I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Độ to và biên độ của sóng âm

a) Biên độ dao động

Khi kéo đầu tự do của một thước thép đàn hồi xuống rồi buông ra, đầu thước dao động qua lại quanh vị trí cân bằng và phát ra âm.

Biên độ dao động là khoảng cách từ vị trí cân bằng đến vị trí xa nhất của dao động.

Trên màn hình dao động kí, biên độ sóng âm được biểu diễn bằng khoảng cách từ đường nằm ngang (đường xy) đến điểm cao nhất (hoặc thấp nhất) của đường biểu diễn.

Khi nguồn âm dao động với biên độ lớn → sóng âm có biên độ lớn (đường biểu diễn trên dao động kí cao hơn). Khi nguồn âm dao động với biên độ nhỏ → sóng âm có biên độ nhỏ.

Củng cố: Biên độ dao động là gì? → Là độ lệch lớn nhất so với vị trí cân bằng khi vật dao động. (Không phải khoảng cách lớn nhất giữa hai vị trí xa nhất — đó là khoảng cách gấp đôi biên độ. Cũng không phải số dao động trong 1 giây — đó là tần số.)

Củng cố: Vật dao động càng mạnh thì sao? → Biên độ dao động càng lớn (không phải tần số lớn). Dao động mạnh hay yếu liên quan đến biên độ, không liên quan đến tần số (nhanh hay chậm).

b) Độ to của âm

Sóng âm có biên độ càng lớn thì âm nghe càng to.

Sóng âm có biên độ càng nhỏ thì âm nghe càng nhỏ.

Ứng dụng: Khi gảy đàn hoặc đánh trống, muốn âm phát ra to hơn, người ta gảy mạnh hơn hoặc gõ mạnh hơn. Điều này làm vật dao động với biên độ lớn hơn, nên âm phát ra to hơn.

Củng cố: Chọn phát biểu đúng:

• (A) Vật dao động càng mạnh thì âm phát ra càng to. → Đúng. Dao động mạnh → biên độ lớn → âm to.
• (B) Vật dao động càng mạnh thì âm phát ra càng cao. → Sai. Độ cao liên quan đến tần số, không phải biên độ.
• (C) Vật dao động càng nhanh thì âm phát ra càng to. → Sai. Dao động nhanh → tần số lớn → âm cao (không phải to).
• (D) Vật dao động càng chậm thì âm phát ra càng nhỏ. → Sai. Dao động chậm → tần số nhỏ → âm trầm (không phải nhỏ).

→ Đáp án đúng: (A).

2. Độ cao và tần số của sóng âm

a) Tần số

Tần số là số dao động vật thực hiện được trong 1 giây. Đơn vị là héc (Hz), đặt theo tên nhà vật lí người Đức Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894).

$$f = \dfrac{N}{t}$$

Trong đó: $f$ là tần số (Hz), $N$ là số dao động, $t$ là thời gian (s).

Ví dụ: Nếu trong 1 giây vật thực hiện 30 dao động thì tần số dao động của vật là 30 Hz.

Giới hạn nghe của tai người:

$$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$

Tần số một số nốt nhạc: đô (523 Hz), rê (587 Hz), mi (629 Hz), fa (698 Hz), son (784 Hz), la (880 Hz), si (988 Hz).

b) Độ cao của âm

Sóng âm có tần số càng lớn thì âm nghe càng cao (bổng).

Sóng âm có tần số càng nhỏ thì âm nghe càng thấp (trầm).

Ứng dụng:

• Dây đàn guitar căng nhiều → tần số lớn → âm phát ra cao (bổng).
• Dây đàn guitar căng ít → tần số nhỏ → âm phát ra thấp (trầm).
• Giọng nói nữ giới thường cao hơn nam giới vì dây thanh quản của nữ dao động nhanh hơn (tần số lớn hơn).

Củng cố: Độ cao của âm phụ thuộc vào yếu tố nào? → Phụ thuộc vào tần số dao động. (Không phải vận tốc, năng lượng hay biên độ.)

Câu nào sau đây sai?

• (A) Tần số dao động càng nhỏ, âm phát ra càng bé. → Sai. Tần số nhỏ → âm trầm (thấp), không phải âm bé (nhỏ). “Bé” (nhỏ) liên quan đến biên độ, “trầm” liên quan đến tần số.
• (B) Tần số là số dao động trong một giây. → Đúng.
• (C) Tần số dao động càng nhỏ, âm phát ra càng trầm. → Đúng.
• (D) Tần số dao động càng lớn, âm phát ra càng cao. → Đúng.

→ Phát biểu sai là (A).

Một vật dao động càng chậm thì âm phát ra như thế nào? → Càng trầm. Vì dao động chậm → tần số nhỏ → âm thấp (trầm).

