Giáo án vật lý - Tiết 14:GIAO THOA SÓNG

Tiết 14: GIAO THOA SÓNG I. Mục đích yêu cầu: - Hiểu được các khái niệm nguồn kết hợp, sóng kết hợp, giao thoa, sóng dừng, nút, bụng. - Nắm được điều kiện để có giao thoa và sự phân bố các điểm dao động cực đại và cực tiểu. - Nắm được điều kiện để có sóng dừng và sự phân bố các nút và bụng. * Trọng tâm: Hiện tượng giao thoa, lý thuyết về giao thoa, sóng dừng * Phương pháp: Pháp vấn, diễn giảng, thực nghiệm II. Chuẩn bị: GV: cần rung có hai nhánh, trên hai nhánh được gắn hai viên bi nhỏ, chậu nước. HS xem Sgk. III. Tiến hành lên lớp: A. Ổn định: B. Kiểm tra: Sóng cơ học là gì? Phân loại? Nêu định nghĩa bước sóng? Những điễm nào trên phương truyền sóng sẽ dao động cùng pha? Ngược pha? C. Bài mới. PHƯƠNG PHÁP NỘI DUNG I. * GV thực hiện thí nghiệm: Dùng một cần rung có hai nhánh gắn với 2 hòn bi nhỏ, cho cần chạm vào mặt dưới tại 2 điểm A và B. Rung và thay đổi dần tần số, đến một lúc nào đó khi hình ảnh sóng ổn định  cho Hs quan sát và nhận xét hình ảnh của sóng đó. * GV hỏi HS: Vì cần rung với tần số f, vậy 2 điểm A và B sẽ rung với tần số như thế nào? (cũng rung với tần số f)  vậy 2 sóng do A, B được tạo thành có tần số như thế nào? (cũng rung với tần số f) Hai sóng được tạo thành có pha dao động như thế nào? (cùng pha) I. Hiện tượng giao thoa: Dùng một cần rung có hai nhánh gắn với 2 hòn bi nhỏ, cho cần chạm vào mặt dưới tại 2 điểm A và B. Khi cho cần rung dao động với tần số f, hòn bi ở A và B tạo ra trên mặt nước hai hệ sóng lan truyền theo những đường tròn đồng tâm. Hai hệ thống đường tròn này mở rộng dần ra và đan trộn vào nhau. Khi hình ảnh sóng đã ổn định, chỗ sóng cắt nhau, tạo nên trên mặt nước những nhóm đường cong có dạng những gợn lồi (biên độ dao động cực đại) và những gợn lõm (biên độ dao động cực tiểu) nằm xen kẽ và không đổi theo thời gian (những gợn lồi, lõm đó gọi là vân giao thoa). * Hiện tượng mà ta quan sát được gọi là hiện tượng giao thoa sóng của hai sóng. Hai sóng giao thoa được với nhau gọi là hai sóng kết hợp có cùng chu kỳ và độ lệch pha không đổi theo thời gian. Hai nguồn phát ra hai sóng kết hợp gọi là hai nguồn kết hợp, hai nguồn này dao động cùng tần số, cùng pha. II. HS nhân xét: Gọi v là vận tốc truyền sóng (sóng truyền với cùng một vận tốc không đổi) => Thời gian để sóng truyền từ A đến M là gì? Thời gian để sóng truyền từ B đến M?  Dao động tại M vào thời điểm t sẽ như thế nào với dao động ở A vào thời điểm ) v d t( 1 ?  phương trình tại M do A truyền tới và II. Lý thuyết về giao thoa: Ta biết các dao động tại A và B là các dao động cùng tần số, cùng pha. Giả sử phương trình dao động tại A và B cùng là: u = asint. Gọi M là điểm cần khảo sát; khoảng cách AM là d1; BM là d2. Gọi v là vận tốc truyền sóng  Thời gian để sóng truyền từ A đến M là: v d 1  Dao động tại M vào thời điểm t sẽ giống dao động ở A vào thời điểm ) v d t( 1  Vậy phương trình tại M do A truyền tới có dạng:               v d tsina v d tsina 1M 1 MAu Tương tự, phương trình dao động M do B truyền tới là: M A B d2 d1 phương trình tại M do B truyền tới có dạng như thế nào?               v d tsina v d tsina 2M 2 MBu Dao động tại M có phải là một dao động tổng hợp không? (Tại M là một dao động tổng hợp của hai sóng cùng phương cùng tần số)  phương trình dao động tổng hợp tại M: u =?  Độ lệch pha: j = ? ( = 21 ddv   )  Nhắc lại:  = ? v = ? => j =? (   d2 ) Dao động tại M là tổng hợp của 2 sóng uA, uB có dạng:              v d tsina v d tsinau 2M 1 MBAuu  Độ lệch pha: 21 ddv    Đặt: 21 ddd  là hiệu đường đi. Mặt khác:  = 2p/T và v = l/T Vậy:   d2 * HS nhân xét các trường hợp: + d = nl (một số nguyên lần bước sóng) => j =? => nhận xét gì về 2 sóng tới? + d = (2n + 1) l/2 ( 1 số lẻ lần nửa bước sóng) => j = ? => nhận xét gì về 2 sóng tới A và B? * Các trường hợp: - Nếu hiệu đường đi d = nl (bằng một số nguyên lần bước sóng) thì j = 2p.n. Hai sóng tới (A và B) dao động cùng pha. Vân thu được ứng với chỗ hai sóng được tăng cường (gợn lồi), có biên độ của sóng tổng hợp bằng tổng * HS nhận xét gì về biên độ sóng? (coi như a không đổi trong suốt quá trình truyền) * HS nhắc lại công thức tính biên độ dao động tổng hợp? (aM2 = aA2+ aB2 + 2 aAaB cos(jA-jB)) + Vì dao động cùng pha, nên tại M có aM =? (aM = aA + aB = 2a (cực đại))  Tương tự với 2 sóng tới là ngược pha nhau thì aM =? (aM = aA - aB = 0 (cực tiểu))  Tại những chỗ sóng có biên độ cực đại hay cực tiểu thì tại đâu sóng được tăng cường hoặc giảm bớt? Và sẽ cho vân giao thoa là vân gì?  HS rút ra định nghĩa về hiện tượng giao thoa? biên độ của hai sóng thành phần. - Nếu hiệu đường đi d = (2n + 1)l/2 (bằng một số lẻ lần nửa bước sóng) thì j = (2n+1)p. Hai sóng tới (A và B) dao động ngược pha. Vân thu được ứng với chỗ hai sóng triệt tiêu lẫn nhau (gợn lõm), có biên độ của sóng tổng hợp bằng 0. - Quỹ tích những điểm có hai sóng được tăng cường (vân cực đại) là một họ hyperbol có tiêu điểm A và B, bao gồm cả đường trung trực AB (các đường vẽ liền nét): những chỗ này môi trường dao động mạnh nhất. - Quỹ tích những điểm có hai sóng triệt tiêu lẫn nhau (vân cực tiểu) là một họ hyperbol có tiêu điểm A và B, bao gồm cả đường trung trực AB (các đường vẽ chấm): ở đây môi trường không dao động. - Tại những điểm khác, biên độ sóng có giá trị trung gian. * Hiện tượng giao thoa: Giao thoa là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng kết hợp trong không gian, trong đó có những điểm cố định mà sóng được tăng cường hoặc bị giảm bớt. III. * GV thực hiện thí nghiệm: Dùng một sợi dây dẻo, dài. Buộc cố định tại đầu M. kéo thẳng sợi dây và rung mạnh tay ở đầu P. Thay đổi dần tần số rung đến một lúc nào đó ta thấy trên dây có hình ảnh sóng ổn định. * HS nhận xét về hình ảnh sóng trên dây? * GV hướng dẫn HS giải thích: - Dạng sóng trên dây là dạng sóng gì? (sóng ngang) - Gọi sóng từ P tới M là sóng tới thì sóng từ M tới P gọi là sóng gì? (sóng phản xạ) - Sóng tới và sóng phản xạ là hai sóng có tần số như thế nào? (cùng tần số) III. Sóng dừng: Thí nghiệm và hiện tương: Sgk trang 41. Dùng một sợi dây dẻo, dài. Buộc cố định tại đầu M. kéo thẳng sợi dây và rung mạnh tay ở đầu P. Thay đổi dần tần số rung đến một lúc nào đó ta thấy trên dây có những chỗ rung rất mạnh (bụng) và những chỗ hầu như không rung (nút). Giải thích: - Dao động từ P truyền theo sới dây tới M dưới dạng sóng ngang. Tới M sóng bị phản xạ và truyền ngược trở lại P. - Xét tại M, ta thấy M không dao động, nên tại M sóng phản xạ có cùng biên độ và ngược pha - Xét tại M sóng tại đây có dao động không? (M không dao động) - Vậy, tại M sóng tới và sóng phản xạ có pha và biên độ như thế nào? (ngược pha và biên độ bằng 0) - Vậy sóng tới và sóng phản xạ thỏa điều kiện gì? (hai sóng kết hợp) - Để tại M tạo thành nút, nghĩa là hai sóng ngược pha nhau thì M và P cách nhau bao nhiêu? (MP = 2 nl  ) * Từ những phân tích trên HS rút ra định nghĩa gì về sóng dừng? * Hs nhận xét biên độ tại các điểm nút, bụng? * Chú ý: Ở đây hai sóng thành phần vẫn truyền đi theo hai chiều khác nhau, nhưng sóng tổng hợp “dừng lại” tại chỗ => nên nó với sóng tới - Mà sóng tới và sóng phản xạ là hai sóng có cùng tần số. Nên hai sóng này thỏa điều kiện của hai sóng kết hợp - Kết quả trên sợi dây có sự giao thoa của hai sóng kết hợp là sóng tới và sóng phản xạ có cùng tần số, biên độ nhưng ngược pha nhau. Điều kiện để có sóng dừng là: Chiều dài dây: 2 nl  (với n là số bụng hoặc số nút) Định nghĩa: sóng dừng là sóng tới và sóng phản xạ của nó cùng truyền theo một phương và chúng giao thoa với nhau. - Trên phương truyền có những chỗ không dao động thì gọi là điểm nút, và những chỗ dao động cực đại thì gọi là điểm bụng. Định nghĩa khác về sóng dừng: Sóng dừng là sóng có các nút và các bụng cố định trong không gian. được gọi là sóng dừng * GV hỏi: Quan sát trên phương truyền sóng ta thấy khoảng cách giữa 2 nút hoặc 2 bụng liền nhau là bao nhiêu? (= l/2) * Hs nhắc lại, hệ thức liên hệ giữa v, l, f? => Đối với sóng dừng, ta biết việc đo l, f là dễ dàngbằng dụng cụ gì? => xác định v = ? Đặc điểm của sóng dừng: - Biên độ dao động của phần tử vật chất ở mỗi điểm là không đổi theo thời gian. - Không truyền tài năng lượng (do đó nó không truyền di trong không gian). Ứng dụng: - Quan sát ta thấy khoảng cách giữa 2 nút hoặc 2 bụng liền nhau là l/2 - Dùng thước đo khoảng cách giữa 2 nút để suy ra bước sóng l, nếu biết f ta tính được v bằng biểu thức: v = lf - Sóng dừng cho ta một phương pháp đơn giản để xác định v bằng cách đo l, f => v = lf D. Củng cố: Nhắc lại: - Giao thoa sóng? - Độ lệch pha của hai sóng kết hợp truyền theo hai đường đi d1 và d2: 2d; d2    1d d vôùi - Điều kiện để sóng tổng hợp có biên độ cực đại: d = n l; (n = 0, 1, 2, 3…) - Điều kiện để sóng tổng hợp có biên độ cực tiểu: d = (2n + 1)l/2 ; (n = 0, 1, 2, 3…) E. Dặn dò: - BTVN:5 Sgk trang 43. - Chuẩn bị tiết sau “Bài tập”