nghiên cứu chương trình nội dung chương trình vật lí trung học phổ sóng cơ

MỞ ĐẦU
“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một
nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của người Giáo viên
trong quá trình dạy học môn Vật lí THPT. Đặc biệt, trong
những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã
được biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao
chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục
toàn diện theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà.
Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung
kiến thức, cách trình bày nội dung kiến thức trong sách
giáo khoa Vật lí là cần thiết, đặc biệt đối với những học
viên cao học thuộc chuyên ngành LL & PPDH Vật lý. Đây
cũng là nhiệm vụ chính của học phần “ Nghiên cứu chương
trình Vật lý phổ thông”.
Để có thể giảng dạy tốt bộ môn Vật lí ở trường phổ thông
thì người giáo viên ngoài lòng đam mê và nhiệt huyết cần
phải hiểu biết sâu sắc các kiến thức của môn học.Người
giáo viên phải hiểu sâu về kiến thức cũng như ý đồ của SGK
thì mới có thể tổ chức hoạt động dạy học có hiệu quả và
kích thích được sự hứng thú của học sinh cũng như lựa
chọn được phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng
của môn học.


Trong bài tiểu luận này sẽ đề cập đến nội dung chương
trình hai chương này đồng thời cung cấp phương hướng
giảng dạy cho giáo viên.

CHƯƠNG 1 SÓNG CƠ

I. Khái niệm

Khái niệm hiện tượng: sóng cơ, sóng ngang, sóng dọc, mặt
sóng, mặt đầu sóng, sóng cầu, sóng phẳng, giao thoa sóng,
sóng dừng, nhiễu xạ sóng, sóng âm, môi trường truyền sóng,
hiệu ứng Doppler.
Khái niệm đại lượng vật lí: chu kì, tần số, tốc độ sóng,
bước sóng, phương trình sóng, năng lượng sóng, độ cao, độ to,
âm sắc.


Sóng là những nhiễu loạn tuần hoàn được lan truyền trong môi
trường hoặc trong không gian. Dạng sóng là hình ảnh của
nhiễu loạn, dạng sóng được minh họa bằng đồ thị biểu diễn đại
lượng nhiễu loạn tại một thời điểm theo khoảng cách.
Trong các sóng mà Vật lí học đã biết thì chỉ có sóng điện từ
là truyền được trong chân không. Các sóng khác chỉ lan truyền
được trong môi trường vật chất, và trong quá trình này các
phần tử vật chất không dịch chuyển theo sóng
1.1 Khái niệm sóng cơ
Khi một phần tử trong môi trường vật chất thực hiện dao
động thì do tương tác, dao động có thể truyền sang các
phần tử khác và cứ thế truyền đi khắp môi trường tạo
thành sóng cơ.
Như vậy, những sóng như: sóng nước trong các khối nước,
từ một đại dương mênh mông cho đến một con rạch nhỏ;
sóng âm thanh trong không khí và trong nước; sóng truyền
trên dây cao su hay lò xo; sóng địa chấn trong vỏ Trái đất,
trongvỏmantivàlõi… đều được gọi là sóng cơ. Điểm đặc
trưng chủ yếu của mọi loại sóng cơ học này là chúng bị chi
phối bởi các định luật của Newton, và những loại sóng cơ
học này cần có một môi trường vật chất để tồn tại và lan

truyền.
1.2 Khái niệm sóng ngang và sóng dọc
Trong mọi loại sóng cơ khả dĩ, thì sóng truyền theo
một dây kéo căng có lẽ là sóng đơn giản nhất. Nếu tay
chúng ta truyền cho một đầu của sợi dây bị kéo căng một


cái giật mạnh lên, xuống (minh họa hình 2.1.3), thì một
xung sẽ đi dọc theo dây từ phần tử này sang phần tử khác.
Xung sẽ giống như một sóng, dưới dạng một xung đơn, đi
dọc theo dây vớivậntốc . Nếu chuyển động tay lên, xuống,
theo một chuyển động điều hòa đơn, thì một sóng hình sin
kéo dài sẽ đi theo sợi
dây vớivậntốc .
Hình 2.1.3

Giả sử hình 2.1.4
là hình dạng lí tưởng
của sợi dây, trong đó không có lực ma sát làm cho sóng
giảm dần, khi nó chuyển động dọc theo dây. Giả sử thêm
rằng chiều dài của dây là đáng kể để sóng phản xạ không
ảnh hưởng đến sóng tới. Khi đó có thể nghiên cứu sóng
trên hình 2d và quan
sát hình dạng của sóng khi chuyển
Hình 2.1.4
động sang phải. Một cách tương ứng, chúng ta có thể
quan sát chuyển động của một phần tử xác định m của sợi
dây có độ dài dx và khối lượngtươngứngdmkhiphầntử này
dao động lên, xuống lúc sóng đi qua. Độ dịch chuyển của
bất kì phần tử nào khi dây dao động, đều theo phương

vuông góc với phương truyền của sóng. Sóng như vậy
được gọi là sóng ngang.


Từ những phân tích trên có thể hiểu: Sóng ngang là
sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường
vuông góc với phương truyền sóng.
Ví dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một
đầu theo phương vuông góc với sợi dây (hình 2.1.3).

Sóng ngang chỉ xuất hiện trong các môi trường có
tính đàn hồi về hình dạng.Nói cách khác, môi trường nào
xuất hiện lực đàn hồi khi có biến dạng lệch thì có thể
truyền được sóng ngang, ví dụ như mặt chất lỏng, chất
rắn.Mặt nước truyền được dao động nhờ lực căng bề
mặt.Hợp lực của lực căng bề mặt và trọng lực có tác dụng
như lực đàn hồi và vì vậy, sóng trên mặt nước là sóng
ngang.
Còn loại sóng cơ học mà sự dịch chuyển của các phần
tử môi trường cókhốilượngdmlàtiến, lùi, song
songvớiphươngtruyền của sóng, gọi là sóng dọc.


Vậy có thể hiểu: Sóng dọc là sóng mà phương dao
động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền
sóng.
Môi trường nào xuất hiện lực đàn hồi khi có biến
dạngnén – dãnthìtruyềnđược sóng dọc.Nói cách khác sóng
dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể
tích. Do đó, sóng dọc truyền được trong các vật rắn cũng

như trong các môi trường lỏng và khí.
Ví dụ: Khi chúng
ta nén lò xo rồi
buông tay ra,
trên lò xo xuất
hiện
những
đoạn lò xo bị
nén lại và đoạn
Hình 2.1.5
lò xo dãn ra. Sự
nén dãn của những đoạn lò xo này truyền dọc theo lò xo
tạo nên sóng dọc .

1.3 Môi trường truyền sóng


Môi trường được gọi là đồng tính nếu các tính chất vật lí
của nó liên quan đến bài toán mà ta đang xét là như nhau
ở mọi điểm .
Môi trường được gọi là đẳng hướng nếu các tính chất
vật lí của nó liên quan đến bài toán mà ta đang xét là như
nhau theo mọi hướng .
Một môi trường có thể đồng tính (hay đẳng hướng) với
những tính chất vật lí này nhưng lại không đồng tính (hay
đẳng hướng) với những tính chất vật lí khác.
Ví dụ: đơn tinh thể là đồng nhất về phương diện đàn hồi
nhưng lại không đồng tính về quang học đối với tia
Rơnghen. Các chất kết tinh thuộc hệ lập phương là đẳng
hướng về phương diện quang học, nhưng lại không đẳng

hướng (dị hướng: sự phụ thuộc của các tính chất vật lí của
môi trường theo các phương trong không gian) đối với
tính chất đàn hồi. Các chất lỏng và chất khí là đẳng hướng
với mọi tính chất vật lí khi không có trường ngoài.
Môi trường được gọi là tuyến tính nếu có tỉ lệ thuận giữa
đại lượng đặc trưng cho tác dụng bên ngoài lên môi
trường và đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi trạng thái
của môi trường
II. Những đặc trưng cơ bản của sóng cơ
2.1 Chu kì


1. Định nghĩa
Chu kì T của một sóng là khoảng thời gian sau đó chuyển
động của một phần tử của sợi dây dao động (tại bất kì vị
trí định trước nào) bắt đầu tự lập lại

Trong hệ SI, đơn vị của chu kì là giây (s).

2. Biểu thức
Chu kì của sóng được xác
định bởi công thức:
3. Chứng minh công thức
tính chu kì
Dựa vào hình ta viết biểuthứcchochođộdờicủa phần tử
m của sợi dây ở vịtrí , vàothờiđiểm t:

Trong đó:





làbiênđộcủasóng, chữ ở vếphảiđể chỉ cực đại, vì biên độ
là độ lớn của độ dời lớn nhất của phần tử m theo mỗi
phương.
làsốsóng

góc

của

sóng:

là

số

lầnbướcsóng

chứatrongmộtkhoảngchiềudài trênphươngtruyềnsóng (
), cóđơnvị trong hệ SI là radian trên mét.


làtầnsố góc của sóng, có đơn vị trong hệ SI là radian
trêngiây, hay

.

Trên hình 5, tại vị trí cố định đượclấytại
. Nếu chúng ta
điều khiển sợi dây tại vị trí này, chúng ta sẽ thấy rằng
chuyển động của một phần tử đơn độc của sợi dây là
chuyển động lên, xuống và được cho bởi biểu thức
(2)
Dựa vào định nghĩa chu kì và áp dụng phương trình (2)
cho mỗi đầu của khoảng thời gian này, và cân bằng các kết
quả, ta được:

Điều này chỉ có thểđúngnếu:
Từđâysuyra:

hay


Trong hệ SI, chu kì cóđơnvị là giây.
2.2 Tần số
1. Định nghĩa
Tầnsố là số chu kì trong một đơn vị thời gian, thực hiện
bởi một phần tử đã cho trên sợi dây, khi sóng đi qua nó.
2. Biểuthức
Trong hệ SI, đơn vị của tần số là Héc: 1 héc (
động/s.

) = 1 dao

2.3 Tốc độ truyền sóng (tốc độ sóng)
Hình 2.2.2 mô tả sóng tạithờiđiểm

vàtạithờiđiểm

.

Sóng đang truyềntheophương tăng, toànbộ hình sóng
truyền

đượcmộtkhoảng

theophươngđótrongkhoảngthờigian .
Biểu thức tốc độ sóng
Ở hình 2.2.2, chỉ xét tập trung vào phần tử đặc biệt A là
điểm có độ dời cực đại. Theo phương trình (1), một độ dời
u là được xác định, bằng cách gán một giá trị đã định cho
đạilượng (

) ,đạilượng này được gọi là pha sóng.
Hình 2.2.2


Đặt:

hằngsố (3)

Theo phương trình (3), khi t tăng thìvịtrí củaphầntử A
chuyển độngvềphía tăng (sang bên phải). Như vậy bản
thân sóng chuyển độngvềphía tăng.

Để tìm tốcđộsóng ta lấyđạo hàm của phương trình (3), ta
được

(4)
Kết quả (4) dương, không đổi đã nghiệm đúng rằng sóng
lan truyềntheochiều tăng, tức là sóng lan truyền sang bên
phải (hình 6) với một tốc độ không đổi.
Vậy từ (4), biểu thức cho tốc độ sóng được viết:
(5).
Phương trình (5) chứng tỏ rằng sóng chuyển động được
một bước sóng trong một chu kì dao động.
Vậy có thể định nghĩa tốc độ sóng như sau: Tốc độ sóng
là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời
gian.


III. Giao thoa sóng
3.1 Hiện tượng giao thoa

Dao động u1 tại M gây bởi
sóng từ nguồn O1, theo công
thức (11’):
(18)
Tương tự, dao động u2 tại M
gây bởi sóng từ nguồn O2:

Hình 2.5.3

(19)
Vì hai dao động này cùng phương nên tại M có sự tổng
hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số.

Hiệu số pha của hai sóng bằng:
= hằngsố (20)
Biên độ của dao động tổng hợp tại M:
(21)
Để thấy rõ kết quả giao thoa tại M, chúng ta khảo sát sự
biến thiên của biên độ tổng hợp A theo hiệu sốkhoảngcách
.
Từ phương trình (21), ta thấy:
khi
, (với
k là những số nguyên).Nhìn vào biểu thức này có thể đưa
ra nhận xét: những điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới
hai nguồn kết hợp O1O2 bằng một số nguyên lần bước sóng
sẽ dao động mạnh nhất: tại đó hai dao động truyền đến
cùng pha và biên độ dao động là cực đại, tức là tại đó hai
sóng tăng cường nhau. Toán học cho biết quỹ tích của
những điểm M làhọmặthypeboltrònxoaycó hai tiêu điểm
chung là O1 và O2. Nhữngđườnghypebolliềnnéttrên hình 11
biểu diễn các giao tuyến của những điểm M với mặt phẳng
hình vẽ.
Cũng từ phươngtrình (21)

, khi


Dựa vào biểu thức trên cho thấy những điểm mà hiệu số
khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O1O2 bằng một số
lẻ lần nửa bước sóng sẽ dao động yếu nhất: tại đó hai dao
động truyền đến ngược pha nhau và biên độ dao động là
cực tiểu, tức là tại đó hai sóng làm yếu nhau. Toán học cho

biết quỹ tích của những điểm M cũng
làhọmặthypeboltrònxoaycùng có hai tiêu điểm là O 1 và
O2.Giao tuyến của chúng với mặt phẳng qua O1O2 biểu diễn
bằngnhữngđườnghypebolđứtnéttrên hình 11, xen kẽ
vớinhữngđườnghypebolliềnnétnói trên.
Tóm lại, trong những biểu thức trên, khi cho k nhận lần
lượt
cácgiátrị:
thìsẽxácđịnh
được
mộthọđườnghypebolcủanhữngđiểm có dao động với biên
độ
cực
đại
xen
kẽ
với
họcácđườnghypebolcủanhữngđiểmcó dao động với biên
độ cực tiểu. Những cực đại ứng với k=0 nằm trên đường
thẳng là đường trungtrựccủa O1O2.
Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những
điểm xácđịnh, luônluônhoặctăngcường nhau, hoặc làm
yếu nhau gọi là sự giao thoa của sóng.
Lưu ý:
- Các kết quả trên đây chỉ đúng với trường hợp pha ban
đầu của hai nguồn là như nhau. Nếu pha ban đầu của hai


nguồn là khác nhau thì tính toán tương tự và sẽ kết quả
khác với kết quả trên đây.