3. Tổng hợp: Phân biệt độ to và độ cao

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Tính tần số dao động và so sánh độ cao của âm

Phương pháp

Bước 1: Đổi đơn vị thời gian về giây (nếu cần). Lưu ý: 1 phút = 60 giây.

Bước 2: Tính tần số bằng công thức:

$$f = \dfrac{N}{t}$$

Bước 3: So sánh:

• Tần số lớn hơn → dao động nhanh hơn → âm cao hơn (bổng hơn).
• Tần số nhỏ hơn → dao động chậm hơn → âm thấp hơn (trầm hơn).

Ví dụ 1

Một con muỗi khi bay vỗ cánh 3 000 lần trong 5 giây và một con ong mật khi bay vỗ cánh 4 950 lần trong 15 giây.

a) Tính tần số dao động của cánh muỗi và cánh ong. Con nào vỗ cánh nhanh hơn?

b) Âm phát ra khi vỗ cánh của con nào cao hơn?

Lời giải:

a) Tính tần số:

$$f_{\text{muỗi}} = \dfrac{3\,000}{5} = 600 \text{ Hz}$$

$$f_{\text{ong}} = \dfrac{4\,950}{15} = 330 \text{ Hz}$$

So sánh: $f_{\text{muỗi}} = 600$ Hz $> f_{\text{ong}} = 330$ Hz.

Vậy con muỗi vỗ cánh nhanh hơn (tần số lớn hơn).

b) Tần số muỗi lớn hơn tần số ong → âm phát ra khi vỗ cánh của con muỗi cao hơn (bổng hơn).

Ví dụ 2

Một vật thực hiện được 6 000 dao động trong 2 phút. Tính tần số dao động của vật.

Lời giải:

Đổi thời gian: $t = 2 \text{ phút} = 2 \times 60 = 120 \text{ s}$

Tần số:

$$f = \dfrac{N}{t} = \dfrac{6\,000}{120} = 50 \text{ Hz}$$

Đáp án: A. 50 Hz

Ví dụ 3

Tần số vỗ cánh của một số côn trùng: ruồi khoảng 350 Hz, ong khoảng 440 Hz, muỗi khoảng 600 Hz. Âm do côn trùng nào phát ra trầm nhất?

Lời giải:

So sánh tần số: $350 < 440 < 600$ (Hz).

Tần số càng nhỏ → âm càng trầm. Vậy âm do ruồi phát ra trầm nhất (vì ruồi có tần số nhỏ nhất: 350 Hz).

Đáp án: A. Ruồi

Dạng 2: So sánh tần số để xác định vật phát ra âm cao nhất hoặc trầm nhất

Phương pháp

Bước 1: Tính tần số của từng vật bằng $f = \dfrac{N}{t}$ (nhớ đổi đơn vị thời gian về giây).

Bước 2: So sánh:

• Vật có tần số lớn nhất → phát ra âm cao nhất (bổng nhất).
• Vật có tần số nhỏ nhất → phát ra âm trầm nhất (thấp nhất).

Ví dụ 1

Xác định vật phát ra âm cao nhất trong các vật sau:

• (A) Vật dao động 1 600 lần trong 0,5 giây.
• (B) Vật dao động 600 lần trong 1 phút.
• (C) Vật dao động 2 000 lần trong 1 giây.
• (D) Vật dao động 60 lần trong 0,02 giây.

Lời giải:

Tính tần số từng vật:

$$f_A = \dfrac{1\,600}{0{,}5} = 3\,200 \text{ Hz}$$

$$f_B = \dfrac{600}{60} = 10 \text{ Hz}$$

$$f_C = \dfrac{2\,000}{1} = 2\,000 \text{ Hz}$$

$$f_D = \dfrac{60}{0{,}02} = 3\,000 \text{ Hz}$$

So sánh: $f_A = 3\,200$ Hz là lớn nhất → vật A phát ra âm cao nhất.

Đáp án: A

Ví dụ 2

Xác định vật dao động phát ra âm trầm nhất:

• (A) Trong 0,01 giây thực hiện 20 dao động.
• (B) Trong 1 phút thực hiện 300 dao động.
• (C) Trong 5 giây thực hiện 500 dao động.
• (D) Trong 20 giây thực hiện 1 200 dao động.

Lời giải:

Tính tần số:

$$f_A = \dfrac{20}{0{,}01} = 2\,000 \text{ Hz}$$

$$f_B = \dfrac{300}{60} = 5 \text{ Hz}$$

$$f_C = \dfrac{500}{5} = 100 \text{ Hz}$$

$$f_D = \dfrac{1\,200}{20} = 60 \text{ Hz}$$

So sánh: $f_B = 5$ Hz là nhỏ nhất → vật B phát ra âm trầm nhất.

