nghiên cứu chương trình nội dung chương trình vật lí trung học phổ sóng cơ

Các sóng khác chỉ lan truyền được trong môi trường vật chất, và trong quá trình này các phần tử vật chất không dịch chuyển theo sóng 1.1 Khái niệm sóng cơ Khi một phần tử trong môi trườ

MỞ ĐẦU

“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của người Giáo viên trong quá trình dạy học môn Vật lí THPT Đặc biệt, trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục toàn diện theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà.

Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách trình bày nội dung kiến thức trong sách giáo khoa Vật lí là cần thiết, đặc biệt đối với những học viên cao học thuộc chuyên ngành LL & PPDH Vật lý Đây cũng là nhiệm vụ chính của học phần “ Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông”.

Để có thể giảng dạy tốt bộ môn Vật lí ở trường phổ thông thì người giáo viên ngoài lòng đam mê và nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc các kiến thức của môn học.Người giáo viên phải hiểu sâu về kiến thức cũng như ý đồ của SGK thì mới có thể tổ chức hoạt động dạy học có hiệu quả và kích thích được sự hứng thú của học sinh cũng như lựa chọn được phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng của môn học.

Trong bài tiểu luận này sẽ đề cập đến nội dung chương trình hai chương này đồng thời cung cấp phương hướng giảng dạy cho giáo viên.

CHƯƠNG 1 SÓNG CƠ

I Khái niệm

Khái niệm hiện tượng: sóng cơ, sóng ngang, sóng dọc, mặt sóng, mặt đầu sóng, sóng cầu, sóng phẳng, giao thoa sóng, sóng dừng, nhiễu xạ sóng, sóng âm, môi trường truyền sóng, hiệu ứng Doppler.

Khái niệm đại lượng vật lí: chu kì, tần số, tốc độ sóng, bước sóng, phương trình sóng, năng lượng sóng, độ cao, độ to,

âm sắc.

Sóng là những nhiễu loạn tuần hoàn được lan truyền trong môi trường hoặc trong không gian Dạng sóng là hình ảnh của nhiễu loạn, dạng sóng được minh họa bằng đồ thị biểu diễn đại lượng nhiễu loạn tại một thời điểm theo khoảng cách.

Trong các sóng mà Vật lí học đã biết thì chỉ có sóng điện từ

là truyền được trong chân không Các sóng khác chỉ lan truyền được trong môi trường vật chất, và trong quá trình này các phần tử vật chất không dịch chuyển theo sóng

1.1 Khái niệm sóng cơ

Khi một phần tử trong môi trường vật chất thực hiện dao động thì do tương tác, dao động có thể truyền sang các phần tử khác và cứ thế truyền đi khắp môi trường tạo thành sóng cơ.

Như vậy, những sóng như: sóng nước trong các khối nước,

từ một đại dương mênh mông cho đến một con rạch nhỏ; sóng âm thanh trong không khí và trong nước; sóng truyền trên dây cao su hay lò xo; sóng địa chấn trong vỏ Trái đất, trongvỏmantivàlõi… đều được gọi là sóng cơ Điểm đặc trưng chủ yếu của mọi loại sóng cơ học này là chúng bị chi phối bởi các định luật của Newton, và những loại sóng cơ học này cần có một môi trường vật chất để tồn tại và lan truyền.

1.2 Khái niệm sóng ngang và sóng dọc

Trong mọi loại sóng cơ khả dĩ, thì sóng truyền theo một dây kéo căng có lẽ là sóng đơn giản nhất Nếu tay

chúng ta truyền cho một đầu của sợi dây bị kéo căng một cái giật mạnh lên, xuống (minh họa hình 2.1.3), thì một xung sẽ đi dọc theo dây từ phần tử này sang phần tử khác Xung sẽ giống như một sóng, dưới dạng một xung đơn, đi dọc theo dây vớivậntốc v

→

Nếu chuyển động tay lên, xuống, theo một chuyển động điều hòa đơn, thì một sóng hình sin kéo dài sẽ đi theo sợi dây vớivậntốc v→

Giả sử hình 2.1.4 là hình dạng lí tưởng của sợi dây, trong đó không có lực ma sát làm cho sóng giảm dần, khi

nó chuyển động dọc theo dây Giả sử thêm rằng chiều dài của dây là đáng kể để sóng phản xạ không ảnh hưởng đến sóng tới Khi đó có thể nghiên cứu sóng trên hình 2d và quan sát hình dạng của sóng khi chuyển động sang phải Một cách tương ứng, chúng ta có thể quan sát chuyển động của một phần tử xác định m của sợi dây có độ dài dx

và khối lượngtươngứngdmkhiphầntử này dao động lên, xuống lúc sóng đi qua Độ dịch chuyển của bất kì phần tử nào khi dây dao động, đều theo phương vuông góc với phương truyền của sóng Sóng như vậy được gọi là sóng ngang.

Từ những phân tích trên có thể hiểu: Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng.

Hình 2.1.3

Hình 2.1.4

Ví dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một đầu theo phương vuông góc với sợi dây (hình 2.1.3).

Sóng ngang chỉ xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng.Nói cách khác, môi trường nào xuất hiện lực đàn hồi khi có biến dạng lệch thì có thể truyền được sóng ngang, ví dụ như mặt chất lỏng, chất rắn.Mặt nước truyền được dao động nhờ lực căng bề mặt.Hợp lực của lực căng bề mặt và trọng lực có tác dụng như lực đàn hồi và vì vậy, sóng trên mặt nước là sóng ngang.

Còn loại sóng cơ học mà sự dịch chuyển của các phần

tử môi trường cókhốilượngdmlàtiến, lùi, song songvớiphươngtruyền của sóng, gọi là sóng dọc.

Vậy có thể hiểu: Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng.

Môi trường nào xuất hiện lực đàn hồi khi có biến dạngnén – dãnthìtruyềnđược sóng dọc.Nói cách khác sóng

dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích Do đó, sóng dọc truyền được trong các vật rắn cũng như trong các môi trường lỏng và khí.

Ví dụ: Khi chúng

ta nén lò xo rồi buông tay ra, trên lò xo xuất hiện những đoạn lò xo bị nén lại và đoạn

lò xo dãn ra Sự nén dãn của những đoạn lò xo này truyền dọc theo lò xo tạo nên sóng dọc

1.3 Môi trường truyền sóng

Môi trường được gọi là đồng tính nếu các tính chất vật lí của nó liên quan đến bài toán mà ta đang xét là như nhau

ở mọi điểm

Môi trường được gọi là đẳng hướng nếu các tính chất vật lí của nó liên quan đến bài toán mà ta đang xét là như nhau theo mọi hướng

Hình 2.1.5

Một môi trường có thể đồng tính (hay đẳng hướng) với những tính chất vật lí này nhưng lại không đồng tính (hay đẳng hướng) với những tính chất vật lí khác.

Ví dụ: đơn tinh thể là đồng nhất về phương diện đàn hồi nhưng lại không đồng tính về quang học đối với tia Rơnghen Các chất kết tinh thuộc hệ lập phương là đẳng hướng về phương diện quang học, nhưng lại không đẳng hướng (dị hướng: sự phụ thuộc của các tính chất vật lí của môi trường theo các phương trong không gian) đối với tính chất đàn hồi Các chất lỏng và chất khí là đẳng hướng với mọi tính chất vật lí khi không có trường ngoài

Môi trường được gọi là tuyến tính nếu có tỉ lệ thuận giữa đại lượng đặc trưng cho tác dụng bên ngoài lên môi trường và đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi trạng thái của môi trường

II Những đặc trưng cơ bản của sóng cơ

2.1 Chu kì

1 Định nghĩa

Chu kì T của một sóng là khoảng thời gian sau đó chuyển động của một phần tử của sợi dây dao động (tại bất kì vị trí định trước nào) bắt đầu tự lập lại

Trong hệ SI, đơn vị của chu kì là giây (s).

2 Biểu thức

Chu kì của sóng được xác

định bởi công thức: T=

2 π ω

3 Chứng minh công thức

tính chu kì

Dựa vào hình ta viết biểuthứcchochođộdờicủa phần tử

m của sợi dây ở vịtrí x , vàothờiđiểm t:

u( x ,t )=A m sin(kx−ωt )

Trong đó:

 A làbiênđộcủasóng, chữ m ở vếphảiđể chỉ cực đại, vì biên

độ là độ lớn của độ dời lớn nhất của phần tử m theo mỗi phương.

 k làsốsóng góc của sóng: là số lầnbướcsóng λ

chứatrongmộtkhoảngchiềudài 2π trênphươngtruyềnsóng ( k=

2 π

λ ), cóđơnvị trong hệ SI là radian trên mét.

 ω làtầnsố góc của sóng, có đơn vị trong hệ SI là radian trêngiây, hay s  1

.

Trên hình 5, tại vị trí cố định đượclấytại x=0 Nếu chúng

ta điều khiển sợi dây tại vị trí này, chúng ta sẽ thấy rằng chuyển động của một phần tử đơn độc của sợi dây là chuyển động lên, xuống và được cho bởi biểu thức

u(0,t )= A m sin(−ωt )=− A m sin ωt (2)

Dựa vào định nghĩa chu kì và áp dụng phương trình (2) cho mỗi đầu của khoảng thời gian này, và cân bằng các kết quả, ta được:

u=− A m sin ωt=− A m sin ω(t +T )=− A m sin (ωt+ωT )

Điều này chỉ có thểđúngnếu: ωT=2 π

Từđâysuyra: T =

2 π

ω hay ω=

2π T

Trong hệ SI, chu kì T cóđơnvị là giây.

2.2 Tần số

1 Định nghĩa

Tầnsố f là số chu kì trong một đơn vị thời gian, thực hiện bởi một phần tử đã cho trên sợi dây, khi sóng đi qua nó.

2 Biểuthức f =

1

T=

ω

2 π

Trong hệ SI, đơn vị của tần số là Héc: 1 héc ( Hz ) = 1 dao động/s.

2.3 Tốc độ truyền sóng (tốc độ sóng)

Hình 2.2.2 mô tả sóng tạithờiđiểm t=0 vàtạithờiđiểm

t=Δtt Sóng đang truyềntheophương x tăng, toànbộ hình

theophươngđótrongkhoảngthờigian Δtt

Biểu thức tốc độ sóng

Ở hình 2.2.2, chỉ xét tập trung vào phần tử đặc biệt A là điểm có độ dời cực đại Theo phương trình (1), một độ dời

u là được xác định, bằng cách gán một giá trị đã định cho đạilượng ( kx−ωt ) ,đạilượng này được gọi là pha sóng Đặt: kx−ωt=a= hằngsố (3)

Theo phương trình (3), khi t tăng thìvịtrí x củaphầntử A chuyển độngvềphía x tăng (sang bên phải) Như vậy bản thân sóng chuyển độngvềphía x tăng.

Để tìm tốcđộsóng v ta lấyđạo hàm của phương trình (3),

ta được

k dx

dt−ω=0 ⇒

dx

dt=v=

ω

k (4)

Hình 2.2.2

Kết quả (4) dương, không đổi đã nghiệm đúng rằng sóng lan truyềntheochiều x tăng, tức là sóng lan truyền sang bên phải (hình 6) với một tốc độ không đổi.

Vậy từ (4), biểu thức cho tốc độ sóng được viết:

v= ω

k =

2 π T

λ

2 π ⇒ v = λ

T=λf (5).

