Giải Vật Lý 12 Bài 10. Đặc trưng vật lý của âm
Bài 10. ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ CỦA ÂM A. KIẾN THỨC CẨN NẮM VỮNG Sóng âm - Nguồn âm nhạc Sóng âm là các sóng dọc cơ học truyền trong các môi trường vật chất (như khí, lỏng hoặc rắn). + Sóng âm mà con người nghe được có tần sô' nằm trong khoảng 16Hz đến 20000Hz. + Sóng âm có tần sô' nhỏ hơn 16Hz gọi là sóng hạ âm. Sóng âm có tần sô' lớn hơn 20000Hz gọi là sóng siêu âm. Tai nghe không nghe được các sóng hạ âm và sóng siêu âm. Nhữìig đặc trưng của ăm - Độ cao âm Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm, nó phụ thuộc vào đặc tính ’ ật lí của âm là tần sô'. Àm có tần sô' càng lớn thì càng cao. Âm có tần sô' càng nhỏ thì càng thâ'p (âm trầm). - Âm sắc Âm sắc là đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc vào các đặc tính vật lí như tần sô' âm, biên độ sóng âm và các thành phần câu tạo của âm. + Sóng âm đo một nhạc cụ phát ra là sóng tổng hợp của nhiều sóng âm được phát ra cùng một lúc. Các sóng này có các tần sô' là f, 2f, 3f,... và các biên độ là Al, A2, A3,... rất khác nhau. + Âm có tần số f gọi là họa âm cơ bản; các âm có tần sô' là 2f, 3f, 4f,... gọi là các họa âm thứ hai, thứ ba, thứ tư... Họa âm nào có biên độ mạnh nhất sẽ quyết định độ cao của âm mà nhạc cụ phát ra. Dao động âm tổng hợp vẫn là một dao động tuần hoàn nhưng không điều hòa. Đường biểu diễn của dao động âm tồng hợp không phải là một đường hình sin mà là một đường có tính chất tuần hoàn, nhưng có hình dạng phức tạp. Mỗi dao động tổng hợp đó ứng với một âm sắc nhất định. Chính vì vậy mà hai nhạc cụ khác nhau (đàn và kèn chẳng hạn) có thể phát ra hai âm có cùng cường độ cao (cùng tần sô') nhưng có âm sắc hoàn toàn khác nhau. Độ to của âm Độ to của âm là một đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc đặc tính vật lí là biên độ hay mức cường độ âm. + Mức cường độ nhỏ nhất của một âm để có thể gây ra cảm giác âm gọi là ngưỡng nghe của âm đó. Ngưỡng nghe phụ thuộc tần số của âm. + Âm có mức cường độ âm càng cao thì nghe càng to. Tuy nhiên độ to của âm còn phụ thuộc tần sô' âm. Hai âm có cùng mức cường độ âm nhưng có tần sô' khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to, nhỏ khác nhau. + Mức cường độ của một âm lớn đến mức nào đó sẽ gây ra cảm giác đau trong tai: Đó là ngưỡng đau. + Độ to của âm nằm trong phạm vi từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau. Nguồn nhạc âm Nguồn nhạc âm thường gặp là đàn dây và kèn hơi (như ông sáo). Khi phát ra âm, dây đàn và cột khí trong ô'ng sáo đều tạo ra sóng dừng. Với dây đàn hai đẩu cô' định, có sóng dừng khi chiều dài l của dây thỏa mãn điều kiện: 1 = n với n = 1, 2, 3... 2 Với n = 1, ta có âm cơ bản ứng với tần số f = -7- . 21 Với n = 2, 3..., ta có các họa âm bậc 2, bậc 3,... ứng với các tần số f = nf. Hộp cộng hưởng Hộp cộng hưởng là một hộp rỗng có một đầu hở, khi cột khí trong hộp dao động với một tần sô' phù hợp với kích thước của hộp thì trong hộp xảy ra sóng dừng và cường độ âm được tăng lên rõ rệt, ta gọi có cộng hưởng âm. Mỗi hộp đàn có hình dạng và kích thước khác nhau có thể cộng hưởng với một số họa âm nhất định, tạo ra một âm tổng hợp có âm sắc riêng. Hiệu ứng Đốp-ple * Khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát ra âm và máy thu âm thì âm thu được có tần số khác với âm phát ra (tăng hay giảm). Đó là hiệu ứng Đốp-ple. *Công thức liên hệ giữa tần số âm thu được f và tần số âm do nguồn phát ra là: Trong đó: V (tốc độ truyền âm); VM (tốc độ máy thu); vs (tốc độ nguồn âm) đều được xác định đối với môi trường. Khi nguồn âm và máy thu chuyển động lại gần nhau thì tần số âm thu được tăng, nếu chúng ra xa nhau thì tần số âm thu được giảm. B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP Bài 1. Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không? Trả lời Hạ âm và siêu âm đều là sóng âm mà tai người không thể nghe được. Hạ âm có tần số nhỏ hơn 16Hz và siêu âm có tần sô' lớn hơn 16000Hz. Bài 2. Sóng âm là gì? Trả lời Sóng cơ lan truyền trong môi trường tự nhiên gọi là sóng âm. Bài 3. Nhạc âm là gì? Trả lời Những âm có tần sô' xác định được gọi là nhạc âm. Bài 4. Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào? Trả lời Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí vận tốc âm trong mỗi môi trường được sắp xếp như sau: vran > V, > vkhi. Bài 5. Cường độ âm được đo bằng gì? Trả lời Sóng âm cũng là một sóng cơ học nên trên đường truyền nó có mang theo năng lượng. Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng được đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Bài 6. Chọn câu đúng. Siêu âm là âm: Có tần số’ hơn tần số’ âm thông thường. Có cường độ rất lớn. Có tần số’ trên 20000Hz. D. Truyền trong môi trường nhạnh hơn âm thông thường. Trả lời Chọn câu c. Có tần số’ trên 20000Hz. Bài 7. Chọn câu đúng. Cường độ âm được đo bằng: A. Oát trên mét vuông. B. Oát. c. Niutơn trên mét vuông. D. Niutơn trên mét. Trả lời Chọn câu A. Oát trên mét vuông. Bài 8. Một lá thép dao động với chu kì T = 0,08s. Âm dó nó phát ra có nghe được không? Trả lời Tần số’ dao động của lá thép: f = 4- = ——— = 12,5Hz < 16Hz T 0,08 => Âm do nó phát ra tai ta không nghe được. Bài 9. Một siêu âm có tần số’ 1MHz. Sử dụng Bảng 10.1. Hãy tính bước sóng của siêu âm này trong không khí ở o°c và trong nước. Giải 1MHz = 106Hz Trong không khí ở o°c bước sóng của siêu âm là: X = ^ = ị|l = 331.10'6m = 331um f 106 Bước sóng của siêu âm ở trong nước ở 15°C: .,_v'_15.102 in_4 , . À = — - =15.10 m = l,5mm. f 106 Bài 10. Để đo tốc độ gang, nhà vật lí Pháp Bi-Ô đã dùng một ông bằng gang dài 951,25m. Một người đập một nhát búa vào một đầu ông gang, một người ở đầu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí trong ông gang; hai tiếng ấy cách nhau 2,5s. Biết tốc độ âm trong không khí là 340m/s. Hãy tính tốc độ âm trong gang. Giải Thời gian sóng âm truyền đến tai người trong không khí: 951.25 t= 7’ ^2.79779s 340 Thời gian sóng âm truyền trên ông gang: 2,79779 - 2,5 = 0,29779 (s) Vận tốc truyền âm trên ông gang: s v = —- 951.25 / = = 3194m/s . t' 0,29779 Bài 11. Một nguồn âm, coi như một nguồn điểm, có công suất phát là 0,5W. Tính mức cường độ âm tại điểm nằm cách nguồn 10m. Cho biết ngưỡng nghe của âm chuẩn là /0 = 10~12 W.777-2 Giải Gọi A là điểm cách nguồn lOm. Công suất của nguồn âm là năng lượng qua diện tích mặt cầu tâm N bán kính NA trong một giây. Vậy: P = 4ttNA2Ia : - p 5.10 1 . . 1A-3„, -2 => IA = —-—- = ————V~0,4.10 Wm A 47I.NA2 4.3,14.10"2 Mức cường độ âm tai A: 7 4 10“4 4 „ LA=101g^- = 101g^- = 10.1g^ = 101g4.108«86(dB)