Đáp án: B

Dạng 3: Tính số dao động khi biết tần số và thời gian

Phương pháp

Từ công thức $f = \dfrac{N}{t}$, suy ra:

$$N = f \times t$$

Trong đó: $N$ là số dao động, $f$ là tần số (Hz), $t$ là thời gian (s).

Nhớ đổi đơn vị thời gian về giây trước khi tính.

Ví dụ 1

Một mặt trống dao động với tần số 100 Hz. Hỏi trong 1 phút, mặt trống thực hiện được bao nhiêu dao động?

Lời giải:

Đổi thời gian: $t = 1 \text{ phút} = 60 \text{ s}$

Số dao động:

$$N = f \times t = 100 \times 60 = 6\,000 \text{ dao động}$$

Vậy trong 1 phút, mặt trống thực hiện được 6 000 dao động.

Ví dụ 2

Một con ong mật khi bay đập cánh lên xuống 3 300 lần trong 10 giây. Tần số dao động của cánh ong là bao nhiêu?

Lời giải:

$$f = \dfrac{N}{t} = \dfrac{3\,300}{10} = 330 \text{ Hz}$$

Tần số dao động của cánh ong là 330 Hz.

Dạng 4: Giải thích hiện tượng liên quan đến độ to và độ cao của âm

Phương pháp

• Nếu câu hỏi về to – nhỏ → liên quan đến biên độ dao động.
  • Dao động mạnh hơn → biên độ lớn hơn → âm to hơn.
• Nếu câu hỏi về cao – thấp (bổng – trầm) → liên quan đến tần số dao động.
  • Dao động nhanh hơn → tần số lớn hơn → âm cao hơn.

Ví dụ 1

Ở chiếc chuông gió, khi có gió, các âm thanh trầm, bổng khác nhau được phát ra. Hiện tượng này cho ta kết luận gì?

Lời giải:

Trong chiếc chuông gió, mỗi thanh kim loại có độ dài khác nhau. Thanh ngắn dao động nhanh hơn (tần số lớn hơn) → phát ra âm cao (bổng). Thanh dài dao động chậm hơn (tần số nhỏ hơn) → phát ra âm thấp (trầm).

→ Kết luận: Tần số âm do vật phát ra phụ thuộc vào độ dài của vật. Vật càng ngắn thì tần số càng lớn, âm càng cao.

Ví dụ 2

Tại sao âm phát ra từ dây số 1 và dây số 6 của đàn guitar có độ cao khác nhau?

Lời giải:

Các dây đàn guitar có độ dày (tiết diện) và độ căng khác nhau. Dây số 1 mảnh và căng hơn nên dao động với tần số lớn hơn → phát ra âm cao hơn (bổng). Dây số 6 dày và chùng hơn nên dao động với tần số nhỏ hơn → phát ra âm thấp hơn (trầm).

→ Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số, mà tần số bị ảnh hưởng bởi độ dày, độ dài và độ căng của dây.

III. SƠ ĐỒ TƯ DUY

ĐỘ TO VÀ ĐỘ CAO CỦA ÂM

1. Biên độ dao động

• Khoảng cách từ vị trí cân bằng đến vị trí xa nhất
• Trên dao động kí: khoảng cách từ đường xy đến đỉnh sóng
• Dao động mạnh → biên độ lớn; dao động nhẹ → biên độ nhỏ

2. Độ to của âm

• Phụ thuộc vào biên độ dao động
• Biên độ lớn → âm to
• Biên độ nhỏ → âm nhỏ
• Muốn âm to hơn: gảy mạnh hơn, gõ mạnh hơn

3. Tần số

• Số dao động trong 1 giây
• Đơn vị: Hz (Hertz)
• Công thức: $f = \dfrac{N}{t}$
• Tai người nghe được: 20 Hz – 20 000 Hz

4. Độ cao của âm

• Phụ thuộc vào tần số dao động
• Tần số lớn → âm cao (bổng)
• Tần số nhỏ → âm thấp (trầm)
• Dây đàn căng nhiều → tần số lớn → âm cao
• Dây đàn căng ít → tần số nhỏ → âm trầm

5. Phân biệt nhanh

• To – nhỏ → hỏi về biên độ (mạnh – nhẹ)
• Cao – thấp → hỏi về tần số (nhanh – chậm)
• Hai đại lượng này độc lập với nhau

6. Nốt nhạc và tần số

• Đô (523 Hz), Rê (587 Hz), Mi (629 Hz), Fa (698 Hz)
• Son (784 Hz), La (880 Hz), Si (988 Hz)
• Nốt cao hơn → tần số lớn hơn

IV. SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu