Giáo án Bài 8. Mô tả sóng

Nhận biết sóng cơ là dao động lan truyền, phần tử môi trường không trôi theo sóng; gợi mở nhu cầu tìm các đại lượng đặc trưng của sóng.

HS quan sát GV biểu diễn lò xo dài, trả lời câu hỏi: “Điều gì truyền từ đầu này sang đầu kia? Các vòng lò xo có chuyển động theo sóng ra xa nguồn không?” HS dự đoán trước khi xem.

HS nêu được: dao động (và năng lượng) lan truyền dọc lò xo; mỗi vòng lò xo chỉ dao động qua lại quanh vị trí cân bằng, không đi theo đỉnh sóng. Từ đó GV dẫn vào khái niệm sóng cơ: dao động lan truyền trong môi trường vật chất.

Nêu được bước sóng là khoảng cách hai điểm gần nhất cùng pha; rút ra $v = \lambda f = \dfrac{\lambda}{T}$; nhận xét tần số do nguồn quyết định, tốc độ phụ thuộc môi trường.

Nhóm 4 HS dùng mô phỏng “Dây cao su đen dài 3 m” trên NeoEdu, thực hiện ba lần thử: (1) f = 2 Hz, dây căng với v = 2 m/s; (2) f = 4 Hz, dây căng với v = 2 m/s; (3) f = 2 Hz, dây chùng với v = 1 m/s. Với mỗi lần, dừng mô phỏng đúng sau một chu kì để thấy đầu sóng đi được đúng một bước sóng, đo λ bằng cách so M và N cách nhau λ (cùng pha) trên dây và trên đồ thị $u$–$x$. Ghi kết quả vào Phiếu học tập số 1.
Câu hỏi GV đặt ra: “Khi tăng f, λ tăng hay giảm? Vì sao tốc độ không đổi? Khi thả chùng dây, đại lượng nào thay đổi?”

Phiếu học tập số 1 hoàn chỉnh với kết quả: (1) $\lambda = 1{,}0$ m (từ $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{2}{2}$); (2) $\lambda = 0{,}50$ m (từ $\dfrac{2}{4}$); (3) $\lambda = 0{,}50$ m (từ $\dfrac{1}{2}$). Kết luận HS rút ra: $v = \lambda f$; tăng $f$ làm $\lambda$ ngắn lại nhưng $v$ giữ nguyên; thả chùng dây làm $v$ giảm; tần số do nguồn quyết định, tốc độ và bước sóng phụ thuộc môi trường.

Xác định được bước sóng và biên độ sóng từ đồ thị $u$–$x$; nêu được biên độ là biên độ dao động của phần tử môi trường.

HS làm việc theo cặp với Phiếu học tập số 2. GV chiếu đồ thị $u$–$x$ của một sóng hình sin, trong đó có các điểm đánh dấu. HS đọc đồ thị để trả lời: (a) Biên độ $A$ là bao nhiêu? (b) Bước sóng $\lambda$ là khoảng cách nào trên đồ thị? (c) Hai điểm nào trên đồ thị cùng pha? (d) Đọc từ mô phỏng: phần tử M có dao động lên xuống tại chỗ không? Tại sao đồ thị $u$–$x$ không cho biết phần tử đi đâu theo thời gian?

Phiếu học tập số 2: (a) $A$ là độ cao từ vị trí cân bằng đến đỉnh sóng; (b) $\lambda$ là khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp (hoặc hai điểm cùng pha gần nhất); (c) hai điểm cách nhau đúng một $\lambda$ là cùng pha; (d) M chỉ dao động lên xuống quanh vị trí cân bằng, không trôi theo sóng. Kết luận: biên độ sóng là biên độ dao động của phần tử môi trường khi có sóng truyền qua; đồ thị $u$–$x$ cho biết $\lambda$ và $A$ tại một thời điểm.

Nêu được cường độ sóng là năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền trong một đơn vị thời gian; vận dụng công thức $I = \dfrac{E}{S\,t}$ và nêu đơn vị $\mathrm{W/m^2}$.

GV đặt tình huống: một nguồn sóng truyền năng lượng $E = 1{,}2$ J qua diện tích $S = 0{,}20$ m² (vuông góc với phương truyền) trong thời gian $t = 3$ s. HS tính cường độ $I$. Sau đó, trong mô phỏng NeoEdu, HS quan sát khối mút hấp thụ ở cuối dây và đo năng lượng qua mặt $S$ để nhận thấy $I$ không đổi khi giữ nguyên điều kiện. HS ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2 (mục cường độ).

$I = \dfrac{E}{S\,t} = \dfrac{1{,}2}{0{,}20 \times 3} = 2$ W/m². HS nêu được: cường độ là năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền trong một đơn vị thời gian; đơn vị $\mathrm{W/m^2}$.

Vận dụng được $v = \lambda f$ và $I = \dfrac{E}{S\,t}$ để tính đại lượng; giải thích sự thay đổi của $\lambda$ khi sóng đi qua hai môi trường; phân biệt đúng khái niệm sóng cơ.

HS làm các bài tập sau (làm cá nhân 8 phút, sau đó đối chiếu theo cặp 7 phút, GV sửa chung 5 phút):

1. $v = 2$ m/s, $f = 5$ Hz. Tính $\lambda$.
2. $\lambda = 0{,}6$ m, $f = 4$ Hz. Tính $v$.
3. $T = 0{,}2$ s, $v = 3$ m/s. Tính $\lambda$.
4. $E = 1{,}2$ J, $S = 0{,}2$ m², $t = 3$ s. Tính $I$.
5. Khi sóng truyền, phần tử môi trường thường làm gì? A. Trôi cùng đỉnh sóng với tốc độ truyền sóng; B. Đứng yên dù có sóng cơ truyền qua; C. Chỉ chuyển động theo một chiều mãi mãi; D. Dao động quanh vị trí cân bằng.
6. Cùng một nguồn truyền qua hai môi trường, xét các phát biểu: a) Tần số giữ nguyên; b) Tốc độ nhất thiết giữ nguyên; c) Bước sóng có thể đổi; d) Sóng cơ cần môi trường vật chất. Phát biểu nào đúng, sai?
7. Sóng $f = 20$ Hz đi từ môi trường có $v_1 = 4$ m/s sang môi trường có $v_2 = 6$ m/s. Tính $\lambda_1$, $\lambda_2$ và giải thích vì sao tần số không đổi.

Đáp án: (1) $\lambda = 0{,}4$ m (từ $\dfrac{2}{5}$); (2) $v = 2{,}4$ m/s (từ $0{,}6 \times 4$); (3) $\lambda = 0{,}6$ m (từ $3 \times 0{,}2$); (4) $I = 2$ W/m²; (5) D; (6) a Đúng, b Sai, c Đúng, d Đúng (vì $v$ phụ thuộc môi trường nên $\lambda = \dfrac{v}{f}$ có thể đổi); (8) $\lambda_1 = \dfrac{4}{20} = 0{,}20$ m, $\lambda_2 = \dfrac{6}{20} = 0{,}30$ m; tần số 20 Hz do nguồn quyết định, không đổi khi sóng sang môi trường khác, còn tốc độ và bước sóng thay đổi.

Vận dụng $v = \lambda f$ và $v = \dfrac{s}{t}$ để giải quyết tình huống gắn với sóng biển và siêu âm; giải thích được vì sao tần số cao cho bước sóng ngắn trong cùng một môi trường.

HS làm việc nhóm 4 với hai nhiệm vụ.
Nhiệm vụ 1: Sóng biển truyền với tốc độ $v = 2$ m/s và tần số $f = 0{,}5$ Hz. Tính bước sóng. Một chiếc phao ở cách bờ $6$ m, tính thời gian để một đỉnh sóng từ xa tới chỗ phao (coi tốc độ không đổi).
Nhiệm vụ 2: Vì sao khi tăng tần số của nguồn siêu âm (trong cùng môi trường) thì bước sóng giảm? Giải thích bằng công thức $\lambda = \dfrac{v}{f}$.

Nhiệm vụ 1: $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{2}{0{,}5} = 4$ m; thời gian $t = \dfrac{s}{v} = \dfrac{6}{2} = 3$ s. Nhiệm vụ 2: Trong cùng môi trường, $v$ không đổi; $\lambda = \dfrac{v}{f}$ nên $f$ tăng thì $\lambda$ giảm.