Giáo án Bài 15. Thực hành: Đo tốc độ truyền âm

Huy động kiến thức về sóng dừng và cộng hưởng; xác định vấn đề cần giải quyết: đo tốc độ âm bằng hai vị trí cộng hưởng liên tiếp.

HS quan sát mô phỏng 3D trên NeoEdu (loa nối máy phát tần số $f = 500$ Hz đặt sát miệng ống nhựa dài 67 cm, kéo pit-tông). HS trả lời câu hỏi: (1) Âm to vọt lên ở những vị trí nào của pit-tông? (2) Khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp là bao nhiêu? (3) Làm thế nào để tính được tốc độ âm từ số liệu đó?

Vấn đề cần giải quyết: Đo tốc độ âm trong không khí bằng cách xác định hai vị trí cộng hưởng liên tiếp của cột khí trong ống.
Số liệu quan sát: $l_1 \approx 15{,}8$ cm, $l_2 \approx 49{,}8$ cm, nên $l_2 - l_1 = 34{,}0$ cm $= 0{,}34$ m.
Nhận định ban đầu: Khoảng cách này chính là $\dfrac{\lambda}{2}$; từ đó suy ra $v$ cần được tính bằng $\lambda f$.

Nêu được điều kiện cộng hưởng liên tiếp và thiết lập được công thức $v = 2f(l_2 - l_1)$; giải thích vì sao dùng hiệu hai chiều dài giúp giảm ảnh hưởng của đầu ống.

Nhóm thảo luận theo phiếu học tập số 1, phần A: (1) Hai vị trí cộng hưởng liên tiếp cách nhau bao nhiêu lần nửa bước sóng? (2) Viết công thức liên hệ $v$, $f$, $\lambda$ và suy ra $v$ theo $f$ và $l_2 - l_1$. (3) Vì sao không nên dùng khoảng cách từ đầu ống đến một vị trí bất kì để tính $\lambda$?

Kiến thức HS rút ra:

• Hai vị trí cộng hưởng liên tiếp cách nhau $\Delta L = \dfrac{\lambda}{2}$.
• Từ $v = \lambda f$ và $\lambda = 2\Delta L$ suy ra $v = 2f\,\Delta L = 2f(l_2 - l_1)$.
• Hiệu $l_2 - l_1$ triệt tiêu phần chiều dài hiệu chỉnh ở đầu ống (gần như giống nhau ở hai vị trí), nên kết quả chính xác hơn so với dùng một khoảng cách bất kì từ đầu ống.

Thực hiện được phép đo tốc độ âm trong không khí bằng sóng dừng trong ống; ghi đúng số liệu, lặp lại phép đo và tuân thủ quy tắc an toàn.

Nhóm thực hành (với ống thật hoặc mô phỏng NeoEdu nếu thiếu thiết bị) theo các bước: (1) Đặt máy phát tần số $f = 1000$ Hz, loa sát miệng ống, âm lượng vừa đủ, không đặt tai sát miệng ống. (2) Kéo pit-tông từ từ, xác định vị trí âm to vọt lên lần thứ nhất $l_1$ và lần thứ hai $l_2$. (3) Đo và ghi $l_1$, $l_2$ (đơn vị m), tính $\Delta L = l_2 - l_1$, $\lambda = 2\Delta L$, $v = 2f\Delta L$. (4) Lặp lại ít nhất 3 lần; ghi nhiệt độ môi trường. Ghi kết quả vào Phiếu học tập số 1, phần B.

Mẫu số liệu tham chiếu (f = 1000 Hz): $l_1 = 0{,}080$ m, $l_2 = 0{,}250$ m; $\Delta L = 0{,}170$ m; $\lambda = 0{,}340$ m; $v = 340$ m/s.
Với mô phỏng (f = 500 Hz): $l_1 \approx 0{,}158$ m, $l_2 \approx 0{,}498$ m; $\Delta L \approx 0{,}340$ m; $v = 2 \times 500 \times 0{,}340 = 340$ m/s.
HS nhận xét: Khi đổi f từ 500 Hz sang 1000 Hz, $\lambda$ và $\Delta L$ giảm một nửa nhưng $v$ không đổi.
Nhóm ghi nhiệt độ môi trường và nêu nguyên nhân các kết quả lệch nhau nhỏ giữa các lần đo.

Vận dụng công thức $v = 2f(l_2 - l_1)$ để giải bài tập; nhận biết điều kiện đo đúng và xử lí số liệu lặp lại, nêu giới hạn kết luận.

Bài 1 đến 7 làm nhanh theo cặp (1 phút mỗi câu). Bài 8: nhóm xử lí dữ liệu mẫu $f = 800$ Hz, $\Delta L$ lần lượt $0{,}211$; $0{,}213$; $0{,}212$ m, tính $v$ trung bình và nêu giới hạn kết luận.

1. $l_1 = 0{,}08$ m, $l_2 = 0{,}25$ m. Tính $\Delta L$.
2. Hai cộng hưởng liên tiếp cách $0{,}17$ m. Tính $\lambda$.
3. $f = 1000$ Hz, $\lambda = 0{,}34$ m. Tính $v$.
4. $f = 500$ Hz, $v = 340$ m/s. Tính khoảng cách giữa hai vị trí cộng hưởng liên tiếp.
5. Dùng hai vị trí liên tiếp nhằm mục đích gì? A. Tìm $\dfrac{\lambda}{2}$ và giảm ảnh hưởng đầu ống; B. Loại mọi sai số tuyệt đối; C. Tăng âm lượng vô hạn; D. Không cần biết tần số.
6. Báo cáo đo âm: a) Ghi tần số nguồn; b) Ghi nhiệt độ môi trường là hữu ích; c) Phải áp tai sát loa mới đo đúng; d) Lặp đo giúp đánh giá độ phân tán. Ghi Đ hoặc S.
7. Nếu nhầm hai vị trí cách nhau hai khoảng cộng hưởng là liên tiếp, $v$ tính ra thế nào? A. Không đổi; B. Âm; C. Lớn gấp 2; D. Nhỏ một nửa.

Đáp án:

1. $\Delta L = 0{,}25 - 0{,}08 = 0{,}17$ m.
2. $\lambda = 2\Delta L = 0{,}34$ m.
3. $v = f\lambda = 1000 \times 0{,}34 = 340$ m/s.
4. $\Delta L = \dfrac{v}{2f} = \dfrac{340}{1000} = 0{,}34$ m.
5. Đáp án A (hiệu hai chiều dài cộng hưởng xấp xỉ $\dfrac{\lambda}{2}$, giảm ảnh hưởng hiệu chỉnh đầu ống).
6. a) Đ; b) Đ; c) S (áp tai gần nguồn gây nguy cơ hại thính giác và không cần thiết để xác định cộng hưởng); d) Đ.
7. Đáp án C (khoảng đo lớn gấp 2 lần $\dfrac{\lambda}{2}$, nên $v$ tính ra lớn gấp 2).
8. $\Delta L$ trung bình $= \dfrac{0{,}211 + 0{,}213 + 0{,}212}{3} = 0{,}212$ m; $v = 2 \times 800 \times 0{,}212 = 339{,}2$ m/s $\approx 339$ m/s.
   Đánh giá: độ lệch lớn nhất của $\Delta L$ so với trung bình là $0{,}001$ m, ứng với sai số của $v$ khoảng $2 \times 800 \times 0{,}001 = 1{,}6$ m/s. Kết luận cần nêu kèm sai số thước, tần số và điều kiện nhiệt độ; không khẳng định đây là tốc độ chính xác ở mọi nơi.

Vận dụng công thức và tính chất không phụ thuộc tần số của $v$ để dự đoán khoảng cách cộng hưởng; liên hệ với thực tế đo tốc độ âm trong điều kiện môi trường cụ thể.

Nhóm dự đoán khoảng cách hai vị trí cộng hưởng liên tiếp khi đổi nguồn sang $f = 2000$ Hz trong cùng ống (điều kiện nhiệt độ không đổi, $v = 340$ m/s). Sau đó đối chiếu bằng mô phỏng NeoEdu hoặc ống thật. Nhiệm vụ mở rộng (về nhà): đo lại ở hai tần số khác nhau trong cùng buổi, ghi nhiệt độ và nhận xét ảnh hưởng của điều kiện môi trường.

Dự đoán: $\Delta L = \dfrac{v}{2f} = \dfrac{340}{4000} = 0{,}085$ m $= 8{,}5$ cm.
Kết luận HS rút ra: Khi tăng tần số, khoảng cách giữa hai vị trí cộng hưởng liên tiếp giảm, nhưng tốc độ âm tính được vẫn xấp xỉ 340 m/s nếu điều kiện môi trường không đổi.
Nhận xét thực tế: Tốc độ âm phụ thuộc điều kiện không khí (nhiệt độ), nên phải ghi nhiệt độ khi báo cáo kết quả đo.