Các dạng bài tập Sóng âm có lời giải - Vật Lí lớp 12
Các dạng bài tập Sóng âm có lời giải
Với Các dạng bài tập Sóng âm 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 Sóng âm từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 12.
- Lý thuyết Sóng âm Xem chi tiết
- Tổng hợp lý thuyết sóng âm là gì, ngắn gọn, chi tiết, đầy đủ Xem chi tiết
- Bài toán về đặc trưng vật lí của âm: bước sóng, vận tốc, cường độ âm, năng lượng Xem chi tiết
- Bài toán về nguồn nhạc âm trong sóng âm cực hay có lời giải Xem chi tiết
- Bài tập Sóng âm trong đề thi Đại học có giải chi tiết Xem chi tiết
- Dạng bài tập về đồ thị sóng âm cực hay có lời giải Xem chi tiết
Lý thuyết Sóng âm
I) Sóng Âm:
- Khái niệm: sóng âm (hay âm) là những sóng cơ truyền trong các môi trường khí, rắn, lỏng. Nguồn âm là những vật dao động phát ra âm.
- VD: gảy 1 dây đàn ghita, ta nghe thấy âm thanh của dây đàn phát ra. Khi đó dây đàn là nguồn âm, âm thanh truyền từ dây đàn đến tai ta là sóng âm.
- Phân loại:
+) Âm thanh (Âm nghe được) : những sóng âm gây ra cảm giác âm với màng nhĩ. Âm nghe được có tần số f thuộc khoảng từ 16Hz đến 20000HZ.
+) Hạ âm: âm có tần số nhỏ hơn 16Hz, tai người không nghe được nhưng voi, chim bồ câu,.. vẫn có thể nghe được hạ âm
+) Siêu âm: âm có tần số lớn hơn 20000Hz, tai người không nghe được nhưng chó, dơi, cá heo,.. vẫn có thể nghe được siêu âm.
- Sự truyền âm:
+) Âm chỉ truyền qua được các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không.
+) Sóng âm truyền trong mỗi môi trường với vận tốc xác định.
vr > vl > vk
II) Những đặc trưng sinh lý và đặc trưng vật lý của âm( chỉ xét với nhạc âm)
Tạp âm: là những âm không có tần số xác định.
Nhạc âm: những âm có tần số xác định gọi là nhạc âm
| Đặc trưng vật lý | Đặc trưng sinh lý | Mối liên hệ giữa 2 đặc trưng |
| Là những đặc trưng có thể đo lường được | Là những đặc trưng liên quan đến cảm nhận (cảm giác) của con người | Khi sóng âm tác dụng vào tai ta thì mỗi đặc trưng vật lý gây ra một đặc trưng sinh lý |
| Tần số âm f | Độ cao | Âm có tần số càng lớn thì nghe càng cao, âm có tần số càng nhỏ thì nghe càng trầm. |
|
- Cường độ âm I: là năng lượng A mà sóng âm truyền qua một một đơn vị diện tích S đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian t 
Với P là công suất của nguồn âm. Trong không khí sóng âm là sóng cầu nên S = 4πR2 
- Mức cường độ âm L của âm có cường độ âm I là 
Với Io là cường độ âm chuẩn, là cường độ âm nhỏ nhất mà con người có thể nghe được có tần số 
Như vậy mức cường độ âm cho biết cường độ âm I lớn gấp bao nhiêu lần cường độ âm chuẩn I0 |
Độ to |
Độ to của âm phụ thuộc vào tần số và cường độ âm. Âm có cường độ càng lớn thì nghe càng to, nhưng độ to của âm không tăng tỉ lệ thuận với cường độ âm mà tăng theo mức cường độ âm. Với cùng một cường độ âm, âm có tần số cao hơn nghe to hơn âm có tần số thấp. |
|
- Đồ thị dao động của âm: là tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm trong một nhạc âm. - Khi cho một nhạc cụ phát ra âm có tần số f0 thì nhạc cụ đó cũng sẽ phát ra những âm có tần số f là bội của f0 được gọi là họa âm thứ k: fk = kf0 - Đồ thị dao động của những âm có cùng tần số và biên độ nhưng do các nhạc cụ khác nhau phát ra là khác nhau. |
Âm sắc giúp ta phân biệt âm do các nguồn khác nhau phát ra | Âm có đồ thị dao động khác nhau thì âm sác cũng khác nhau. |
Cách giải các dạng bài tập về Sóng âm
1. Phương pháp
Sóng âm là là sóng dọc cơ học lan truyền trong các môi trường rắn, lỏng, khí, (không lan truyền trong chân không).
- Tai con người chỉ có thể cảm nhận được (nghe được) các âm có tần số từ 16 Hz đến 20000Hz. Các sóng âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz được gọi là hạ âm. Các sóng âm có tần số lớn hơn 20000 Hz được gọi là siêu âm.
- Tốc độ truyền âm giảm trong các môi trường theo thứ tự : rắn, lỏng, khí. Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất môi trường, nhiệt độ của môi trường và khối lượng riêng của môi trường. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ truyền âm cũng tăng.
1.Các đặc trưng vật lý của âm
- Tần số âm: Âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có tần số lớn.
- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian.
Nếu có n nguồn âm giống nhau, kích thước nhỏ phát ra sóng âm đồng đều theo mọi hướng:
Trong đó:
I là cường độ âm tại M (W/m2).
P là công suất của nguồn âm (W).
d là khoảng cách tính từ nguồn đến điểm M (m).
Mức cường độ âm L tại M:
Io = 10 - 12 W/m2.
1 B = 10 dB.
- Đồ thị dao động âm và phổ của âm
Âm thanh phát ra trong không khí được thu lại và chuyển thành dao động của các cần rung hoặc dao động điện có cùng tần số.
2.Các đặc trưng sinh lý của âm:
Âm có 3 đặc trưng sinh lý là : độ cao, độ to và âm sắc. Các đặc trưng của âm nói chung phụ thuộc vào cảm thụ âm của tai con người.
- Độ cao
+ Đặc trưng cho tính trầm hay bổng của âm.
+ Phụ thuộc vào tần số âm. Âm có tần số lớn gọi là âm bổng và âm có tần số nhỏ gọi là âm trầm.
- Độ to Là đại lượng đặc trưng cho tính to hay nhỏ của âm, phụ thuộc vào tần số âm và mức cường độ âm.
- Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm ( tần số và biên độ) hoặc phổ của âm. Hai nhạc cụ khác nhau phát ra cùng một nốt nhạc, cùng độ cao ( cùng tần số), cùng cường độ sẽ chắc chắn khác nhau về âm sắc.
Ngưỡng nghe : là giá trị nhỏ nhất của mức cường độ âm mà tai con người có thể nghe được, I = Io = 10-12W/m2 ⇔ L = 0 dB
Ngưỡng đau : Là cường độ âm lớn tới mức tạo cảm giác đau trong tai, Imax = 10 W/m2 ⇔ L = 130 dB
Miền nghe được : là giá trị của mức cường độ âm trong khoảng giữa ngưỡng nghe và ngưỡng đau ( 0 dB – 130 dB).
3. Nhạc âm và tạp âm:
Nhạc âm là những âm có tần số xác định và đồ thị dao động là đường cong hình sin. Tạp âm là những âm có tần số không xác định và đồ thị dao động là những đường cong phức tạp.
4. Âm cơ bản và họa âm:
Âm cơ bản có tần số f1 (tần số nhỏ nhất mà nhạc cụ có thể phát ra, có biên độ âm lớn nhất)
Các họa âm có tần số bằng bội số tương ứng với âm cơ bản.
+ Dây đàn (2 đầu cố định): các họa âm bằng nguyên lần âm cơ bản: f2 = 2fo, f3 = 3fo,..., fn = nfo
+ Ống sáo (1 đầu nót, 1 đầu hở): các họa âm bằng nguyên lẻ lần âm cơ bản: f1 = fo, f2 = 3fo, f3 = 5fo, f4 = 7fo, ...
2. Ví dụ
Ví dụ 1: Hai họa âm liên tiếp do một dây đàn phát ra có tần số hơn kém nhau 56 Hz, họa âm thứ ba và họa âm thứ năm có tần số bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn:
Hai họa âm liên tiếp hơn kém nhau 56 Hz nên ta có:
Từ đó ta có tần số của họa âm thứ ba và thứ năm là:
Ví dụ 2: Một dây đàn phát ra âm cơ bản có tần số f1 = 420 Hz. Một người chỉ nghe được âm cao nhất có tần số là 18000 Hz, tìm tần số lớn nhất mà nhạc cụ này có thể phát ra để người đó nghe được.
Hướng dẫn:
Gọi fn là âm mà người đó nghe được, ta có: fn = n. f1 = 420n
Theo bài
fn < 18000 ⇔ 420n < 18000 ⇒ n < 42,8 (1)
Từ đó giá trị lớn nhất của âm mà người đó nghe được ứng với giá trị nguyên lớn nhất thỏa mãn (1) là n = 42
Vậy tần số âm lớn nhất mà người đó nghe được là 420.42 = 17640 (Hz).
Ví dụ 3: Mức cường độ âm tại một điểm cách một nguồn phát âm 1 m có giá trị là 50 dB. Một người xuất phát từ nguồn âm, đi ra xa nguồn âm thêm 100 m thì không còn nghe được âm do nguồn đó phát ra. Lấy cường độ âm chuẩn là Io = 10-12(W/m2) , sóng âm phát ra là sóng cầu thì ngưỡng nghe của tai người này là bao nhiêu?
Hướng dẫn:
Cường độ âm được tính bởi I = P/S
Do âm phát ra dạng sóng cầu nên:
Do đó
Mức cường độ âm gây ra tại điểm cách nguồn âm 100 m là:
Vậy ngưỡng nghe của tai người này là 10 (dB).
Ví dụ 4: Hai âm có mức cường độ âm chênh lệch nhau 20 dB. Tỉ số của cường độ âm của chúng là bao nhiêu?
Hướng dẫn:
Áp dụng công thức tính mức cường độ âm ta có:
Vậy tỉ số cường độ âm của hai âm đó là 100 lần.
Ví dụ 5: Một người đứng cách nguồn âm một khoảng d thì cường độ âm là I. Khi người đó tiến ra xa nguồn âm một đoạn 40m thì cường độ âm giảm chỉ còn I/9 . Tính khoảng cách d.
Hướng dẫn:
Ta có:
Ví dụ 6: Mức cường độ của một âm là L = 30(dB) . Hãy tính cường độ của âm này theo đơn vị W/m2 . Biết cường độ âm chuẩn là Io = 10-12 W/m2 . Cường độ âm tăng 100 lần thì mức cường độ âm tăng bao nhiêu dB?
Hướng dẫn:
Mức cường độ âm tính theo đơn vị (dB) là:
Mức cường độ âm tính theo đơn vị (dB) là:
+ Khi cường độ tăng 100 lần tức là bằng 100 I thì
+ Vậy mức cường độ âm tăng thêm 20(dB).
Ví dụ 7: Tại một điểm A nằm cách xa nguồn âm O (coi như nguồn điểm) một khoảng OA = 1(m) , mức cường độ âm là LA = 90 (dB) . Cho biết ngưỡng nghe của âm chuẩn Io = 10-12 W/m2 .
1) Tính cường độ Io của âm đó tại A
2) Tính cường độ và mức cường độ của âm đó tại B nằm trên đường OA cách O một khoảng . Coi môi trường là hoàn toàn không hấp thụ âm.
3) Giả sử nguồn âm và môi trường đều đẳng hướng. Tính công suất phát âm của nguồn O.
Hướng dẫn:
1) Mức cường độ âm tại A tính theo đơn vị (dB) là:
⇒ I = Io. 109 = 10-12 . 109 = 10-3 (W/m2)
2) Công suất âm của nguồn O bằng công suất âm trên toàn diện tích mặt cầ u bán kính OA và bằng công suất âm trên toàn diện tích mặt cầu bán kính OB tức là: Wo = IA. SA = IB. SB (1) (xem hình vẽ).
Trong đó IA, IB là cường độ âm tại A và B; SA, SB là diện tích các mặt cầu tâm O bán kính OA và OB.
+ Từ đó rút ra:
+ Mức cường độ của âm đó tại B là:
3) Công suất của nguồn âm tính theo (1), bằng năng lượng truyền qua diện tích mặt cầu tâm O bán kính OA trong 1 giây
Bài tập Sóng âm trong đề thi Đại học
Câu 1. (Câu 11 Đề thi ĐH 2014 – Mã đề 319): Trong môi trường đẳng hướng và không hấp thụ âm, có 3 điểm thẳng hàng theo đúng thứ tự A; B; C với AB = 100 m, AC = 250 m. Khi đặt tại A một nguồn điểm phát âm công suất P thì mức cường độ âm tại B là 100 dB. Bỏ nguồn âm tại A, đặt tại B một nguồn điểm phát âm công suất 2P thì mức cường độ âm tại A và C là
A. 103 dB và 99,5 dB
B. 100 dB và 96,5 dB.
C. 103 dB và 96,5 dB.
D. 100 dB và 99,5 dB.
Lời giải:
Đáp án: A
Câu 2. (Câu 38 Đề thi ĐH 2014 – Mã đề 319): Trong âm nhạc, khoảng cách giữa hai nốt nhạc trong một quãng được tính bằng cung và nửa cung (nc). Mỗi quãng tám được chia thành 12 nc. Hai nốt nhạc cách nhau nửa cung thì hai âm (cao, thấp) tương ứng với hai nốt nhạc này có tần số thỏa mãn fc12 =2 ft12. Tập hợp tất cả các âm trong một quãng tám gọi là một gam (âm giai). Xét một gam với khoảng cách từ nốt Đồ đến các nốt tiếp theo Rê, Mi, Fa, Sol, La, Si, Đô tương ứng là 2 nc, 4 nc, 5 nc, 7 nc , 9 nc, 11 nc, 12 nc. Trong gam này, nếu âm ứng với nốt La có tần số 440 Hz thì âm ứng với nốt Sol có tần số là
A. 330 Hz
B. 392 Hz
C. 494 Hz
D. 415 Hz
Lời giải:
Đáp án: B
Câu 3. (Câu 36 Đề thi THPT QG 2015 – Mã đề 138): Tại vị trí O trong một nhà máy, một còi báo cháy (xem là nguồn điểm) phát âm với công suất không đổi. Từ bên ngoài một thiết bị xác định mức cường độ âm chuyển động thẳng từ M hướng đến O theo hai giai đoạn với vận tốc ban đầu bằng 0 và gia tốc có độ lớn 0,4m/s2 cho đến khi dừng lại tại N (cổng nhà máy). Biết NO = 10m và mức cường độ âm (do còi phát ra) tại N lớn hơn mức cườn độ âm tại M là 20dB. Cho rằng môi trường truyền âm là đẳng hướng và không hấp thụ âm. Thời gian thiết bị đó chuyển động từ M đến N có giá trị gần giá trị nào nhất sau đây?
A. 27s.
B. 32s
C. 47s
D. 25s
Lời giải:
Đáp án: B
Câu 4. (Câu 38 Đề thi THPT QG 2016 – Mã đề 536): Cho 4 điểm O, M, N và P nằm trong một môi trường truyền âm. Trong đó, M và N nằm trên nửa đường thẳng xuất phát từ O, tam giác MNP là tam giác đều. Tại O, đặt một nguồn âm điểm có công suất không đổi, phát âm đẳng hướng ra môi trường. Coi môi trường không hấp thụ âm. Biết mức cường độ âm tại M và N lần lượt là 50 dB và 40 dB. Mức cường độ âm tại P là
A. 43,6 dB
B. 38,8 dB
C. 35,8 dB
D. 41,1 dB
Lời giải:
Đáp án: D
Câu 5. (Câu 34 Đề thi Thử nghiệm 2017): Tần số của âm cơ bản và họa âm do một dây đàn phát ra tương ứng bằng với tần số của sóng cơ để trên dây đàn có sóng dừng. Trong các họa âm do dây đàn phát ra, có hai họa âm ứng với tần số 2640 Hz và 4400 Hz. Biết âm cơ bản của dây đàn có tần số nằm trong khoảng từ 300 Hz đến 800 Hz. Trong vùng tần số của âm nghe được từ 16 Hz đến 20 kHz, có tối đa bao nhiêu tần số của họa âm (kể cả âm cơ bản) của dây đàn này?
A. 37.
B. 30.
C. 45.
D. 22.
Lời giải:
Đáp án: C
Câu 6. (Câu 13 Đề thi Tham khảo 2017): Tai con người có thể nghe được những âm có tần số nằm trong khoảng
A. từ 16 kHz đến 20 000 Hz.
B. từ 16 Hz đến 20 000 kHz.
C. từ 16 kHz đến 20 000 kHz.
D. từ 16 Hz đến 20 000 Hz.
Lời giải:
Đáp án: D
Tay người có thể nghe được âm thanh có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz
Câu 7. (Câu 18 Đề thi Tham khảo 2017): Các chiến sĩ công an huấn luyện chó nghiệp vụ thường sử dụng chiếc còi như hình ảnh bên. Khi thổi, còi này phát ra âm, đó là
A. tạp âm.
B. siêu âm.
C. hạ âm.
D. âm nghe được.
Lời giải:
Đáp án: B
Chó có thể nghe được siêu âm
Câu 8. (Câu 21 Đề thi THPT QG 2017 – Mã đề 201): Biết cường độ âm chuẩn là 1012W/m2. Khi cường độ âm tại một điểm là 10-5 W/ m2. thì mức cường độ âm tại điếm đó là
A.9B.
B. 7 B.
C. 12 B.
D.5B.
Lời giải:
Đáp án: B
L = lg.I/I0 = 7B
Câu 9. (Câu 29 Đề thi THPT QG 2017 – Mã đề 201): Hình bên là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mức cường độ âm L theo cường độ âm I. Cường độ âm chuẩn gần nhất với giá trị nào sau đây?
A. 0,3la.
B. 0,35a.
C. 0,37a.
D. 0,33a.
Lời giải:
Đáp án: A
Từ đồ thị ta thấy khi I = a thì L = 0,5 (B). Áp dụng công thức L = lg.I/I0 => I0 = a/√10 = 0,31a
Câu 10. (Câu 19 Đề thi THPT QG 2017 – Mã đề 202): Biết cường độ âm chuẩn là 1012 W/m2.. Khi cường độ âm tại một điểm là 10-4 W/ m2. thì mức cường độ âm tại điểm đó bằng
A. 80 dB.
B. 50 dB.
C. 60 dB.
D. 70 dB.
Lời giải:
Đáp án: A
