Giải Vật lý 12 nâng cao: Bài 20. Thực hành: Xác định tốc độ truyền âm

Bài 20: Báo cáo thực hành: Xác định tốc độ truyền âm

Lời giải:

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.

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 la 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 đàu 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.

Tínhl và   , 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

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.

c) 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

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.