Nếu không có cơ sở này thì không thể giải thích ñược, chẳng hạn vai trò của hộp cộng hưởng của âm thoa: Khi âm thoa dao ñộng sẽ tạo ra một sóng truyền từ ñáy ñến miệng hộp cộng hưởng qu
Trang 1MỘT SỐ VẤN ðỀ CẦN LƯU Ý TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 12
1 Về khái niệm mômen ñộng lượng của vật rắn quay quanh một trục:
Trong SGK chỉ ñưa ra ñịnh nghĩa L=Iω mà không phân tích ý nghĩa Nếu có ñiều kiện nên cho học sinh tự xây dựng khái niệm bằng phương pháp tương tự:
Mômen của một ñại lượng vectơ ñối với một trục (thực chất là một vectơ) bằng tích của hình chiếu vectơ ñó lên mặt phẳng vuông góc với trục và cánh tay ñòn của nó (có thể ôn lại khái niệm mômen lực) Trong phương trình chuyển ñộng quay:
dt
I d dt
d I I
M = γ = ω = ( ω)
Do xuất hiện ñại lượng Iω nên cần tìm hiểu về ñại lượng này:
Xét chất ñiểm khối lượng m quay quanh trục cách nó một khoảng r trong mặt phẳng
vuông góc với trục như hình 1 thì:
r mv r
v mr
I mω= 2 =( ) Tức là bằng tích của ñộng lượng và cánh tay ñòn nên
ñược gọi là mômen ñộng lượng ∆L ðương nhiên với một vật
rắn thì ñại lượng này có thể cộng lại với nhau (vì các vectơ
L
∆ của chúng là cùng hướng) Khi ñó ta ñược I là mômen
quán tính của toàn vật:
ω
ω I I L
2 Về sự phản xạ của sóng âm và giao thoa của sóng âm:
Cơ sở ñể giải thích sự giao thoa của sóng âm trong cột khí và những trường hợp giao
thoa khác là sóng sẽ phản xạ khi có sự ñột biến về ñiều kiện truyền sóng Nếu không có cơ sở
này thì không thể giải thích ñược, chẳng hạn vai trò của hộp cộng hưởng của âm thoa:
Khi âm thoa dao ñộng sẽ tạo ra một sóng truyền từ ñáy
ñến miệng hộp cộng hưởng (quá trình này là quá trình truyền
sóng thẳng) ðến miệng ống thì có sự ñột biến – Sóng thẳng
chuyển thành sóng cầu, nên xảy ra hiện tượng phản xạ sóng
Như vậy trong hộp có hai sóng ngược chiều giao thoa
với nhau, tạo thành sóng dừng Vì vậy chiều dài l của hộp phải
thỏa mãn miệng ống trùng với bụng sóng thì nghe thấy ñược
âm phát ra to nhất
Các trường hợp khác như sự hình thành sóng dừng trong
ống sáo… cũng ñược giải thích tương tự
3 Bài toán xác ñịnh số cực ñại, cực tiểu giao thoa:
Như ñã biết, ñể xác ñịnh số cực ñại hay cực tiểu xuất hiện, ta xét một ñiểm M trên S1S2, cách S1 và S2 các khoảng d 1 và d 2 ðiều kiện ñể tại M có cực ñại là:
) 1 ( 1
2 d kλ
Ngoài ra:
) 2 ( 2 1 2
1 d S S
2 2
2 2 1 2
S S k d S S k
Lâu nay, ta vẫn thường lập luận: 0≤d2 ≤S1S2
Nên suy ra:
) 3 ( 2
2
2 1 2 1
λ λ
k S S S
S S S
≤
Hình 1
O
m
rr v
mr
L
∆
l Hình 2
Hình 3
Trang 2Biết khoảng cách S1S2 và bước sóng λ, ta có thể xác ựịnh ựược số giá trị nguyên của k
thỏa mãn ựiều kiện (3), ựó chắnh là số cực ựại xuất hiện trên ựoạn S1S2 Có thể làm cách tương tự ựể xác ựịnh số cực tiểu
Nhưng ở ựây ta cần chú ý thêm rằng: Nếu lấy cả dấu Ộ=Ợ thì trong nhiều trường hợp,
hai nguồn sẽ trùng với hai cực ựại (biên ựộ bằng 2A) điều này là không thể, vì các nguồn dao
ựộng hoàn toàn phụ thuộc vào ngoại lực tuần hoàn tác dụng lên chúng mà không phụ thuộc gì vào sự chồng chập của các sóng Trong ựiều kiện nào thì biên ựộ dao ựộng của các nguồn vẫn
là A chứ không thể là 2A Vậy trong các bất phương trình trên ựây, ta không nên lấy giá trị
Ộ=Ợ; tốt nhất khi ra ựề toán, ta nên tắnh toán trước ựể không cho cực ựại trùng vào vị trắ các nguồn sóng S1 và S2
4 Về sóng dừng trên một sợi dây:
Thực chất ựiều kiện ựể có sóng dừng mà sách giáo khoa ựã ựưa ra cũng chỉ mới là sự thừa nhận mà chưa có chứng minh Ngoài ra cũng chưa giải thắch ựược tại sao biên ựộ dao ựộng tại các bụng sóng lớn hơn nhiều so với biên ựộ tại nguồn chứ không phải là chỉ có 2 lần; ựồng thời nếu chỉ có một sóng tới và một sóng phản xạ thì luôn luôn phải có giao thoa chứ không phải có những ựiều kiện ràng buộc Ta sẽ giải quyết vấn ựề này như sau:
Xét tại một thời ựiểm sóng ổn ựịnh thì phương trình tại nguồn M là: u M =A cos tω Khi sóng truyền ựến N thì bị phản xạ
(cũng theo quy luật như ựã trình bày ở phần
2) Sóng ựến N sẽ có phương trình:
−
=
v
l t A
Sóng phản xạ ra khỏi N có phương
−
−
=
′
v
l t A
Sóng phản xạ ra khỏi N và ựi ựến M, trên ựường phản xạ sẽ giao thoa với sóng tới và
tạo ra biên ựộ cực ựại là 2A Sóng phản xạ ựi ựến M có phương trình: cos 2
−
=
′
v
l t A
Nhớ rằng sóng này không chi phối ựược dao ựộng của nguồn M, vì nguồn này dao ựộng cưỡng bức theo tác dụng của ngoại lực Do ựó ựến M, sóng lại bị phản xạ một lần nữa và quay trở lại N (với quan niệm như ựầu M bị buộc chặt)
Nếu sóng phản xạ ra khỏi M tăng cường thêm cho sóng dừng ựã có thì sóng dừng trên dây tăng cường và không bị phá vỡ để sóng này có thể cộng hưởng với sóng phát ra từ M thì hai sóng này phải cùng pha với nhau, nghĩa là:
2
2 2
ω ω
v
l k
v
l t
−
−
=
∆
2
k l k
v
l
đó chắnh là ựiều kiện ựể có sóng dừng trên dây Nếu một lần thỏa mãn ựiều kiện trên thì tất cả các lần sau sẽ lặp lại và làm cho biên ựộ tại bụng tăng dần, mỗi lần sóng phát ra từ M,
ựến N và phản xạ trở lại thì biên ựộ sóng dừng tăng thêm ựược 2A Cho ựến khi năng lượng
nguồn cấp vào cho dây ựúng bằng năng lượng mất mát do sức cản của môi trường thì biên ựộ sóng dừng trên dây sẽ ổn ựịnh
Như vậy biên ựộ dao ựộng tại bụng sóng thực tế lớn hơn nhiều so với biên ựộ dao ựộng tại nguồn M Với các sóng phản xạ nhiều lần ựể tạo thành hình ảnh sóng dừng trên dây thì ựầu
dây M là nút sóng Khi sóng dừng ổn ựịnh thì ựầu dây M chỉ dao ựộng với biên ựộ A ựể bù
vào phần năng lượng mất mát do môi trường xung quanh
Hoàn toàn tương tự khi ựầu dây thứ hai tự do, ta rút ra ựiều kiện ựể có sóng dừng:
M
N
l Hình 4
Trang 32 ) 1 2
= k l
Như vậy, nếu sóng âm mà chỉ có một sóng tới và một sóng phản xạ thì luôn luôn có giao thoa với biên ựộ cực ựại là 2A (giống như hai sóng kết hợp trên mặt nước), nhưng nếu có sóng phản xạ nhiều lần trên một ựường thẳng thì ựiều kiện giao thoa lại tuân theo quy luật như sóng dừng trên sợi dây
5 Về hiệu ứng đôple:
Việc ghi nhớ các công thức cho tất cả các trường hợp trong hiệu ứng đôple ựối với học sinh là một việc tương ựối khó khăn Vì vậy, chúng ta nên có phương án tổng quát hóa các công thức ựó ựể giúp học sinh dễ nhớ và dễ vận dụng
Gọi V, v và u lần lượt là vận tốc truyền sóng âm, vận tốc chuyển ựộng của nguồn phát
và vận tốc chuyển ựộng của máy thu Giả sử nguồn phát và máy thu chuyển ựộng trên cùng một ựường thẳng, ta chia ra các trường hợp:
a) Nguồn phát ựứng yên, máy thu chuyển ựộng:
Công thức ựể xác ựịnh tần số biểu kiến mà máy thu nhận ựược là:
) 1 (
V
u V
f = +
b) Máy thu ựứng yên, nguồn phát chuyển ựộng:
Tần số biểu kiến mà máy thu nhận ựược tắnh theo công thức:
) 2 (
v V
V f
−
=
c) Cả máy thu và nguồn phát ựều chuyển ựộng:
Kết hợp cả hai công thức trong hai trường hợp trên, ta nhận ựược công thức tổng quát:
) 3 (
v V
u V f
−
+
= Trong công thức này thì u và v sẽ nhận giá dương nếu máy phát và máy thu tiến lại gần nhau và nhận giá trị âm nếu chúng chuyển ựộng ra xa nhau Như vậy tần số biểu kiến sẽ tăng nếu nguồn và máy thu chuyển ựộng lại gần nhau và ngược lại: tần số biểu kiến sẽ giảm khi nguồn và máy thu chuyển ựộng ra xa nhau
Trong trường hợp máy phát và mát thu chuyển ựộng với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc truyền âm thì:
* Công thức (1) có thể biến ựổi:
) ' 1 ( 1
V
u f
V
u V
+
=
+
=
* Công thức (2) có thể biến ựổi:
) ' 2 ( 1
1 '
1
f V
v f
V
v f
v V
V
+
≈
−
=
−
Nếu thay các ký hiệu u và v bằng vận tốc tương ựối v tự giữa nguồn phát và máy thu thì
có thể nhập chung hai công thức này làm một:
) ' 3 ( 1
V
v
+
=
Trong ựó v tự >0 nếu nguồn và máy thu chuyển ựộng lại gần nhau và v tự <0 nếu chúng
chuyển ựộng ra xa nhau
6 Thành lập phương trình dao ựộng trong mạch dao ựộng LC:
Trong sách giáo khoa cũ (sách cải cách giáo dục), việc lập luận ựể xây dựng phương trình gặp phải một số sai lầm nên gây ra nhiều tranh luận trong ựội ngũ giáo viên vật lắ Trong sách giáo khoa mới thành lập phương trình ựúng và ựơn giản nhưng khó hiểu, ựặc biệt là việc
Trang 4này Ở ñây xin nêu một phương án tổng quát ñể thành lập phương trình dao ñộng của ñiện tích trong mạch LC:
