Giáo án và PPT Vật lí 11 chân trời Bài 6: Các đặc trưng vật lí của sóng

BÀI 6: CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ CỦA SÓNG

HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

GV yêu cầu HS thảo luận và trả lời:

Hãy cho biết các đại lượng đặc trưng của sóng?

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG

• Biên độ dao động của sóng là gì?

• Theo tần số, sóng âm được phân loại như thế nào? 

1. Chu kì, tần số, biên độ sóng

*Thảo luận 1 (SGK – tr40)

a) Sóng truyền trên dây là sóng ngang.

b) Mỗi điểm trên dây dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Xét từ nguồn tạo sóng, trạng thái dao động của điểm phía sau tại thời điểm t chính là trạng thái dao động của điểm phía trước tại thời điểm t – Δt trước đó.

*Kết luận:

- Chu kì và tần số của sóng lần lượt là chu kì và tần số của nguồn sóng. 

- Biên độ sóng  tại một điểm là biên độ dao động của phần tử môi trường tại điểm đó.

- Những điểm trên phương truyền sóng có li độ cực đại được gọi là đỉnh sóng.

2. Bước sóng và tốc độ truyền sóng

*Thảo luận 2 (SGK – tr40)

a) Những điểm trên dây đang có trạng thái dao động giống nhau:

+ t = T: O và D.

+ : O và D; A và E.

+ : O và D; A và E; B và G.

+ : O và D; A và E; B và G; C và H.

+ t = 2T: O, D và K; A và E; B và G; C và H.

b) Trạng thái dao động của điểm D luôn giống với trạng thái dao động của nguồn O khi với T là chu kì dao động của nguồn sóng.

*Thảo luận 3 (SGK – tr41)

Tốc độ truyền sóng trong môi trường và tốc độ dao động của các phần tử trong môi trường là hai đại lượng độc lập nhau. Do đó, chúng không phụ thuộc vào nhau.

*Thảo luận 4 (SGK – tr42)

- Tốc độ truyền sóng âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng. Tốc độ truyền sóng âm trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí.

- Nguyên nhân: Môi trường càng đậm đặc, tốc độ lan truyền tương tác giữa các phân tử của môi trường càng lớn. 

*Ví dụ (SGK – tr42)

- Ta có:

Suy ra điều kiện về tốc độ của sóng siêu âm này là:

m/s.

*Kết luận:

- Bước sóng là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì dao động, kí hiệu là . Bước sóng cũng chính là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng dao động cùng pha với nhau.

Trong hệ SI, bước sóng có đơn vị là mét (m).

- Tốc độ truyền sóng được xác định bằng thương số giữa quãng đường sóng truyền đi được và thời gian để sóng truyền đi quãng đường đó.

Trong hệ SI, tốc độ truyền sóng có đơn vị là m/s.

- Khi thì , ta có:

*Luyện tập (SGK – tr42)

- Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp phao nhô lên chính là chu kì sóng, do đó: s.

- Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp chính là bước sóng nên m.

3. Cường độ sóng

*Ví dụ (SGK – tr43)

- Vì nguồn âm được xem như là một điểm nên cường độ sóng âm trên một mặt cầu có diện tích S = 4πr² là như nhau, với r là bán kính mặt cầu.

*Kết luận:

Cường độ sóng I là năng lượng sóng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

Trong hệ SI, cường độ sóng có đơn vị là W/m².

- Tại vị trí r₁ = 15 m và r₂, ta có: và .

- Suy ra:

m

Vậy ở khoảng cách 75 m tính từ vị trí của còi thì sóng âm có cường độ bằng 0,010 W/m².

*Luyện tập (SGK – tr43)

Công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời:

=>

II. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG 

Hoạt động 2.

GV đặt câu hỏi hướng dẫn học sinh tìm hiểu:  

• Viết phương trình truyền sóng, giải thích các đại lượng và cho biết đơn vị tương ứng?

• Trên phương truyền sóng, xác định khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động ngược pha.

Sản phẩm dự kiến:

*Thảo luận 5 (SGK – tr50)

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có tọa độ x và x’ dao động cùng pha khi:

=>

Hai điểm gần nhất dao động cùng pha ứng với k = 1 => .

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có tọa độ x và x’ dao động ngược pha khi:

=>

Hai điểm gần nhất dao động ngược pha ứng với k = 0 => .

*Thảo luận 6 (SGK – tr44)

Vì nên độ lệch pha của hai điểm này là rad.

*Kết luận:

- Phương trình sóng truyền theo trục Ox là:

Trong đó:

+ t và T lần lượt là thời điểm đang xét và chu kì sóng (tính theo s).

+ x và lần lượt là khoảng cách từ một điểm trên dây đến nguồn và bước sóng (tính theo m).

- Phương trình sóng có tính tuần hoàn theo không gian với chu kì và theo thời gian với chu kì T.

- Tại cùng một thời điểm, dao động tại điểm M trễ pha hơn dao động tại nguồn một góc

*Luyện tập (SGK – tr44)

- Hình 6.6a: Vì sóng truyền với tốc độ hữu hạn nên tại thời điểm t đang xét, với v là tốc độ truyền sóng, sóng chỉ mới truyền đi được quãng đường x = vt. Phần còn lại của dây với x > vt vẫn còn đứng yên.

- Hình 6.6b: Điểm cách nguồn một khoảng x chỉ bắt đầu dao động khi sóng truyền đến, nên , sóng chưa truyền đến điểm này.

HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

Từ nội dung bài học,GV yêu cầu HS luyện tập làm bài

Câu 1: Khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha trên cùng một phương truyền sóng được gọi là gì?

Câu 2: Nêu mối liên hệ giữa bước sóng, chu kì (hoặc tần số) và tốc độ sóng.

Câu 3: Trên mặt hồ yên lặng, người ta tạo ra sóng trên mặt nước bằng cách làm con thuyền dao động biết thuyền thực hiện 24 dao động trong 40s, tạo ra sóng cao 12 cm so với mặt hồ khi yên lặng và ngọn sóng tơi bờ cách thuyền 10m sau 5s. Hãy xác định chu kì, tốc độ lan truyền sóng, bước sóng và biên độ sóng.

HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

Vận dụng kiến thức, GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi:

Câu 1: Khi thay đổi tần số dao động của nguồn sóng thì đại lượng nào là không đổi?

Câu 2: So sánh về tốc độ truyền sóng trong các môi trường rắn lỏng khí và giải thích sự khác nhau.

Câu 3: Cường độ sóng là gì? Viết công thức tính cường độ sóng, giải thích các đại lượng và cho biết đơn vị tương ứng.