Phương trình (5) chứng tỏ rằng sóng chuyển động được một bước sóng trong một chu kì dao động.

Vậy có thể định nghĩa tốc độ sóng như sau: Tốc độ sóng

là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian.

III Giao thoa sóng

3.1 Hiện tượng giao thoa

Dao động u 1 tại M gây bởi sóng từ nguồn O 1 , theo công thức (11’):

u1=A1cos(ωt− 2 πd1

λ ) (18)

Tương tự, dao động u 2 tại M gây bởi sóng từ nguồn O 2 :

u2=A2cos(ωt− 2 πd2

λ ) (19)

Vì hai dao động này cùng phương nên tại M có sự tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số.

Hiệu số pha của hai sóng bằng:

ϕ2−ϕ1=−2 πd2

λ −(−2 πd1

λ )=2 π

λ (d1 −d2)

= hằngsố (20) Biên độ của dao động tổng hợp tại M:

A2=√A12+A22+2 A1A2cos2π

λ (d1 −d2)

(21)

Để thấy rõ kết quả giao thoa tại M, chúng ta khảo sát sự biến thiên của biên độ tổng hợp A theo hiệu sốkhoảngcách

d2−d1 .

Từ phương trình (21), ta thấy: Amax =A1+A2 khi d2 −d1=kλ , (với k là những số nguyên).Nhìn vào biểu thức này có thể đưa ra nhận xét: những điểm mà hiệu số khoảng cách từ

M tới hai nguồn kết hợp O 1 O 2 bằng một số nguyên lần bước sóng sẽ dao động mạnh nhất: tại đó hai dao động

Hình 2.5.3

truyền đến cùng pha và biên độ dao động là cực đại, tức là tại đó hai sóng tăng cường nhau Toán học cho biết quỹ tích của những điểm M làhọmặthypeboltrònxoaycó hai

Nhữngđườnghypebolliềnnéttrên hình 11 biểu diễn các giao tuyến của những điểm M với mặt phẳng hình vẽ.

Cũng từ phươngtrình (21) ⇒ A min  A 1  A 2 , khi

d2−d1= (2 k+1)λ

2

Dựa vào biểu thức trên cho thấy những điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O 1 O 2 bằng một số

lẻ lần nửa bước sóng sẽ dao động yếu nhất: tại đó hai dao động truyền đến ngược pha nhau và biên độ dao động là cực tiểu, tức là tại đó hai sóng làm yếu nhau Toán học cho biết quỹ tích của những điểm M cũng làhọmặthypeboltrònxoaycùng có hai tiêu điểm là O 1 và

O 2 Giao tuyến của chúng với mặt phẳng qua O 1 O 2 biểu diễn bằngnhữngđườnghypebolđứtnéttrên hình 11, xen kẽ vớinhữngđườnghypebolliềnnétnói trên.

Tóm lại, trong những biểu thức trên, khi cho k nhận lần lượt cácgiátrị: k=±1,±2,±3 thìsẽxácđịnh được mộthọđườnghypebolcủanhữngđiểm có dao động với biên

họcácđườnghypebolcủanhữngđiểmcó dao động với biên

độ cực tiểu Những cực đại ứng với k=0 nằm trên đường thẳng là đường trungtrựccủa O 1 O 2

Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xácđịnh, luônluônhoặctăngcường nhau, hoặc làm yếu nhau gọi là sự giao thoa của sóng.

Lưu ý:

- Các kết quả trên đây chỉ đúng với trường hợp pha ban đầu của hai nguồn là như nhau Nếu pha ban đầu của hai nguồn là khác nhau thì tính toán tương tự và sẽ kết quả khác với kết quả trên đây

- Hiện tượng giao thoa xảy ra đối với cả sóng ngang và sóng dọc.

3.2 Điều kiện để có hiện tượng giao thoa

Từ kết quả của việc khảo sát trên, ta nhận thấy rằng để

có hiện tượng giao thoa xảy ra thì hai sóng giao nhau phải xuất phát từ hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần

số và hiệu số pha không đổi theo thời gian Hai sóng thỏa mãn các điều kiện như trên gọi là hai sóng kết hợp.Khi đó xuất hiện những đường cong cố định trên mặt nước nối các điểm có biên độ dao động cực đại hoặc cực tiểu gọi là vân giao thoa.

Sóng dừng

Sau đây ta sẽ xét một trường hợp đặc biệt của giao thoa sóng, đó là sóng dừng hay còn gọi là sóng đứng.

Khái niệm

Sóng dừng là sóng tạo thành do sự chồng chập của hai sóng hình sin kết hợp, truyền theo cùng phương nhưng ngược chiều nhau và có phương dao động trùng (hoặc gần trùng) nhau

Nếu sóng truyền từ một môi trường có khối lượng riêng nhỏ tới phản xạ trên một môi

trường có khối lượng riêng lớn hơn, ở chỗ phản xạ sẽ xuất hiện một nút

Nếu sóng truyền từ một môi trường

có khối lượng riêng lớn tới phản xạ trên một môi trường

có khối lượng riêng nhỏ hơn thì ở chỗ phản xạ sẽ xuất hiện một bụng.

* Lưu ý: Trong quá trình hình thành sóng dừng thì sóng tới

và sóng phản xạ liên tục truyền đi theo hai chiều ngược nhau nhưng sóng tổng hợp của chúng thì không truyền đi

mà đứng (dừng) tại chỗ Vì vậy mà sóng tổng hợp trong trường hợp này gọi là sóng đứng hay sóng dừng.

Điều kiện:

- Sợi dây có 2 đầu cố định

l=n λ

2 (n= 1, 2, …)

- Sợi dây có 1 đầu tự do

l=m λ

4 (m= 1, 2, …)

IV Sóng âm

4.1 Khái niệm sóng âm

Sóng âm được định nghĩa một cách khái quát là những sóng cơ học có thể đi qua chất khí, chất lỏng hay chất rắn.

Trong chất rắn sóng âm là sóng ngang

và sóng dọc, vì lực đàn hồi xuất hiện ngay cả khi có biến dạng lệch, nén và giãn.

Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn

4.2 Các đặc tính sinh lí của âm

Nhờ thính giác, con người có thể phân biệt được ba đặc tính sinh lí của âm: độ cao, âm sắc và độ to.

4.2.1 Độ cao của âm

Trong âm nhạc, các nốt nhạc: do, re, mi, fa, sol, la, si, do ứng với các âm có độ cao tăng dần

4.2.2 Âm sắc

Tai người có thể phân biệt được những âm thanh có cùng độ cao (cùng tần số) nhưng phát ra bởi các nhạc cụ khác nhau

4.2.3 Độ to của âm

Hai đại lượng dùng để đặc trưng cho độ mạnh của âm là cường độ âm và độ to của âm.

Cường độ âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện vật lí,

Độ to của âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện sinh lí

V Hiệu ứng Doppler

5.1 Định nghĩa

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của sóng do nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu.

Ví dụ: giả sử có một xe ô tô đang chạy trên đường và một người quan sát đứng bên đường Khi xe chuyển động nhanh tới gần người quan sát thì người đó cảm nhận được

âm thanh do xe phát ra lên cao; còn khi chiếc xe đó chạy ra

xa thì âm thanh do chính chiếc xe đó phát ra thấp hơn âm thanh do chính xe đó phát ra khi nó đứng yên gần người quan sát.

- Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động

f '=v ∓ v M

- Nguồn âm chuyển động, máy thu đứng yên

f ''

= v

v+v S f

- Không chỉ xảy ra với sóng âm mà còn xảy ra đối với sóng siêu âm có bước sóng rất ngắn, sóng vô tuyến điện và sóng ánh sáng.

- Ứng dụng: Cảnh sát xác định tốc độ của xe