* Trước khi thành lập phương trình, cần chú ý các kiến thức ở lớp 11: ðịnh luật Ôm cho ñoạn mạch chứa nguồn phát và ñoạn mạch chứa máy thu (chọn chiều dòng ñiện trùng với chiều tính hiệu ñiện thế) tương ứng là:
E r R I U
E r R I U
+ +
=
− +
=
) (
; ) (
(xem hình 5) Ngoài ra biểu thức của ñịnh luật cảm ứng ñiện từ:
"
' Lq Li
E=− =−
là biểu thức luôn luôn ñúng
* ðể thành lập phương trình dao ñộng, ta vẽ một mạch
LC như hình 6; giả thiết dấu của ñiện tích trên tụ và một chiều
dòng ñiện bất kì (giả sử như hình vẽ) Chọn chiều dương của
mạch trùng với chiều của dòng ñiện Bây giờ căn cứ vào hình
vẽ ñể xác ñịnh dấu của các ñại lượng như sau:
- Theo chiều dòng ñiện và dấu ñiện tích trên tụ như hình vẽ thì rõ ràng là dòng ñiện ñang giảm (ñiện tích ñang phóng tới bản dương, tức là từ nơi ñiện thế thấp ñến nới ñiện thế cao), nên E=−Li'>0 Như thế suất ñiện ñộng tự cảm ñóng vai trò là nguồn phát chứ không phải là máy thu Từ ñó ta viết ñược biểu thức hiệu ñiện thế hai ñầu cuộn
dây:
"
' ) ' ( )
i
- Hiệu ñiện thế hai ñầu tụ ñương nhiên là:
C
q
u BA=
- Bây giờ ta áp dụng ñịnh luật Ôm cho mạch kín:
0
"
0
"
=
C
q Lq u
ðây chính là phương trình ta mong ñợi Với dấu của ñiện tích trên tụ và chiều dòng ñiện bất kì khác, ta cũng xây dựng một cách tương tự Ta cố gắng hiểu và nhớ cách lập phương trình cho một trường hợp thì sẽ hướng dẫn cho học sinh thành lập ñược các trường hợp khác Tuy nhiên có thể thành lập phương trình bằng phương pháp năng lượng, nhưng sách GK (nâng cao) xây dựng theo con ñường ñiện ñộng lực thì ta cũng nên cố gắng như vậy
7 Về các công thức biểu diễn hiệu ứng tương ñối tính của chiều dài, thời gian và khối lượng:
Việc ghi nhớ các công thức này cũng là một khó khăn ñối với học sinh Vì vậy, ta nên ñặt một hệ số 1 1 1
2
>
=
c
v
thì sẽ có sự chuyển ñổi công thức:
−
=
−
=
−
∆
=
∆
2 0
2
0
2 0
1
1 1
c v
m m
c
v l
l
c v
t t
⇔
=
=
∆
=
∆
0
0 0
m m
l l
t t
γ γ γ
L
C
Hình 6
_ +
i +
E
+
R
I ðoạn mạch chứa nguồn phát
+ _
R
I ðoạn mạch chứa máy thu
Hình 5
Trang 5Do hệ số γ >1 nên nhìn vào các công thức ñơn giản ở vế phải, học sinh sẽ xác ñịnh ngay ñược trong hệ quy chiếu chuyển ñộng thì thời gian bị trôi chậm lại; chiều dài thì bị co ngắn và khối lượng thì tăng lên
8 Về thí nghiệm giao thoa sóng nước:
Bộ thí nghiệm giao thoa sóng nước ñã ñược trang bị là tương ñối hoàn hảo, có tính khả thi Tuy nhiên việc tạo ra hình ảnh giao thoa như thế nào và chỉ cho học sinh thấy ñược các cực ñại và cực tiểu trên hình ảnh thu ñược lại là vấn ñề cần chú ý
Trước hết, ñể hình ảnh rõ nét, dễ nhận thấy hình ảnh các cực ñại và cực ñại tiểu là những ñược hypebol, ta nên dùng tần số lớn (bước sóng càng nhỏ thì càng rõ)
Ngoài ra khoảng cách
giữa hai nguồn không nên ñể
xa Khoảng cách thực tế giữa
hai nguồn của bộ thí nghiệm
ñược trang bị là xa quá Ta chỉ
