ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ CỦA ÂM

BÀI 10. ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ CỦA ÂM

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Âm. Nguồn âm

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

Tần số của sóng âm cũng là tần số âm.

• Nguồn âm là các vật dao động phát ra âm.

Tần số của âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm.

2. Âm nghe được, hạ âm và siêu âm

3. Sự truyền âm

• Âm chỉ truyền qua được các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không.
• Trong cùng một môi trường, sóng âm có tốc độ xác định. Tốc độ truyền sóng âm trong chất rắn là lớn nhất và trong chất khí là nhỏ nhất: vrắn > vlỏng > vkhí
• Trong chất lỏng và chất khí sóng âm là sóng dọc còn trong chất rắn sóng âm gồm cả sóng ngang và sóng dọc.

4. Những đặc trưng vật lí của âm

• Nhạc âm và tạp âm: Nhạc âm là âm có tần số xác định (ví dụ: mỗi nốt nhạc Đồ, rê, mi, fa, son, la, si, đô là nhạc âm). Tạp âm là âm có tần số không xác định (tiếng trống, tiếng cồng chiêng, tiếng ồn ào ngoài phố…).
• Các đặc trưng vật lí của âm: Là các đặc trưng có tính khách quan định lượng, có thể đo đạc tính toán được. Bao gồm các đại lượng như: Chu kì, tần số, biên độ, năng lượng, cường độ, mức cường độ, đồ thị dao động âm…

a) Tần số âm:

• Là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của âm.
• Tần số của âm phát ra bằng tần số dao động của nguồn âm.

b) Cường độ âm và mức cường độ âm

• Cường độ âm I (W/m2): Là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng (W) mà sóng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian: \(I=\frac{\text{W}}{t.S}=\frac{P}{S}\)

Trong đó: P (W) là công suất phát âm của nguồn; S (m2) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S = 4πR2).

• Mức cường độ âm: Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn. Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôgarít thập phân của tỉ số \(\frac{I}{{{I}_{0}}}\)

\(L(B) = \lg \frac{I}{{{I}_{0}}}\) hoặc \(L(dB) = 10. \lg \frac{I}{{{I}_{0}}}\)(công thức thường dùng)

(Ở tần số âm f = 1000 Hz thì I0 = 10-12 W/m2 gọi là cường độ âm chuẩn)

c) Đồ thị dao động của âm: là tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm. Đồ thị không còn là đường sin điều hòa mà là một đường phước tạp và có chu kì.

• Âm cơ bản: là âm có tần số nhỏ nhất do một nhạc cục phát ra.
• Khi cho một nhạc cụ phát ra âm có tần số f0 thì nhạc cụ đó cũng sẽ phát ra những âm có tần số f là bội của f0 được gọi là họa âm thứ k: fk = k.f0
• Đồ thị dao động của những âm có cùng tần số và biên độ nhưng do các nhạc cụ khác nhau phát ra là khác nhau
• Lưu ý: Các họa âm của các nhạc cụ khác nhau có thể có tần số giống nhau nhưng biên độ khác nhau, và số họa âm khác nhau nên dù cùng một nốt nhạc giống nhau khi phát ra từ các nhạc cụ khác nhau thì đồ thị dao động âm sẽ khác nhau. Nhờ vậy ta phân biệt được âm này với âm kia.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Xác định cường độ âm, mức cường độ âm

• Cường độ âm I tại một điểm M cách nguồn âm một khoảng r:

\(I=\frac{P}{4\pi {{r}^{2}}}\left\{ \begin{align}   & P:\text{ Công suất nguồn tại O} \\  & 4\pi {{r}^{2}}\text{: Diện tích mặt cầu tâm O chứa M } \\ \end{align} \right.\)

Đơn vị của cường độ âm: W/m2

• Mức cường độ âm L tại M có công thức tính:

\(  L=\log \frac{I}{{{I}_{0}}}(B);\) I0 là hằng số (thường lấy I0 = 10-12 W/m2)

Đơn vị của mức cường độ âm: Ben (B); 1 B = 10 dB.

• Hệ thức liên hệ giữa I và L: \(I=\frac{P}{4\pi {{r}^{2}}}={{I}_{0}}{{.10}^{L}}\)

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 50 SGK Vật lí 12):

Hãy chỉ ra bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ ở hình 10.1-10.3 SGK.

Trả lời:
Bộ phận dao động phát ra âm trong các dụng cụ

• Đàn dây thì sợi dây đàn dao động phát ra âm.
• Ống sáo thì cột không khí dao động phát ra âm.
• Âm thoa thì hai nhánh âm thoa dao động phát ra âm.

Câu C2 (trang 51 SGK Vật lí 12):

Thật ra, lúc chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn còn nghe thấy tiếng chuông rất nhỏ. Giải thích thế nào và chứng minh cách giải thích đó thế nào?

Trả lời:

• Trong chuông là chân không hoàn toàn, ta vẫn nghe thấy tiếng chuông reo rất nhỏ là do âm còn truyền qua giá gắn chuông, bàn đặt chuông và hộp thủy tinh rồi truyền qua không khí đến tai ta.
• Nếu ta đặt chuông lên tấm nhựa xốp, mềm cách âm đối với bàn thì âm nghe sẽ giảm. Nếu tấm nhựa xốp cách âm tốt thì tai ta sẽ không còn nghe nữa.

