Phòng thực hành số: ống cộng hưởng, pít-tông, phép đo ba lần, bảng kết quả và xử lí sai số – đúng quy trình SGK.
Nhận biết đúng bộ dụng cụ (ống trụ trong suốt dài 670 mm, pít-tông, máy phát tần số, loa, giá đỡ). Giải thích vì sao phải tìm hai vị trí cộng hưởng liên tiếp; đo l₁, l₂ và tính tốc độ âm bằng v = 2f(l₂ − l₁).
Điều chỉnh tần số 500 Hz; dịch chuyển pít-tông; đọc thước; lặp lại ba lần; tính giá trị trung bình, độ không đảm bảo/sai số theo mô hình học tập; trình bày kết quả có đơn vị và nhận xét nguồn sai số.
Ống trụ thủy tinh hữu cơ đường kính trong 40 mm, dài 670 mm, có vạch chia 0–660 mm; pít-tông di chuyển được; máy phát âm tần dạng sin; loa nhỏ; giá đỡ. Một đầu có loa kích thích âm, đầu còn lại là pít-tông tạo biên gần kín.
Độ to nghe được biến thiên khi dịch pít-tông. Tại các chiều dài tạo cộng hưởng, biên độ dao động của cột khí tăng. Hai cực đại liên tiếp cách nhau nửa bước sóng. Trong mô hình gần lí tưởng, khoảng cách giữa hai cực đại độc lập với hiệu chỉnh miệng ống.
Với một môi trường và điều kiện xác định, tốc độ truyền sóng âm bằng tích bước sóng với tần số của nguồn.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(v\) | Tốc độ truyền âm | m/s |
| \(\lambda\) | Bước sóng | m |
| \(f\) | Tần số nguồn âm | Hz |
Điều kiện/phạm vi: Bộ tạo âm phát sóng ổn định, môi trường coi như đồng nhất.
Cột khí có đầu ở pít-tông gần nút li độ, đầu phía loa coi gần bụng li độ. Các vị trí cộng hưởng liên tiếp ứng với số bội lẻ của một phần tư bước sóng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(L_{\mathrm{hd}}\) | Chiều dài hiệu dụng cột khí | m |
| \(n\) | Thứ tự vị trí cộng hưởng | Không có |
Điều kiện/phạm vi: Đầu hở được coi là bụng li độ, đầu kín là nút li độ; ống hẹp, một chiều và gần lí tưởng.
Gọi l₁, l₂ là số đọc chiều dài cột khí tại hai cực đại độ to liên tiếp, trong đó l₂ > l₁. Khi lấy hiệu, phần hiệu chỉnh đầu hở xấp xỉ giống nhau sẽ triệt tiêu.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(l_1,l_2\) | Hai chiều dài cộng hưởng liên tiếp | m |
| \(d\) | Khoảng cách giữa hai vị trí | m |
Điều kiện/phạm vi: Nguồn âm và nhiệt độ không đổi; phải chọn hai vị trí liên tiếp, không được bỏ qua một cực đại.
Đây là công thức trọng tâm của Bài 15. Nếu đo l₁, l₂ theo cm thì đổi sang m trước khi thế vào công thức.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(v\) | Tốc độ truyền âm cần đo | m/s |
| \(f\) | Tần số máy phát | Hz |
| \(l_2-l_1\) | Hiệu chiều dài | m |
Điều kiện/phạm vi: Kết quả tương ứng với nhiệt độ và môi trường của thí nghiệm, hai cộng hưởng liên tiếp.
Đo riêng l₁ ba lần và l₂ ba lần. Lấy hiệu của hai giá trị trung bình để giảm tác động của đọc số ngẫu nhiên.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(l^{(i)}\) | Giá trị lần đo thứ i | m |
| \(\overline l\) | Trung bình cộng | m |
Điều kiện/phạm vi: Các lần đo giữ cùng f, cùng điều kiện môi trường; ghi rõ độ chia thước.
Phép tính cộng sai số tuyệt đối là cách ước lượng bảo thủ cho hiệu d=l₂−l₁. Trong mô phỏng, Δl từng nhóm được lấy bằng độ lệch tuyệt đối trung bình cộng sai số dụng cụ giả định.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\Delta d\) | Ước lượng sai số của d | m |
| \(\Delta l_1,\Delta l_2\) | Sai số hai phép đo chiều dài | m |
Điều kiện/phạm vi: Đây là quy tắc gần đúng theo phương pháp phổ thông; không thay thế phân tích độ không đảm bảo chuẩn trong đo lường.
Khi v=2fd, cộng các đóng góp sai số tương đối của f và d để ước lượng giới hạn trên sai số tương đối; nhân lại để có Δv.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\delta_v\) | Sai số tương đối (dạng tỉ số) | Không có |
| \(\Delta f\) | Sai số tần số | Hz |
| \(\Delta v\) | Sai số tuyệt đối tốc độ | m/s |
Điều kiện/phạm vi: Các sai số nhỏ so với giá trị đo; chọn mô hình cộng sai số tuyến tính theo SGK.
Công thức gần đúng mô tả tốc độ âm trong không khí khô ở điều kiện thường, với nhiệt độ t tính bằng độ C. Dùng trong mô phỏng mở rộng, không thay thế phép đo thực hành.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(v\) | Tốc độ âm gần đúng | m/s |
| \(t\) | Nhiệt độ không khí | °C |
Điều kiện/phạm vi: Không khí khô, điều kiện gần áp suất khí quyển, khoảng nhiệt độ thông thường; kết quả chỉ mang tính ước lượng.
Máy phát f=500 Hz. Quan sát hai vị trí cộng hưởng liên tiếp l₁=16,0 cm và l₂=50,4 cm. Tính tốc độ truyền âm.
\(d=(50{,}4-16{,}0)\,\mathrm{cm}=0{,}344\,\mathrm m\). Do đó \(v=2fd=2\times500\times0{,}344=\boxed{344\,\mathrm{m/s}}\).
Lưu ý: Không thể dùng l₂ riêng lẻ và cũng không nhầm 34,4 cm thành 34,4 m.
Tại f=400 Hz, hai vị trí âm to nhất liên tiếp cách nhau 42,5 cm. Tính bước sóng và tốc độ âm.
\(\lambda=2d=2\times0{,}425=\boxed{0{,}850\,\mathrm m}\); \(v=f\lambda=400\times0{,}850=\boxed{340\,\mathrm{m/s}}\).
Lưu ý: Chỉ đúng khi đó là hai cộng hưởng liền kề.
Tại 500 Hz, ba lần đo l₁ lần lượt 15,8; 16,0; 16,2 cm; l₂ lần lượt 50,0; 50,3; 50,5 cm. Tính tốc độ từ hai giá trị trung bình.
\(\overline l_1=16{,}0\,\mathrm{cm}\), \(\overline l_2=50{,}2667\,\mathrm{cm}\). \(d=0{,}342667\,\mathrm m\); \(v=2\times500\times0{,}342667\approx\boxed{342{,}7\,\mathrm{m/s}}\).
Lưu ý: Tính từ trung bình của hai dãy cùng tần số, không làm tròn sớm.
Biết d=34,0 cm, Δd=0,20 cm, f=500 Hz và Δf=1 Hz. Tính δᵥ và Δv (sử dụng cách cộng sai số tương đối).
\(\delta_v\approx0{,}2/34+1/500\approx0{,}007882=\boxed{0{,}788\%}\). \(v=340\,\mathrm{m/s}\), nên \(\Delta v\approx340\times0{,}007882=\boxed{2{,}68\,\mathrm{m/s}}\).
Lưu ý: Cần đổi phần trăm thành tỉ số trước khi tính Δv.
Giả sử hiệu chỉnh đầu hở của ống là e và hai cộng hưởng liên tiếp thỏa l₁+e=λ/4, l₂+e=3λ/4. Chứng minh phương pháp hiệu chiều dài.
Lấy phương trình thứ hai trừ thứ nhất: \((l_2+e)-(l_1+e)=3\lambda/4-\lambda/4\), suy ra \(l_2-l_1=\lambda/2\). Hiệu chỉnh e được khử nếu gần như giống nhau giữa hai phép đo.
Lưu ý: Điều này giúp hạn chế sai số hệ thống, nhưng không khử mọi sai số dụng cụ.
Tần số 500 Hz và tốc độ âm 340 m/s; vị trí cộng hưởng đầu đo được l₁=15,8 cm. Ước lượng vị trí cộng hưởng tiếp theo.
\(d=v/(2f)=340/(1000)=0{,}34\,\mathrm m=34\,\mathrm{cm}\). Vậy \(l_2=l_1+d=\boxed{49{,}8\,\mathrm{cm}}\).
Lưu ý: Nếu các cực đại kế tiếp không đúng khoảng cách, hãy kiểm tra bước xác định đỉnh và sự ổn định của nguồn.
Ba hoạt động liên kết: (1) điều khiển bộ dụng cụ, tìm hai điểm cộng hưởng; (2) xem mô hình cột khí và ảnh hưởng nhiệt độ; (3) ghi ba lần đo và xuất bảng báo cáo. Mô phỏng bắt đầu ở f=500 Hz, t=20 °C.
Đầu gần loa ở trái; kéo pít-tông thay đổi chiều dài cột khí theo thước. Mô hình đầu hở – đầu kín gần đúng.
Dịch chuyển pít-tông để tìm vị trí âm to nhất thứ nhất, sau đó bấm “Ghi l₁”.
Mức độ “âm to” là hàm mô phỏng theo độ lệch cộng hưởng, không phải cường độ âm tính theo dB hoặc tín hiệu microphone thực. Mỗi lần đo yêu cầu xác định đúng vùng cực đại, nhưng số đọc có thể khác một chút do thao tác.
Điều kiện cộng hưởng
—
Tại đầu kín, phần tử khí gần như không dịch chuyển: nút li độ. Tại đầu hở, biên độ dịch chuyển gần cực đại: bụng li độ.
Lưu ý: Biến thiên áp suất có nút/bụng ngược với li độ; không đọc sai sơ đồ.
| Lần đo | l₁ (cm) | l₂ (cm) | d=l₂−l₁ (cm) | v = 2fd (m/s) | Thao tác |
|---|---|---|---|---|---|
| Chưa có số liệu. Hãy tìm l₁ rồi l₂ trên ống cộng hưởng. | |||||
Với mỗi nhóm l₁, l₂: Δl = độ lệch tuyệt đối trung bình + sai số đọc thước giả định; Δd = Δl₁ + Δl₂; δv = Δd/d + Δf/f; Δv = vδv. Đây là phương pháp đánh giá gần đúng phục vụ học tập, không phải chuẩn đo lường phòng thí nghiệm chuyên nghiệp.
Nhập chỉ giá trị số vào ô trả lời. Đơn vị đã cho trong câu hỏi. Dấu phẩy và dấu chấm đều được chấp nhận; có thể xem lời giải sau khi tự làm.
8 câu ABCD (2 điểm); 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm; 0–0,1–0,25–0,5–1 điểm cho mỗi câu); 8 câu trả lời ngắn (2 điểm); 2 câu tự luận (2 điểm, theo rubric). Tổng tối đa 10 điểm.
Từ lắp thiết bị đến phát hiện cộng hưởng, xử lí ba lần đo và trình bày báo cáo.
Thay đổi chiều dài hiệu dụng của cột khí làm thay đổi các tần số cộng hưởng, là một cơ sở để tạo ra cao độ khác nhau của âm. Các điều kiện biên trong nhạc cụ thực có thể phức tạp hơn mô hình ống một đầu kín – một đầu hở.
Những ống nứa có độ dài khác nhau có thể cộng hưởng ở các tần số khác nhau. Có thể sử dụng nguyên tắc này để thiết kế hoạt động STEM đơn giản với các ống khí, có kiểm soát an toàn âm lượng.
Nhiệt độ, độ ẩm, độ phân giải thước, hiệu chỉnh đầu ống, cách nhận biết âm to nhất, tần số thực của máy phát và nhiễu đều có thể ảnh hưởng kết quả. Dùng khoảng cách giữa hai cộng hưởng liên tiếp giúp hạn chế sai số do hiệu chỉnh chiều dài đầu hở, nhưng không loại bỏ toàn bộ sai số.
Tham khảo: SGK Vật lí 11, Kết nối tri thức với cuộc sống, Bài 15 (trang 58–60); nội dung, mô phỏng và câu hỏi do HAT biên soạn phục vụ học tập. Thí nghiệm ảo không thay thế dụng cụ đo thật.