việc uốn ñể cho hai quả cầu
gần nhau hơn Nhìn vào hình 7
ta thấy ngay rằng quan sát các
cực ñại và cực tiểu khi hai
nguồn gần nhau là rõ hơn nhiều
so với trường hợp xa nhau
9 Về thí nghiệm tán sắc ánh sáng:
ðể hình ảnh quang phổ nhận ñược trên màn có sự phân bố các màu mộ cách rõ ràng (các màu không chồng lên nhau) thì chùm sáng trắng ñưa vào lăng kính phải ñủ hẹp Muốn vậy thì ánh sáng từ nguồn phải cho qua khe hẹp rồi mới cho vào lăng kính Tuy nhiên khi ñó
ñộ sáng của quang phổ sẽ giảm ñi, nhưng ñó là ñiều kiện bắt buộc Trong băng video làm mẫu
mà các trường ñã ghi khi tập huấn thay sách là chưa ñúng với tinh thần ñó
Có thể quan sát hình 8 ñể thấy rõ hiện tướng này: Khi khe sáng rộng thì ta thu ñược giải sáng trắng có viền ñỏ phía trên và viền tím phía dưới chứ không thu ñược giải màu phân bố liên tục nữa
Hình 7
Giải màu phân bố liên tục
Giải sáng trắng có rìa ñỏ
và rìa tím
Hình 8
Trang 610 Thí nghiệm về dòng ñiện xoay chiều ba pha:
Trong bộ thí nghiệm của Bộ ñã trang bị cho các trường, mạch ñiện xoay chiều 3 pha mắc hình sao ñược bố trí như hình 9 Tải của 3 pha ñược thể hiện bằng 3 ñèn LED Như vậy khi ñưa ñiện áp 3 pha vào các ñiểm A, B, C thì ba ñèn lần
lượt sáng cho dù có cắm dây trung tính vào ñiểm O hay
không Nếu chỉ có như vậy thì ñã biểu diễn ñược dòng ñiện
3 pha khi mắc hình sao
Tuy nhiên, ở ñây người ta còn bố trí thêm một ñèn thứ
tư nằm trong dây trung tính Mục ñích của người thiết kế là
nếu nối dây trung tính vào ñiểm D thì ñèn LED thứ tư không
sáng, chứng tỏ là khi tải ñối xứng, tổng 3 dòng trong 3 dây
pha bằng không Rất tiếc là trong thực tế lại không xảy ra
như vậy mà ñèn thứ tư vẫn sáng nhấp nháy! Chứng tỏ dòng
ñiện trong dây trung tính khác không
Nhiều người cho rằng sở dĩ tổng ba dòng trong ba dây pha khác không là do mạch không ñối xứng, các cuộn dây cuốn không ñồng ñều nên sinh ra các suất ñiện ñộng không bằng nhau, do các bóng ñèn không giống nhau hoàn toàn… Thật ra không phải như vậy
Ta cứ xét trường hợp lý tưởng là tất cả các cuộn dây máy phát ñều giống nhau nên phát
ra ba suất ñiện ñộng ñối xứng và nếu tải là các ñiện trở thuần giống nhau chẳng hạn thì sẽ tạo thành dòng ñiện như hình 10 Nhưng thực tế, do tác giả muốn các ñèn sáng lên một cách rõ ràng nên ñã thay 3 ñiện trở thuần (bóng ñèn dây tóc chẳng hạn) bằng 3 ñèn LED Mà ñèn LED lại là ñiôt nên chỉ cho dòng ñiện chạy qua theo một chiều, nên kết quả ñược dòng ñiện chạy qua các ñiôt như hình 11 Ngoài ra do các ñiôt là không lý tưởng và cũng chưa biết các dòng ñiện tạo ra có
ñúng dạng hình sin
hay không, nên dòng
ñiện trong dây trung
tính càng không thể
bằng không, và bóng
ñền thứ tư tất nhiên
sẽ nhấp nháy
A
O
D
Hình 9