Câu hỏi mở đầu trang 58

Đề bài: 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?

Lời giải:

Để đo tốc độ truyền âm trong không khí, ta có thể sử dụng phương pháp sóng dừng trong cột không khí:

• Dùng loa phát ra âm có tần số f xác định (đã biết).
• Tạo ra cột không khí trong ống thuỷ tinh có pit-tông di chuyển → khi chiều dài cột không khí phù hợp, trong cột không khí xuất hiện sóng dừng → nghe thấy âm to nhất (cộng hưởng).
• Đo khoảng cách giữa hai vị trí pit-tông liên tiếp mà âm nghe to nhất → xác định được bước sóng λ của sóng âm.
• Tính tốc độ truyền âm theo công thức: $v = \lambda f$.

II. Thiết kế phương án thí nghiệm

Hoạt động trang 58

Đề bài: Nối máy phát tần số với loa, bật công tắc nguồn của máy phát tần số, điều chỉnh biên độ và tần số để nghe rõ âm, đồng thời dịch chuyển dần pit-tông ra xa loa. Trả lời các câu hỏi sau:

a) Khi pit-tông di chuyển, độ to của âm thanh nghe được thay đổi như thế nào?

b) Khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của pit-tông mà âm thanh nghe được to nhất cho phép xác định đại lượng nào của sóng âm?

c) Cần đo đại lượng nào để tính được tốc độ truyền âm?

Lời giải:

a) Khi pit-tông di chuyển ra xa loa, độ to của âm thanh thay đổi tuần hoàn:

• Có những vị trí âm nghe to nhất (bụng sóng tại miệng ống, xảy ra cộng hưởng sóng dừng).
• Có những vị trí âm nghe nhỏ nhất (nút sóng tại miệng ống).
• Các vị trí âm to nhất và nhỏ nhất xen kẽ nhau khi pit-tông dịch chuyển.

b) Khi nghe được âm to nhất, trong cột không khí có sóng dừng với:

• Đầu hở (miệng ống): là bụng sóng.
• Đầu kín (pit-tông): là nút sóng.

Khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của pit-tông mà âm to nhất bằng nửa bước sóng: $d = \dfrac{\lambda}{2}$.

→ Đại lượng xác định được là bước sóng λ của sóng âm ($\lambda = 2d$).

c) Để tính tốc độ truyền âm theo công thức $v = \lambda f$, cần đo:

• Tần số f của sóng âm (đọc trực tiếp trên máy phát tần số).
• Bước sóng λ (xác định thông qua đo khoảng cách $d = l_2 – l_1$ giữa hai vị trí pit-tông liên tiếp khi âm to nhất).

III. Báo cáo kết quả thí nghiệm

Tần số nguồn âm: $f = (500 \pm 1)$ Hz.

Bảng 15.1. Kết quả đo chiều dài cột không khí khi âm to nhất

Hoạt động trang 59 (Xử lí kết quả thí nghiệm)

Đề bài:

a) Tính chiều dài cột không khí giữa hai vị trí của pit-tông khi âm to nhất $d = l_2 – l_1 = ?$

b) Tính tốc độ truyền âm $v = \lambda f = 2df = ?$

c) Tính sai số: $\delta v = \delta d + \delta f = ?$, $\Delta v = ?$

d) Giải thích tại sao không xác định tốc độ truyền âm qua $l_1, l_2$ mà cần xác định qua $l_2 – l_1$.

Lời giải:

a) Tính chiều dài cột không khí giữa hai vị trí âm to nhất.

$$d = l_2 – l_1 = 507 – 166 = 341 ; \text{(mm)} = 0{,}341 ; \text{(m)}$$

b) Tính tốc độ truyền âm.

Bước sóng: $\lambda = 2d = 2 \cdot 0{,}341 = 0{,}682$ (m).

Tốc độ truyền âm:

$$v = \lambda f = 2df = 2 \cdot 0{,}341 \cdot 500 = 341 ; \text{(m/s)}$$

c) Tính sai số.

Sai số tuyệt đối của d: $\Delta d = \Delta l_1 + \Delta l_2 = 1 + 1 = 2$ (mm).

Sai số tương đối:

$$\delta d = \dfrac{\Delta d}{d} = \dfrac{2}{341} \approx 0{,}59 \%$$

$$\delta f = \dfrac{\Delta f}{f} = \dfrac{1}{500} = 0{,}20 \%$$

Sai số tương đối của v:

$$\delta v = \delta d + \delta f = 0{,}59 \% + 0{,}20 \% \approx 0{,}79 \%$$

Sai số tuyệt đối của v:

$$\Delta v = \delta v \cdot v = 0{,}0079 \cdot 341 \approx 3 ; \text{(m/s)}$$

→ Kết quả: $v = (341 \pm 3)$ m/s.

d) Giải thích tại sao không xác định tốc độ truyền âm qua $l_1$, $l_2$ riêng lẻ.

• Vị trí bụng sóng ở đầu hở của ống không trùng đúng với miệng ống, mà cách miệng ống một đoạn nhỏ (gọi là độ điều chỉnh đầu ống) phụ thuộc vào đường kính ống.
• Do đó các giá trị $l_1$ (= $\dfrac{\lambda}{4}$ + sai số đầu ống) và $l_2$ (= $\dfrac{3\lambda}{4}$ + sai số đầu ống) đều chứa sai số hệ thống cố định.
• Khi lấy hiệu $l_2 – l_1 = \dfrac{\lambda}{2}$, sai số hệ thống bị khử đi → kết quả chính xác hơn nhiều.

→ Vì vậy, cần đo $l_2 – l_1$ chứ không xác định trực tiếp qua $l_1$ hoặc $l_2$.

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