Các dạng bài tập Giao thoa sóng có lời giải - Vật Lí lớp 12

Các dạng bài tập Giao thoa sóng có lời giải

Với Các dạng bài tập Giao thoa sóng có lời giải Vật Lí lớp 12 tổng hợp các dạng bài tập, 100 bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết với đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Giao thoa sóng từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 12.

• Lý thuyết Giao thoa sóng Xem chi tiết
• Tổng hợp Lý thuyết giao thoa sóng là gì, phương trình giao thoa sóng ngắn gọn, chi tiết Xem chi tiết
• Bài tập Giao thoa sóng trong đề thi Đại học có giải chi tiết Xem chi tiết

• Dạng 1: Viết phương trình giao thoa sóng, Tìm biên độ sóng tại 1 điểm

  Xem chi tiết

• Dạng 2: Cách xác định số điểm dao động với biên độ cực đại, cực tiểu

  Xem chi tiết

• Dạng 3: Điểm M có tính chất đặc biệt trong Giao thoa sóng

  Xem chi tiết

• Xác định biên độ, li độ, vận tốc, gia tốc trong miền giao thoa sóng Xem chi tiết
• Tìm số điểm dao động cực đại, cực tiểu giữa hai nguồn, hai điểm bất kì trong giao thoa sóng Xem chi tiết
• Bài toán về điểm cực đại, cực tiểu gần nhất, xa nhất với nguồn trong giao thoa sóng Xem chi tiết
• Xác định vị trí, số điểm dao động cùng pha, ngược pha với nguồn trong giao thoa sóng Xem chi tiết
• Xác định vị trí của điểm cực đại cùng pha, ngược pha với nguồn trong giao thoa sóng Xem chi tiết
• Bài tập giao thoa sóng cơ nâng cao, hay và khó, có lời giải Xem chi tiết

• 60 bài tập trắc nghiệm Giao thoa sóng có lời giải

  Xem chi tiết

Cách viết phương trình giao thoa sóng

A. Phương pháp & Ví dụ

Bài toán: Cho phương trình sóng ở 2 nguồn, viết phương trình sóng tại 1 điểm trong miền giao thoa. Xác định biên độ giao thoa.

1. Phương pháp

Cho phương trình sóng tại 2 nguồn, ta tính toán các đại lượng và thay vào phương trình (1)

được phương trình sóng tại điểm cần tìm.

    + Biên độ sóng tại M:

    + Pha ban đầu tại M:

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Trên mặt thoáng của chất lỏng có 2 nguồn kết hợp A,B có phương trình dao động là :u_A = u_B = 2cos10πt (cm) . Vận tốc truyền sóng là 3m/s.

a) Viết phương trình sóng tại M cách A, B một khoảng lần lượt là d₁=15cm, d₂=20cm.

b) Tìm biên độ và và pha ban đầu của sóng tại N cách A 45cm, cách B 60cm.

c) Tìm biên độ sóng tại O là trung điểm giữa 2 nguồn.

Hướng dẫn:

Vậy 2 nguồn cùng pha thì trung điểm giữa 2 nguồn là 1 cực đại giao thoa, A_max = 4cm , dao động với biên độn gấp đôi biên độ của nguồn.

Lưu ý: Làm tương tự như ví dụ c) cho 2 nguồn ngược pha, ta được tại trung điểm là một cực tiểu giao thoa, A_min = 0cm .

Ví dụ 2: Hai điểm M, N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau λ/3. Tại thời điểm t, khi li độ dao động tại M là u_M = + 3 cm thì li độ dao động tại N là u_N = - 3 cm. Biên độ sóng bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn:

Trong bài MN = λ/3 (gt) ⇒ dao động tại M và N lệch pha nhau một góc 2π/3. Giả sử dao động tại M sớm pha hơn dao động tại N.

Cách 1: (Dùng phương trình sóng)

Cách 2: (Dùng liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều:

Vecto ON (ứng với u_N) luôn đi sau véctơ OM (ứng với u_M) và chúng hợp với nhau một góc Δφ = 2π/3 (ứng với MN = λ/3 , dao động tại M và N lệch pha nhau một góc 2π/3 )

Do vào thời điểm đang xét t, u_M = + 3 cm, u_N = -3 cm (Hình), nên ta có

Cách xác định, tìm số điểm cực đại, cực tiểu trong giao thoa sóng

A. Phương pháp & Ví dụ

1. Phương pháp

- Một điểm trong miền giao thoa sẽ dao động với

    + Biên độ cực đại A=2a khi

    + Biên độ cực tiểu A=0 khi

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Hai nguồn sóng cơ A và B trên mặt chất lỏng cách nhau 20cm dao động theo phương trình u_A = 4cos(40πt + π/6) (cm,s) và u_B = 4cos(40πt + π/2) (cm,s), lan truyền trong môi trường với tốc độ v = 1,2m/s .

1/ Xét các điểm trên đoạn thẳng nối A với B.

a. Tính khoảng cách giữa hai điểm liên tiếp có biên độ cực đại .

b. Tìm số điểm dao động với biên độ cực đại và cực tiểu giữa 2 nguồn AB.

2/ Tại điểm N trên mặt nước cách A và B lần lượt là d₁= 35 cm và d₂ = 39 cm dao động có biên độ như thế nào ? Trên đoạn thẳng hạ vuông góc từ N đến đường trung trực của AB có bao nhiêu điểm dao động với biên độ cực tiểu ?

3/ Dựng hình chữ nhật SRPQ, với SR = 15 cm như hình vẽ.

Tìm số cực đại trên đoạn SR, RP, QP, QS, SP, SRPQ.

4/ Gọi O là trung điểm của AB, Tìm số cực đại trên đường tròn tâm O bán kính 9cm.

Hướng dẫn:

1/

a) Khoảng cách giữa 2 điểm liên tiếp có biên độ cực đại bằng λ/2 = 3cm .

b) + Số điểm dao động với biên độ cực đại trên đoạn AB, tính cả 2 nguồn:

Dấu “=” tính cả 2 nguồn.

    + Số điểm dao động với biên độ cực tiểu trên đoạn AB, tính cả 2 nguồn:

2/

• Cách 1: Tính biên độ AN thay vào công thức theo dạng 1.

• Cách 2: Giả sử tại N là 1 cực đại, ta có: d_NB - d_NA = (k_N + 1/6).λ ⇒ k_N = 0,5 có giá trị bán nguyên nên tại N phải là một cực tiểu bậc 1, có biên độ dao động A_N = 0.

Từ N hạ đường vuông góc xuống đường trung trực của AB tại M. Số điểm dao động với biên độ cực tiểu trên đoạn NM là:

⇒ k_M ≤ k ≤ k_N ⇒ k = {0}, có duy nhất 1 cực tiểu trên đoạn NM và đó là cực tiểu bậc 1 tại N.

3/ Tìm cực đại trên: SR, RP, QP, QS, SP, SRPQ..

Khoảng cách từ các điểm đến 2 nguồn A,B:

Sử dụng điều kiện tìm cực đại với các điểm S, R, P, Q.

    +) Trên đoạn SR⇔QP:

-2,001 ≤ k ≤ 1,7 ⇒ k ={-2, -1, 0, 1} ⇒ có 4 cực đại.

    +) Trên đoạn SQ: ta tính trên đoạn SA rồi nhân đôi: 1,7≤ k ≤ 3,16 ⇒ k ={2, 3} ⇒ có 2.2=4 cực đại.

    +) Trên đoạn RP: ta tính trên đoạn RB rồi nhân đôi: -3,5 ≤ k ≤ -2,001 ⇒ k ={-3} ⇒ có 2.1=2 cực đại.

    +) Trên Hình chữ nhật SRPQ có số cực đại = 4 + 4 + 4 + 2 = 14 cực đại.

4/

Đường tròn tâm O bán kính 9 cm, gọi X, Y nằm trên đoạn AB là giao điểm của đường tròn với AB.

⇒ AX = 1cm, XB = 19 cm, YA = 19cm, YB = 1cm.

⇒ Trong đoạn XY có 6 cực đại bậc k = {-3, -2, -1, 0, 1, 2} và tại X,Y không phải cực đại.

Mỗi đường cực đại trên đoạn X,Y cắt đường tròn tại 2 điểm nên số cực đại trên đường tròn là: 2. 6 = 12 cực đại.

Tìm cực tiểu dựa vào điều kiện cực tiểu tìm tương tự.

Ví dụ 2: Hai nguồn sóng cơ A và B giống hệt nhau trên mặt chất lỏng cách nhau 16cm dao động theo phương trình u_A = u_B = 5cos(80πt + π/2) (cm,s), lan truyền trong môi trường với tốc độ v = 1,2m/s.

a) Tìm số cực đại, cực tiểu trên đoạn thẳng nối 2 nguồn.

b) Tính số cực đại trên đoạn MN, biết AM=24, BM=18cm, AN=42,5cm, BN=29cm.

c) Gọi O là trung điểm của AB, tìm cực đại trên đường tròn tâm O bán kính 6cm.

Hướng dẫn:

a) 2 nguồn A,B giống hệt nhau nên chúng cùng pha

    + Sử dụng điều kiện tìm cực đại:

→ k_A = 5,3; k_B = -5,3 → k = {-5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5} ⇒ Có 11 cực đại trên đoạn nối 2 nguồn.

    + Sử dụng điều kiện tìm cực tiểu:

→ k_A = 4,8; k_B = -5,3 → k = {-5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4} ⇒ Có 10 cực tiểu trên đoạn nối 2 nguồn.

b) + Sử dụng điều kiện tìm cực đại cho 2 nguồn cùng pha:

⇒ k = {-2, -3, -4}⇒ Có 3 cực đại trên đoạn MN.

c) Sử dụng điều kiện tìm cực đại cho 2 nguồn cùng pha:

Cách giải bài tập Điểm M có tính chất đặc biệt trong Giao thoa sóng

A. Phương pháp & Ví dụ

1. Phương pháp

Sử dụng các điều kiện cực đại, cực tiểu trong giao thoa sóng và áp dụng kiến thức hình học để giải quyết bài toán dạng này.

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Trong thí nghiệm giao thoa sóng mặt nước, hai nguồn kết hợp S₁, S₂ cách nhau 8cm dao động cùng pha với tần số f = 20Hz. Tại điểm M trên mặt nước cách S₁, S₂ lần lượt những khoảng d₁ = 25cm, d₂ = 20,5cm dao động với biên độ cực đại, giữa M và đường trung trực của AB có hai dãy cực đại khác.

a. Tính tốc độ truyền sóng trên mặt nước.

b. N là một điểm thuộc đường trung trực của đoạn thẳng S₁S₂ dao động ngược pha với hai nguồn. Tìm khoảng cách nhỏ nhất từ N đến đoạn thẳng nối S₁S₂.

c. Điểm C cách S₁ khoảng L thỏa mãn CS₁ vuông góc với S₁S₂. Tính giá trị cực đại của L để điểm C dao động với biên độ cực đại.

Hướng dẫn:

a. Tính tốc độ truyền sóng:

- Tại M sóng có biên độ cực nên:

- Giữa M và trung trực của AB có hai dãy cực đại khác ⇒ k = 3

- Từ đó ⇒ λ = 1,5 cm , vận tốc truyền sóng: v = λf = 30 cm/s

b. Tìm vị trí điểm N

- Giả sử u₁ = u₂ = acosωt, phương trình sóng tại N:

- Độ lệch pha giữa phương trình sóng tại N và tại nguồn:

-Để dao động tại N ngược pha với dao động tại nguồn thì :

c. Xác định L_max

- Để tại C có cực đại giao thoa thì:

- Khi L càng lớn đường CS1 cắt các cực đại giao thoa có bậc càng nhỏ (k càng bé), vậy ứng với giá trị lớn nhất của L để tại C có cực đại là k =1

- Thay các giá trị đã cho vào biểu thức trên ta nhận được:

Ví dụ 2: Trên bề mặt chất lỏng có hai nguồn kết hợp AB cách nhau 40cm dao động cùng pha. Biết sóng do mỗi nguồn phát ra có tần số f=10(Hz), vận tốc truyền sóng 2(m/s). Gọi M là một điểm nằm trên đường vuông góc với AB tại đó A dao động với biên độ cực đại. Đoạn AM có giá trị lớn nhất là :

A. 20cm          B. 30cm          C. 40cm          D.50cm

Hướng dẫn:

Ta có λ = v/f = 200/10 = 20(cm)

Do M là một cực đại giao thoa nên để đoạn AM có giá trị lớn nhất thì M phải nằm trên vân cực đại bậc 1 như hình vẽ và thỏa mãn :

d₂ - d₁ = kλ = 1. 20 = 20(cm) (1). ( do lấy k= +1)

Mặt khác, do tam giác AMB là tam giác vuông tại A nên ta có :

Ví dụ 3: Hai nguồn sóng AB cách nhau 1m dao động cùng pha với bước sóng 0,5m. I là trung điểm AB. P là điểm nằm trên đường trung trực của AB cách I 100m. Gọi d là đường thẳng qua P và song song với AB. Tìm điểm M thuộc d và gần P nhất, dao động với biên độ cực đại. (Tìm khoảng cách MP)

Hướng dẫn:

Vì A và B cùng pha và M gần P nhất và dao động với biên độ cực đại nên M thuộc cực đại ứng với k =1

Ta có: MA – MB = k.λ = λ ; Theo hình vẽ Ta có:

Đặt MP = IQ = x, có PI = MQ = 100m

Ta có:

Giải phương trình tìm được x = 57,73m

Ví dụ 4: Thực hiện giao sóng cơ trên mạch nước với hai nguồn S₁;S₂ cánh nhau 12 cm, biết bước sóng của sóng trên mặt nước là λ = 3cm. Trên đường trung trực của hai nguồn có 1 điểm M, M cách trung điểm I của hai nguồn 8cm. Hỏi trên MI có bao nhiêu nhiêu điểm dao động cùng pha với 2 nguồn?

A:4 điểm          B:2 điểm          C: 6 điểm          D:3 điểm

Hướng dẫn:

Giả sử phương trình sóng ở hai nguôn: u = acosωt.

Xét điểm N trên MI: S₁N = S₂N = d.

IN = x Với 0 ≤ x ≤ 8 (cm)

Biểu thức sóng tại N:

Để u_N dao động cùng pha với hai nguồn:

d² = SI² + x² = 6² + x² ⇒ 9k² = 36 + x² ⇒ 0 ≤ x² = 9k² – 36 ≤ 64

6 ≤ 3k ≤ 10 ⇒ 2 ≤ k ≤ 3.

Có hai giá trị của k: k = 2; x = 0 (N ≡ I) và k = 3 ; x = 3√5 (cm) Chọn B.