Thực Hành: Đo Tốc Độ Truyền Âm
Đo tốc độ truyền âm trong không khí bằng hiện tượng sóng dừng trong ống cộng hưởng
Bài toán đặt ra: Âm thanh truyền trong một môi trường có tốc độ xác định. Làm thế nào để đo được tốc độ truyền âm trong không khí bằng dụng cụ thí nghiệm?
▸ Cơ sở vật lí
Cột khí trong ống được giới hạn bởi:
- Đầu trên (gần loa): không khí dao động tự do → là bụng sóng.
- Đầu dưới (mặt pit-tông): không khí bị chặn → là nút sóng.
Đây là trường hợp ống một đầu kín, một đầu hở. Khi nghe thấy âm to nhất, trong ống xảy ra sóng dừng.
▸ Khoảng cách giữa 2 vị trí âm to nhất liên tiếp
Khi pit-tông dịch chuyển từ vị trí $l_1$ sang $l_2$ (cùng nghe âm to nhất), chiều dài cột khí tăng thêm một nửa bước sóng (vì khoảng cách giữa 2 bụng liên tiếp $= \lambda/2$).
$\boxed{v = \lambda \cdot f = 2d \cdot f}$
| STT | Dụng cụ | Vai trò / Đặc điểm |
|---|---|---|
| (1) | Ống trụ thuỷ tinh hữu cơ trong suốt | Đường kính trong $40$ mm, dài $670$ mm, có chia độ $0 \div 660$ mm — chứa cột không khí dao động. |
| (2) | Pit-tông thép bọc nhựa | Có vạch dấu, nối với dây kéo và ròng rọc — di chuyển dễ dàng trong ống để thay đổi chiều dài cột khí. |
| (3) | Máy phát tần số | Phát ra tín hiệu dạng hình sin (có thể điều chỉnh biên độ và tần số). |
| (4) | Loa nhỏ | Chuyển tín hiệu điện thành sóng âm, gắn sát đầu dưới ống. |
| (5) | Giá đỡ ống trụ | Giữ cố định ống thuỷ tinh thẳng đứng. |
Bố trí: Lắp ống trụ đã lồng pit-tông lên giá đỡ, ghép loa sát đầu dưới ống. Nối máy phát tần số với loa, bật nguồn, điều chỉnh biên độ và tần số sao cho nghe rõ âm. Đồng thời, dịch chuyển pit-tông dần ra xa loa.
▸ Trả lời 3 câu hỏi định hướng (SGK)
• Tần số $f$ của nguồn âm (lấy từ máy phát tần số).
• Khoảng cách $d = l_2 - l_1$ giữa 2 vị trí pit-tông cho âm to nhất liên tiếp.
Khi đó: $v = \lambda \cdot f = 2d \cdot f$.
- Điều chỉnh máy phát tần số đến giá trị $500$ Hz.
- Dùng dây kéo pit-tông di chuyển trong ống thuỷ tinh cho đến lúc âm thanh nghe được to nhất lần 1. Đo chiều dài cột khí $l_1$. Ghi vào bảng kết quả.
- Thực hiện thao tác đo $l_1$ thêm 2 lần nữa (tổng 3 lần đo cho lần "to nhất 1").
- Tiếp tục kéo pit-tông cho đến lúc lại nghe được âm to nhất lần 2. Đo chiều dài cột khí $l_2$. Ghi vào bảng.
- Thực hiện thao tác đo $l_2$ thêm 2 lần nữa.
▸ Bảng kết quả (Bảng 15.1 SGK)
| Chiều dài cột khí (mm) | Lần 1 | Lần 2 | Lần 3 | Trung bình | Sai số $\Delta l$ |
|---|---|---|---|---|---|
| $l_1$ | ? | ? | ? | $\bar{l_1}$ | $\Delta l_1$ |
| $l_2$ | ? | ? | ? | $\bar{l_2}$ | $\Delta l_2$ |
▸ Các bước xử lí kết quả
- Tính khoảng cách $d$: $d = \bar{l_2} - \bar{l_1}$ (đây chính là $\lambda/2$).
- Tính tốc độ trung bình: $\bar{v} = \bar{\lambda} \cdot f = 2d \cdot f$.
- Tính sai số tương đối: $\dfrac{\Delta v}{v} = \dfrac{\Delta d}{d} + \dfrac{\Delta f}{f}$ (với $\Delta d = \Delta l_1 + \Delta l_2$).
- Tính sai số tuyệt đối: $\Delta v = \dfrac{\Delta v}{v} \times \bar{v}$.
- Viết kết quả: $v = (\bar{v} \pm \Delta v)$ m/s.
▸ Vì sao đo $d = l_2 - l_1$ thay vì đo trực tiếp $l_1$ hoặc $l_2$?
• Đo trực tiếp $l_1$ hoặc $l_2$ sẽ không chính xác (không bằng số nguyên lần $\lambda/4$ chuẩn).
• Đo hiệu $d = l_2 - l_1$ thì sai số đầu ống tự triệt tiêu → kết quả chính xác.
$d = l_2 - l_1 = \lambda/2$ luôn đúng, bất kể vị trí chính xác của bụng đầu ống.
Âm có thể truyền trong các môi trường chất rắn, chất lỏng và chất khí với tốc độ khác nhau:
| Môi trường | Tốc độ (m/s) |
|---|---|
| Không khí | 340 |
| Gỗ | 3 400 |
| Nước | 1 500 |
| Thép | 6 100 |
| Thuỷ tinh | 5 500 |
• Trong chất lỏng (nước): tốc độ vừa phải (1500 m/s).
• Trong chất khí (không khí): tốc độ nhỏ nhất (340 m/s).
Lý do: Trong chất rắn, các phần tử liên kết chặt chẽ hơn → dao động truyền đi nhanh hơn.
Cùng luyện Bài 15 – Đo tốc độ truyền âm!
14 câu: 12 trắc nghiệm · 2 tự luận
Tuyệt vời!
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