Giáo án Bài 10. Thực hành: Đo tần số của sóng âm

Xác định vấn đề: vì sao cần đo tần số âm bằng đồ thị trên dao động kí và vì sao biên độ không phải là tần số.

GV bật mô phỏng micro và máy phát âm tần cho loa phát âm 500 Hz (hoặc dùng âm thoa thật). HS quan sát đồ thị điện áp theo thời gian trên màn. GV đặt câu hỏi: (1) Màn dao động kí đang hiển thị đại lượng nào theo trục ngang và trục đứng? (2) Khi tăng âm lượng, đồ thị thay đổi thế nào? Tần số có thay đổi không? (3) Làm thế nào để biết tần số của âm từ chính đồ thị này?

HS nhận ra: trục ngang là thời gian, trục đứng là điện áp; khi tăng âm lượng, chiều cao tín hiệu (biên độ) tăng nhưng số chu kì trên một khoảng thời gian không đổi. Kết luận ban đầu: muốn tính tần số phải đọc chu kì T theo trục ngang, không đọc theo chiều cao tín hiệu. Nhiệm vụ của bài: đo f và đánh giá sai số.

Hình thành kiến thức: xác định chu kì T bằng số ô nhân thang thời gian; đổi đơn vị và tính tần số $f = \dfrac{1}{T}$; hiểu vì sao nên đo nhiều chu kì.

Nhiệm vụ cặp đôi (think – pair – share) trên tín hiệu giả định trong trang bài học: thang ngang 0,5 ms/ô, 2 chu kì chiếm 8 ô. HS trả lời: (1) Tổng thời gian ứng với 8 ô là bao nhiêu? (2) Chu kì T là bao nhiêu ms? (3) Đổi T sang giây và tính f. (4) Vì sao nên đếm 2 chu kì rồi chia thay vì đếm 1 chu kì? (5) Thay đổi thang đứng (volt/ô) có làm đổi T không?

Tổng thời gian: $8 \times 0{,}5 = 4\ \mathrm{ms}$. Chu kì: $T = \dfrac{4}{2} = 2\ \mathrm{ms}$. Đổi: $T = 0{,}002\ \mathrm{s}$, $f = \dfrac{1}{0{,}002} = 500\ \mathrm{Hz}$. Đếm nhiều chu kì giúp giảm sai số đọc mốc đầu, mốc cuối. Thang đứng không làm đổi T. Kết luận HS rút ra: $T = n\tau$ với n là số ô của một chu kì, $\tau$ là thang thời gian mỗi ô; $f = \dfrac{1}{T}$ với T tính bằng giây.

Thực hiện đo tần số âm bằng dao động kí (hoặc mô phỏng); tính giá trị trung bình, sai số tuyệt đối, sai số tỉ đối và viết kết quả dưới dạng $\bar{f} \pm \Delta f$.

Nhóm 4 HS. Bước 1: Nối micro với dao động kí, bật máy phát âm tần 500 Hz cho loa phát âm, chọn thang TIME/DIV sao cho một chu kì chiếm nhiều ô nhất nhưng vẫn nằm trọn trên màn. Bước 2: Đọc số ô n của một chu kì (hoặc số ô của nhiều chu kì rồi chia), tính T = nτ và f = 1/T. Bước 3: Lặp lại đo ba lần, ghi số liệu vào Phiếu học tập số 1. Bước 4: Tính $\bar{f}$, $\Delta f$ và $\varepsilon$; so sánh $\bar{f}$ với số chỉ của máy phát. Lưu ý an toàn: kiểm tra dây và nguồn trước khi bật, giữ âm lượng vừa đủ, không áp tai vào loa hoặc gõ âm thoa sát tai.

Bảng số liệu ba lần đo (n, $\tau$, T, f) và kết quả $\bar{f} = \dfrac{f_1 + f_2 + f_3}{3}$, $\Delta f = \max\left|f_i - \bar{f}\right|$, $\varepsilon = \dfrac{\Delta f}{\bar{f}} \cdot 100\%$, viết dạng $f = \bar{f} \pm \Delta f$ (Hz). Kết quả kì vọng: $\bar{f}$ gần 500 Hz; sai số tỉ đối nhỏ. Nhóm nêu nguồn sai số (đọc mốc ô, độ rộng nét vạch, dao động của thiết bị) và đề xuất cách giảm sai số.

Củng cố cách đọc chu kì, đổi đơn vị, tính tần số và nhận biết các phát biểu đúng sai về dao động kí; đánh giá sai số phép đo.

Trò chơi 'Ai nhanh hơn' theo nhóm, mỗi nhóm trả lời các câu sau (đề lấy từ bài tập trong bài học): (1) Trên hình tín hiệu giả định, thang ngang 0,5 ms/ô, một chu kì chiếm 4 ô: T bao nhiêu ms? (2) T = 2 ms, f bao nhiêu Hz? (3) 5 chu kì chiếm 10 ms, T bao nhiêu ms? (4) 4 chu kì chiếm 8 ô, thang 0,25 ms/ô, f bao nhiêu Hz? (5) Để giảm sai số đọc T nên làm gì: A. Chỉ đọc nửa ô bất kì; B. Đo nhiều chu kì rồi chia; C. Đo chiều cao sóng thay thời gian; D. Bỏ đơn vị ms? (6) Đúng hay sai: a) Thang ngang có đơn vị thời gian mỗi ô; b) Thang đứng quyết định T trực tiếp; c) Cần đổi ms sang s khi tính Hz; d) Số liệu mẫu phải được ghi là minh hoạ. (7) Giữ tín hiệu, tăng thời gian mỗi ô thì một chu kì chiếm số ô thế nào: A. Nhiều hơn; B. Không đổi; C. Luôn đúng 1 ô; D. Ít hơn? (8) Báo cáo mẫu: 3 chu kì dài 6,0 ms, độ không đảm bảo tổng thời gian 0,3 ms. Tính f và sai số tỉ đối gần đúng.

Đáp án: (1) T = 4 × 0,5 = 2 ms. (2) f = 500 Hz. (3) T = 10 : 5 = 2 ms. (4) Tổng 2 ms, T = 0,5 ms = 0,0005 s, f = 2000 Hz. (5) Đáp án B: khoảng nhiều chu kì dài hơn giúp giảm ảnh hưởng của việc đọc mốc. (6) a) Đúng; b) Sai (T đọc theo trục ngang, không theo chiều cao tín hiệu); c) Đúng; d) Đúng. (7) Đáp án D: số ô = T : (thời gian mỗi ô), mẫu số tăng thì số ô giảm. (8) T = 6,0 : 3 = 2,0 ms; f = 500 Hz; sai số tỉ đối của tổng thời gian $\dfrac{0{,}3}{6{,}0} = 5\%$, cũng là sai số tỉ đối gần đúng của T và f. Thang điểm gợi ý: mỗi ý 0,25 điểm (T, f, sai số, kết luận giới hạn). Kết luận: kết quả chưa tính sai số hiệu chuẩn của thang đo nếu có.

Vận dụng quy trình đo tần số và đánh giá sai số vào một tình huống mới; viết báo cáo thực hành có số liệu, kết quả và nhận xét trung thực.

Nhóm dùng máy phát âm tần (hoặc mô phỏng) để phát âm 440 Hz (âm chuẩn thường dùng để lên dây đàn) và 1000 Hz. Với mỗi tần số, đo ba lần, tính $\bar{f} \pm \Delta f$ và so sánh với số chỉ của máy phát. Dự đoán trước: một chu kì của 440 Hz dài khoảng $T = \dfrac{1}{440} \approx 2{,}27\ \mathrm{ms}$; của 1000 Hz dài $T = 1\ \mathrm{ms}$. Mỗi HS viết báo cáo cá nhân theo mẫu: mục đích, dụng cụ, số liệu, kết quả, sai số, nguồn sai số, kết luận. Phần còn lại hoàn thành ở nhà.

Bảng số liệu cho 440 Hz và 1000 Hz; kết quả dạng $f = \bar{f} \pm \Delta f$ kèm sai số tỉ đối. Báo cáo mẫu tối thiểu gồm: thang TIME/DIV đã chọn, số ô n, số chu kì, T (đơn vị ms và s), f (Hz), sai số tuyệt đối, sai số tỉ đối và nhận xét so với số chỉ máy phát. Kết luận HS rút ra: phương pháp dao động kí cho phép xác định tần số âm qua chu kì; kết quả đo luôn có sai số, cần ghi trung thực và đánh giá.