Câu C3 (trang 52 SGK Vật lí 12):

Hãy nêu một vài dẫn chứng chứng tỏ rằng âm truyền với một tốc độ hữu hạn.

Trả lời:

• Khi trời mưa giông, ta thấy tia chớp chói sáng sau khoảng thời gian khá lâu mới nghe tiếng sấm.
• Một người đánh những tiếng trống rời rạc, đứng cách ta chừng 100 mét (hoặc hơn), thì ta thấy rõ từ lúc trông thấy dùi đập vào mặt trống đến lúc nghe thấy tiếng “tùng” có một khoảng thời gian tuy ngắn nhưng rất rõ.

IV. CÂU HỎI – BÀI TẬP

Bài 1 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất không?

Lời giải:

Hạ âm và siêu âm có cùng bản chất là sóng cơ học, chỉ khác nhau về tần số.

Bài 2 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Sóng âm là gì?

Lời giải:

Sóng âm là sóng cơ học lan truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí.

Bài 3 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Nhạc âm là gì?

Lời giải:

Nhạc âm là âm có tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra.

Bài 4 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Nhạc âm là gì?

Lời giải:

Nhạc âm là âm có tần số xác định, thường do các nhạc cụ phát ra.

Bài 5 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Trong ba môi trường rắn, lỏng và khí, âm truyền nhanh nhất trong môi trường nào, chậm nhất trong môi trường nào ?

Lời giải:

Trong ba môi trường : Rắn, lỏng, khí thì âm truyền trong chất rắn là nhanh nhất và chậm nhất là âm truyền trong không khí.

Bài 6 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Cường độ âm được đo bằng gì ?

Lời giải:

Cường độ âm I đo bằng đơn vị Oát trêm mét vuông, kí hiệu: W/m2

Bài 7 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Chọn câu đúng.

Siêu âm là âm

A. có tần số lớn

B. có cường độ rất lớn

C. có tần số trên 20000 Hz

D. truyền trong mọi môi trường nhanh hơn âm

Lời giải: Chọn C.

Siêu âm là sóng âm mà có tần số lớn hơn 20000 Hz không gây ra cảm giác thính giác ở người.

Bài 8 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Chọn câu đúng.

Cường độ âm được đo bằng.

A. oát trên mét vuông. B. oát.

C. niuton trên mét vuông. D. niuton trên mét.

Lời giải: Chọn A.

Cường độ âm I đo bằng đơn vị Oát trêm mét vuông, kí hiệu: W/m2

Bài 9 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Một lá thép dao động với chu kì T = 80 ms. Âm do nó phát ra có nghe được không ?

Lời giải:

Tần số âm do lá thép dao động phát ra là: \(\text{f}=\frac{1}{~\text{T}}=\frac{1}{{{80.10}^{-3}}}=12,5~\,\text{Hz}\)

Do f < 16 Hz, nên âm này là hạ âm nên tai ta không nghe được.

Bài 10 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Một siêu âm có tần số 1 MHz. Sử dụng bảng 10.1 SGK, hãy tính bước sóng của siêu âm này trong không khí ở 0°C và trong nước ở 15°C.

Lời giải:

Theo bảng 10.1, vận tốc âm trong không khí ở 0°C là v = 331 m/s, trong nước ở 15°C là v’ = 1500 m/s.

Bước sóng của siêu âm trong không khí ở 0°C: \(\lambda =\frac{\text{v}}{\text{f}}=\frac{331}{{{10}^{6}}}=3,{{31.10}^{-4}}~\text{m}=0,33\text{l}\,\,\text{mm}\)

Bước sóng của âm trong nước ở 15°C: \({\lambda }'=\frac{{\text{v'}}}{\text{f}}=\frac{1500}{{{10}^{6}}}=1,{{5.10}^{-3}}~\text{m}=1,5~\text{mm}\)

Bài 10 (trang 55 SGK Vật Lí 12):

Để đo tốc độ âm trong gang, nhà vật lí Pháp Bi-ô đã dùng một ống bằng gang dài 951,25 m. Một người đập một nhát búa vào một đầu ống gang, một người ở đầu kia nghe thấy hai tiếng gõ, một truyền qua gang và một truyền qua không khí ở trong ống gang; hai tiếng ấy cách nhau 2,5 s. Biết tốc độ âm trong không khí là 340 m/s, hãy tính tốc độ âm trong gang.

Lời giải:

Vận tốc âm truyền trong gang nhanh hơn vận tốc truyền trong không khí. Gọi t là thời gian truyền âm trong không khí thì thời gian âm truyền trong gang là (t – 2,5)

Ta có thời gian truyền trong không khí là: \(\text{t}=\frac{\ell }{{{\text{v}}_{\text{kk}}}}=\frac{951,25}{340}=2,8~\,\text{s}\)

Tốc độ âm trong gang: \(\text{v}=\frac{\ell }{\text{t}-2,5}=\frac{951,25}{2,8-2,5}=3170,8~\,\text{m}/\text{s}\)

Hy vọng bài "Đặc trưng vật lí của âm" sẽ giúp các em nắm vững hơn kiến thức trong quá trình học Vật lí lớp 12.