 - \bar{T}|}{3}$

Kết quả phép đo được ghi dưới dạng: $T = \bar{T} \pm \overline{\Delta T}$ (đơn vị s).

▸ Sai số tương đối

Khi đại lượng cần tìm là tích hoặc thương của các đại lượng đo trực tiếp, ta dùng sai số tương đối:

QUY TẮC CƠ BẢN
Nếu $y = a \cdot b$ hoặc $y = \dfrac{a}{b}$ thì:
$\dfrac{\Delta y}{y} = \dfrac{\Delta a}{a} + \dfrac{\Delta b}{b}$
📝 Ví dụ áp dụng (rất quan trọng!)
Đo được: $\lambda = (80 \pm 5)$ cm; $f = (400 \pm 10)$ Hz. Tính tốc độ truyền âm $v = \lambda \cdot f$.
Giá trị trung bình: $\bar{v} = 0{,}80 \times 400 = 320$ m/s
Sai số tương đối: $\dfrac{\Delta v}{v} = \dfrac{\Delta \lambda}{\lambda} + \dfrac{\Delta f}{f} = \dfrac{5}{80} + \dfrac{10}{400} = 0{,}0625 + 0{,}025 = 0{,}0875$
Sai số tuyệt đối: $\Delta v = 0{,}0875 \times 320 = 28$ m/s
Kết quả: $v = (320 \pm 28)$ m/s ✓

▸ So sánh với giá trị ghi trên âm thoa

Sau khi tính được $\bar{f}$, ta so sánh với tần số ghi trên âm thoa $f_0$. Sai số tương đối giữa giá trị đo và giá trị thực:

Sai số $\% = \left|\dfrac{\bar{f} - f_0}{f_0}\right| \times 100\%$

5
Em có biết — Tần số các nốt nhạc cơ bản

Các nhạc cụ có thể phát ra các nốt nhạc cơ bản với tần số xác định. Tần số càng cao → âm càng cao (the thé); tần số càng thấp → âm càng trầm.

Nốt nhạc (Kí hiệu)Tần số (Hz)
Đô (C)262
Rê (D)294
Mi (E)330
Pha (F)349
Son (G)392
La (A)440
Si (B)494

Với các quãng tám khác nhau, tần số các nốt nhạc cũng có sự thay đổi (gấp đôi hoặc giảm một nửa khi đổi quãng tám).

📝 Ứng dụng thực tế
Khi chỉnh dây đàn ghita, người ta thường so sánh với nốt La (A4) = 440 Hz (chuẩn quốc tế). Có thể dùng âm thoa A4 hoặc các phần mềm tuner trên điện thoại để chỉnh dây đàn cho đúng tần số chuẩn.
1
Điểm: 0/15
🎵

Cùng luyện Bài 10 – Đo tần số sóng âm!

15 câu: 12 trắc nghiệm · 1 đúng/sai · 2 tự luận

💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn