Bài 20: Thực hành: Xác định tốc độ truyền âm - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

Báo cáo thực hành: Xác định tốc độ truyền âm

I. Mục đích thí nghiệm

- Hiểu được phương án đo bước sóng của âm trong không khí dựa vào hiện tượng cộng hưởng âm trong cột không khí và dao động của nguồn âm. Đo bước sóng λ khi đã biết trước tần số f, từ đó suy ra tốc độ v của âm trong không khí.

- Rèn luyện kỹ năng lựa chọn phương án và sử dụng các dụng cụ thực hành.

II. Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm.

- Từ điều kiện để có sóng dừng trong cột không khí, suy ra khi chiều dài cột không khí thỏa: với: m = 1,3,5, … thì xảy ra cộng hưởng.

→ Chiều dài cột không khí trong ống có giá trị: thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng, ta nghe thấy âm to nhất.

Lúc đó, đầu hở của ống là một bụng B, còn đầu kín của ống là một nút N. Khoảng cách giữa hai nút hoặc hai bụng liên tiếp bằng λ/2.

- Từ công thức: nếu biết trước f và đo được λ, ta sẽ tính được v = λ. f.

III. Phương án và tiến trình thí nghiệm.

1. Phương án 1:

a) Dụng cụ thí nghiệm:

- Ống nhựa hình trụ dài 70 cm, đường kính 3-4 cm, được gắn ở một đầu một vòng đệm nhựa dày 1 cm có đường kính lỗ 2 cm.

- Ống nhôm dài 72 cm, đường kính 2 cm, đồng trục với xilanh có một đầu được gắn một khối trụ nhựa (pittông) dài 3 cm, đường kính 3-4 cm.

- Nguồn âm: Âm thoa loa có tần số f = 400 Hz 10 Hz và máy phát âm tần dạng sin có f₁ = 880 Hz và được nối với một loa nhỏ.

- Thước chia đến milimet được dán lên cán pittông.

- Giá đỡ xilanh, nguồn âm.

b) Tiến trình thí nghiệm:

- Lắp xilanh đã được lồng pittông và âm thoa lên giá sao cho 2 nhánh âm thoa nằm trong mặt phẳng chứa trục xilanh, vuông góc với trục xilanh và một nhánh âm thoa nằm gần sát đầu hở của xilanh.

- Dịch pittông trùng với đầu hở của xilanh. Khi đó đầu kia của xilanh trùng với vạch số 0 của thước trên cán pittông.

- Dùng máy phát âm tần phát vào một nhánh của âm thoa, đồng thời dịch chuyển dần pittông ra xa đầu hở của xilanh. Lắng nghe âm phát ra để xác định vị trí của pittông khi nghe thấy âm to nhất. Đọc và ghi vào bảng số liệu.

- Lặp lại các bước làm thí nghiệm 4 lần để xác định và ghi vào bảng số liệu độ dài l tương ứng của cột khí trong xilanh khi có cộng hưởng âm lần đầu.

Tính: , rồi ghi vào bảng số liệu.

- Dịch chuyển pittông ra xa hơn đầu hở của xilanh và lắng nghe âm phát ra để xác định độ dài l’ của cột khí trong xilanh khi có cộng hưởng lần 2.

- Lặp lại thí nghiệm 4 lần để xác định l’ tương ứng, rồi tính và ghi vào bảng số liệu

+ Tính:

+ Biết tần số của âm phát ra từ âm thoa, tính: , rồi ghi vào báo cáo thí nghiệm.

2. Phương án 2:

a) Dụng cụ thí nghiệm:

- Ống nhựa trong suốt A dài 60 cm, đường kính 3: 4 cm, được bịt kín một đầu bằng nút cao su có cắm một đoạn ống nhôm.

- Ống nhựa mềm dài 80 cm, đường kính khoảng 1 cm, dùng để nối thông ống A ới bình B bằng cách nối vào hai đoạn ống nhôm ở trên.

- Nguồn âm: Máy phát âm tần phát ra được âm dạng sin có f₁ = 400 Hz ± 10 Hz, f₂ = 880 Hz ± 10 Hz và được nối với một loa nhỏ, hoặc âm thoa la có tần số f = 440 Hz và búa gõ âm thoa bằng cao su.

- Thước chia đến milimét.

- Giá đỡ ống A, bình B và nguồn âm.

b) Tiến trình thí nghiệm:

- Nối ống A với bình B nhờ ống nhựa mềm, rồi lắp chúng và nguồn âm lên giá sao cho nguồn âm sát vào đầu hở của ống A.

- Hạ bình B xuống vị trí thấp nhất và đổ nước vào gần đầy bình. Nâng bình lên cao để nước dâng lên gần sát đầu trên của ống A.

- Cho nguồn âm phát ra với f₁ = 440 Hz. Hạ dần bình B xuống để tăng dần độ dài của cột khí trong ống A. Lắng nghe âm phát ra để xác định và ghi vào bảng số liệu độ dài l của cột khí trong ống A khi thấy âm ta nhất.

- Lặp lại bước thí nghiệm này bốn lần nữa để xác định và ghi vào bảng số liệu độ dài l tương ứng của cột khí khi có cộng hưởng âm lần đầu.

- Tính: và ghi vào bảng số liệu. Tiếp tục hạ bình B xuống thấp cho tới khi có cộng hưởng âm lần thứ hai. Xác định độ dài l’ của cột khí và ghi vào bảng số liệu.

- Tiến hành này thêm bốn lần nữa để xác định l’ và ghi vào bảng số liệu.

Tính và ghi vào bảng số liệu :

- Tính: với tần số của âm phát ra là f₁ = 440 Hz ± 10 Hz.

- Tiến hành thí nghiệm ứng với tần số của âm phát ra từ nguồn âm là f₂ = 880 Hz ± 10 Hz.

IV. Kết quả thí nghiệm thu được.

* Phương án 1. f₁ = 440 Hz ± 10 Hz

Bảng 20.1a

Chiều dài cột không khí	Lần 1	Lần 2	Lần 3	Lần 4	Lần 5	Giá trị trung bình	Sai số tuyệt đối
Khi có cộng hưởng âm lần đầu: l (cm)	18,5	19,0	19,0	18,6	18,9	18,8	0,25
Khi có cộng hưởng âm lần hai: l’ (cm)	57,0	56,5	57,3	57,2	56,6	56,9	0,4

+ Xử lý số liệu và đánh giá sai số

* Phương án 2. f₂ = 880 Hz ± 10 Hz

Bảng 20.1b

Chiều dài cột không khí	Lần 1	Lần 2	Lần 3	Lần 4	Lần 5	Giá trị trung bình	Sai số tuyệt đối
Khi có cộng hưởng âm lần đầu: l (cm)	9,5	9,6	9,4	9,3	9,5	9,5	0,15
Khi có cộng hưởng âm lần hai: l’ (cm)	28,5	28,6	28,6	28,5	28,4	28,5	0,1

+ Xử lý số liệu và đánh giá sai số

V. Nhận xét.

Muốn thí nghiệm có kết quả chính xác thì phải làm thí nghiệm nhiều lần rồi suy ra các giá trị trung bình vì thực tế, rất khó xác định vị trí các bụng sóng, nút sóng khi phải dùng tai nghe để xác định.

Câu 1 (trang 112 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong hai phương án thí nghiệm ở sách giáo khoa có điểm gì giống và khác nhau về cơ sở lý thuyết? Hãy giải thích tại sao?

Bài giải:

+ Về phần nguyên tắc cả hai thí nghiệm đều giống nhau là xác định chiều dài cột không khí có sóng dừng và cộng hưởng. Khi đó chiều dài cột không khí bằng một số lẻ lần một phần tử bước sóng.

+ Điểm giống nhau ở phương án thí nghiệm trên là tìm khoảng cách giữa một nút (mặt pit tông, mặt nước) đến một bụng (miệng uống). Khi chiều dài thích hợp, miệng ống là một bụng thì âm nghe rõ nhất.

+ Điểm khác nhau là cách thay đổi chiều dài cột không khí, ở Phương án 1, chiều dài cột không khí tăng lên là nhờ kéo pít tông ra xa đầu hở, ở Phương án 2 chiều dài cột không khí giảm dần nhờ điều chỉnh độ cao của bình nước.

Câu 2 (trang 112): Trong phương án 2, nếu dùng bình B có thể tích rất nhỏ thì kết quả thí nghiệm sẽ như thế nào? Tại sao?

Bài giải:

Trong phương án 2, nếu bình B có thể tích rất nhỏ thì sẽ khó điều chỉnh nhanh nhạy mực chất lỏng trong ống nên không kịp ghi nhận vị trí âm cộng hưởng làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

Bài 1 (trang 112 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Tại sao trong các thí nghiệm đã tiến hành, việc xác định bước sóng của âm lại dựa vào việc tìm độ dài của cột khí trong ống khi nghe thấy âm to nhất mà không phải là khi không nghe thấy âm?

Bài giải:

Về nguyên tắc trong các nghiệm tiến hành, việc xác định bước sóng âm có thể dựa vào việc tìm độ dài của cột khi trong ống khí thấy âm. Lúc đó miệng ống sẽ là nút sóng. Tuy nhiên, cách này sẽ không chính xác vì khó có thể xác định khi nào âm tắt hẳn vì vậy sai số sẽ lớn hơn.

Bài 2 (trang 112): Để xác định tốc độ truyền âm trong không khí, ta có thể chỉ làm thí nghiệm tìm độ dài l của cột khí trong ống khí có cộng hưởng âm lần đầu, rồi tính bước sóng của âm theo công thức: α = 4l được không?

Bài giải:

Nếu trong các thí nghiệm đã tiền hành, việc xác định bước sóng của âm chỉ dựa vào làm thí nghiệm tìm độ dài l của cột khí trong ống khí có cộng hưởng âm lần đầu, rồi tính bước sóng của âm theo công thức: λ = 4l thì sẽ không chính xác để định với các trường hợp khác.

Vì nếu chỉ làm thí nghiệm 1 lần tìm độ dài l của cột khí trong ống khi có cộng hưởng âm lần đầu bằng công thức λ = 4l thì sẽ không bao giờ có kết quả chính xác vì thực tế rất khó xác định, ta phải làm thí nghiệm rất nhiều lần, suy ra giá trị trung bình.

Bài tiếp: Bài 21: Dao động điện từ - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao