Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên sợi dây và trên lò xo

BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VẬT LÍ 12
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG SÓNG DỪNG 
TRÊN SỢI DÂY VÀ TRÊN LÒ XO
3
4
6
2
1
12
9
7
5
11
13
Hình 1. Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát cộng hưởng sóng dừng trên sợi dây và trên lò xố.
8
10
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
1. Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên sợi dây. Xác định bước sóng và tốc độ truyền sóng trên sợi dây. 
2. Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên lò xo (xoắn ốc).
II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
Giá đỡ bằng nhôm, có thước 750 mm, đầu dưới gắn với trụ thép dài 75 mm. 
Đế ba chân bằng thép, có hệ vít chỉnh cân bằng. 
Thanh ngang bằng thanh nhôm dẹt, dài 14 cm, có vít ép chặt vào đầu trên của giá đỡ.
Sợi dây đàn hồi, màu xẫm, đường kính 3,5 mm, dài 1,5 m. 
Lò xo (xoắn ốc) bằng dây thép 0,75 mm, mạ niken, có đường kính vòng xoắn 20 mm.
Lực kế 5 N, ĐCNN 0,1N , có dây treo. 
Vít điều chỉnh lực căng của sợi dây.
Bộ hai ròng rọc bằng nhựa, có ổ bi và được gắn trên thanh ke nhôm dài 160 mm, 
Bộ rung điện động 8 W - 15W, có điện trở phụ 10 W - 5W, đặt trong hộp bảo vệ có trục quay gắn với khung nhôm.
Thanh chặn sóng, có trụ thép gắn với con trượt và vít hãm.
Thanh ke nhôm, dài 10 cm, dùng xác định vị trí nút sóng dừng.
Máy phát tần số 0,1 ¸ 1000 Hz, tín hiệu hình sin, điện áp ra cực đại 14 Vpp/ 8 W. 
Bộ 2 dây nối mạch điện, dài 50 cm, hai đầu có phích cắm.
Hiện tượng cộng hưởng sóng dừng
Dao động điều hoà của đầu bộ rung điện từ được truyền dọc theo sợi dây. Quan sát thấy các phần tử của sợi dây đều dao động vuông góc với phương truyền sóng, nên sóng trong trường hợp này là sóng ngang. Tần số dao động f của đầu rung liên hệ với bước sóng l và tốc độ truyền sóng v trên sợi dây theo công thức :
 	 (1)
Khi truyền tới đầu trên (cố định) của sợi dây, sóng bị phản xạ theo hướng ngược lại và giao thoa với sóng tới. Khi đó sóng tổng hợp có biên độ không phụ thuộc thời gian, chỉ phụ thuộc vị trí của phần tử dao động trên dây, nên được gọi là sóng dừng. 
- Tại những điểm nằm cách đầu trên của sợi dây một khoảng : 
 (2)
 với k = 1, 2,..., sóng tới và sóng phản xạ ngược pha, nên sóng tổng hợp có biên độ , tạo ra các điểm hầu như đứng yên gọi là các nút sóng.
- Tại các điểm nằm cách đầu trên của sợi dây một khoảng : 
 (3) 
với k = 0, 1, 2,... , sóng tới và sóng phản xạ cùng pha, nên sóng tổng hợp có biên độ (với a là biên độ của sóng tới), tạo ra các điểm có biên độ cực đại gọi là các bụng sóng.
Sự tạo ra các nút xen giữa các bụng sóng tại những vị trí xác định trên sợi dây là đặc trưng của sóng dừng. Tuy nhiên, nếu khoảng cách giữa hai đầu sợi dây có độ dài l bất kì, thì ta chỉ quan sát thấy các dao động lộn xộn, với các vị trí bụng và nút không ổn định, có biên độ dao động nhỏ hơn nhiều so với giá trị 2a. Nguyên nhân là do các sóng phản xạ từ đầu trên của sợi dây (điểm B) truyền tới gặp đầu rung (điểm O) lại bị phản xạ truyền ngược trở lại và giao thoa với các sóng đang truyền tới điểm O, tạo ra các sóng dừng có các nút và bụng không trùng với các nút và bụng của các sóng dừng khác. Kết quả này tạo ra các dao động không cùng pha, có tính chất khử nhau nên các dao động lộn xộn và có biên độ nhỏ. Nhưng khi khoảng cách OB giữa hai đầu sợi dây có độ dài bằng :
 (4)
trong đó k = 1,2,3,... thì mọi cặp sóng tới và sóng phản xạ gặp nhau, sẽ giao thoa với nhau, tạo ra các sóng dừng có cùng vị trí nút và bụng. Khi đó ta quan sát thấy sợi dây dao động ổn định, với các vị trí nút và bụng hoàn toàn xác định, các bụng sóng có biên độ lớn hơn nhiều so với 2a. Đó là hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên dây. Công thức (4) xác định điều kiện cộng hưởng của sóng dừng trên sợi dây (có hai đầu cố định).
Như vậy với tần số f chọn trước của nguồn sóng và với một lực căng F xác định của sợi dây, ta có thể thay đổi độ dài l giữa hai đầu OB của sợi dây bằng cách dịch chuyển con trượt trên giá đỡ sao cho xảy ra hiện tượng cộng hưởng sóng dừng. Đo khoảng cách d giữa hai nút, ta xác định được bước sóng l của sóng truyền trên sợi dây:
 	 (5)
Áp dụng công thức (1), ta tính được tốc độ truyền sóng v trên sợi dây :
 	 (6)
III. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
1. Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên sợi dây. Xác định bước sóng và 
 tốc độ truyền sóng trên sợi dây.
Hình 2. Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên sợi dây.
a) Quay bộ rung điện từ để đầu rung của nó nằm ngang (Hình 2). Đầu trên của sợi dây được treo vào thanh ngang ở đỉnh giá đỡ, đầu dưới của sợi dây được luồn qua đầu rung của bộ rung điện từ và bộ hai ròng rọc, rồi móc vào lực kế. Nới vít hãm và dịch chuyển con trượt đến vị trí cách đầu rung của bộ rung điện từ một khoảng l » 65 cm. Vặn vít điều chỉnh lực căng của sợi dây để lực kế chỉ giá trị F = 1,0 N. Vặn các vít của đế ba chân điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng.
b) Dùng hai dây dẫn có đầu phích nối bộ rung điện từ với hai lỗ cắm ở mặt sau của máy phát tần số (Hình 3). Cắm phích lấy điện của máy phát tần số vào nguồn điện ~ 220V. Bật công-tắc ở mặt sau của máy để các chữ số hiển thị trên ô cửa sổ TẦN SỐ. 
- Vặn núm THANG ĐO sang vị trí 10 ¸ 100 Hz . 
- Nhấn nút TĂNG hoặc nút GIẢM để điều chỉnh tần số hiển thị đạt giá trị f = 30 Hz.
- Điều chỉnh núm BIÊN ĐỘ sao cho sợi dây có độ rung vừa đủ để quan sát. 
Hình 3. Máy phát tần số 0,1 ¸ 1000 Hz
 a) mặt trước ; b) mặt sau.
a)
b)
c) Giữ cố định tần số f = 30 Hz và lực căng của sợi dây F = 1,0 N. Dịch chuyển con trượt (xuống phía dưới) để điều chỉnh khoảng ách l cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng sóng dừng với 1, 2, 3,… bụng sóng có biên độ lớn nhất và ổn định trên sợi dây. Quan sát số nút và bụng sóng này. 
Dùng thanh ke nhôm áp sát cạnh của giá đỡ để đo khoảng cách d giữa hai nút kề tiếp của sóng dừng. Ghi giá trị của d và l ứng với f = 30 Hz và F = 1,0 N vào Bảng 1.
d) Giữ cố định tần số f = 50 Hz và khoảng cách l = 65 cm. Vặn vít điều chỉnh giá trị lực căng F của sợi dây cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng sóng dừng với 1, 2, 3,… bụng sóng có biên độ lớn nhất và ổn định trên sợi dây. Quan sát số nút và bụng sóng này. Đo khoảng cách d giữa hai nút kề tiếp của sóng dừng. Ghi giá trị của d và F ứng với f = 50 Hz và l = 65 cm vào Bảng 1.
e) Giữ cố định lực căng F = 2,0 N và khoảng cách l = 65 cm. Nhấn nút TĂNG hoặc GIẢM trên mặt máy phát tần số để điều chỉnh giá trị tần số f cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng sóng dừng với 1, 2, 3,… bụng sóng có biên độ lớn nhất và ổn định trên sợi dây. Quan sát số nút và bụng sóng này. Đo khoảng cách d giữa hai nút kề tiếp của sóng dừng. Ghi giá trị của d và f ứng với F = 2,0 N và l = 65 cm vào Bảng 1.
Bảng 1
Phép đo
f = 30 Hz ; F = 1,0 N
f = 50 Hz ; l = 65 cm
F = 2,0 N ; l = 65 cm
l = ……… (m)
F =……… (N)
f = ……….. (Hz)
đ (m)
…………….
…………….
…………….
l (m)
v (m/s)
g) Tính bước sóng l , tốc độ truyền sóng v trên sợi dây theo các công thức (5) và (6) đối với mỗi phép đo ghi trong Bảng 1. 
h) Tính so sánh các giá trị của tỉ số đối với mỗi phép đo trong Bảng 1 để kết luận về quan hệ phụ thuộc của tốc độ truyền sóng v trên sợi dây vào lực căng F của sợi dây.
2. Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên lò xo (xoắn ốc)
Hình 4. Bộ thiết bị thí nghiệm
Khảo sát hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên lò xo.
a) Quay bộ rung điện từ để đầu rung của nó nằm thẳng đứng (Hình 4). Móc đầu trên của lò xo vào trụ thép của thanh chặn sóng và móc đầu dưới của lò xo vào đầu rung của bộ rung điện từ. Vặn các vít của đế ba chân điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng. 
b) Dùng hai dây dẫn có đầu phích nối bộ rung điện từ với hai lỗ cắm ở mặt sau của máy phát tần số (Hình 3). Cắm phích lấy điện của máy phát tần số vào nguồn điện ~ 220V. Bật công-tắc ở mặt sau của máy để các chữ số hiển thị trên ô cửa sổ TẦN SỐ. 
- Vặn núm THANG ĐO sang vị trí 10 ¸ 100 Hz . 
- Nhấn nút TĂNG hoặc nút GIẢM để điều chỉnh tần số hiển thị đạt giá trị f = 30 Hz.
- Điều chỉnh núm BIÊN ĐỘ vừa đủ để quan sát thấy các vòng lò xo dao động dọc theo phương thẳng đứng. 
c) Nhấn nút TĂNG hoặc GIẢM trên mặt máy phát tần số để điều chỉnh tần số f của bộ rung điện từ cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng sóng dừng trên lò xo với 1, 2, 3,… bụng sóng (vị trí tị đó các vòng lò xo dãn xa nhau) có biên độ lớn nhất và ổn định. Quan sát số nút và bụng sóng này.