- Hiện tượng giao thoa xảy ra đối với cả sóng ngang và
sóng dọc.
3.2 Điều kiện để có hiện tượng giao thoa
Từ kết quả của việc khảo sát trên, ta nhận thấy rằng để
có hiện tượng giao thoa xảy ra thì hai sóng giao nhau phải
xuất phát từ hai nguồn dao động cùng phương, cùng tần
số và hiệu số pha không đổi theo thời gian. Hai sóng thỏa
mãn các điều kiện như trên gọi là hai sóng kết hợp.Khi đó
xuất hiện những đường cong cố định trên mặt nước nối
các điểm có biên độ dao động cực đại hoặc cực tiểu gọi là
vân giao thoa.
Sóng dừng
Sau đây ta sẽ xét một trường hợp đặc biệt của giao thoa
sóng, đó là sóng dừng hay còn gọi là sóng đứng.


Khái niệm
Sóng dừng là sóng tạo thành do sự chồng chập của hai
sóng hình sin kết hợp, truyền theo cùng phương nhưng
ngược chiều nhau và có phương dao động trùng (hoặc gần
trùng) nhau.


Nếu sóng truyền từ một môi
trường có khối lượng riêng nhỏ tới phản xạ trên một môi
trường có khối lượng riêng lớn hơn, ở chỗ phản xạ sẽ xuất
hiện một nút.
Nếu sóng truyền từ một môi trường
có khối lượng riêng lớn tới phản xạ trên một môi trường có
khối lượng riêng nhỏ hơn thì ở chỗ phản xạ sẽ xuất hiện

một bụng.
* Lưu ý: Trong quá trình hình thành sóng dừng thì sóng tới
và sóng phản xạ liên tục truyền đi theo hai chiều ngược
nhau nhưng sóng tổng hợp của chúng thì không truyền đi
mà đứng (dừng) tại chỗ. Vì vậy mà sóng tổng hợp trong
trường hợp này gọi là sóng đứng hay sóng dừng.


•
-

-

Điều kiện:
Sợi dây có 2 đầu cố định
(n= 1, 2, …)
Sợi dây có 1 đầu tự do
(m= 1, 2, …)
IV. Sóng âm
4.1 Khái niệm sóng âm
Sóng âm được định nghĩa một cách khái quát là những
sóng cơ học có thể đi qua chất khí, chất lỏng hay chất rắn.
Trong chất rắn sóng âm là sóng ngang
và sóng dọc, vì lực đàn hồi xuất hiện ngay cả khi có biến
dạng lệch, nén và giãn.
Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các môi trường
khí, lỏng, rắn
4.2 Các đặc tính sinh lí của âm
•

Nhờ thính giác, con người có thể phân biệt được ba đặc
tính sinh lí của âm: độ cao, âm sắc và độ to.
4.2.1 Độ cao của âm
Trong âm nhạc, các nốt nhạc: do, re, mi, fa, sol, la, si, do
ứng với các âm có độ cao tăng dần
4.2.2 Âm sắc


Tai người có thể phân biệt được những âm thanh có cùng
độ cao (cùng tần số) nhưng phát ra bởi các nhạc cụ khác
nhau
4.2.3 Độ to của âm
Hai đại lượng dùng để đặc trưng cho độ mạnh của âm là
cường độ âm và độ to của âm.
Cường độ âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương
diện vật lí,
Độ to của âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương
diện sinh lí
V. Hiệu ứng Doppler
5.1 Định nghĩa
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của sóng do
nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu.
Ví dụ: giả sử có một xe ô tô đang chạy trên đường và một
người quan sát đứng bên đường. Khi xe chuyển động
nhanh tới gần người quan sát thì người đó cảm nhận được
âm thanh do xe phát ra lên cao; còn khi chiếc xe đó chạy ra
xa thì âm thanh do chính chiếc xe đó phát ra thấp hơn âm
thanh do chính xe đó phát ra khi nó đứng yên gần người
quan sát.

-

Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động

-

Nguồn âm chuyển động, máy thu đứng yên

-

-

Không chỉ xảy ra với sóng âm mà còn xảy ra đối với sóng
siêu âm có bước sóng rất ngắn, sóng vô tuyến điện và
sóng ánh sáng.
Ứng dụng: Cảnh sát xác định tốc độ của xe

C. KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu nội dung chương trình vật lí trung học phổ
thông 2 với sự nghiên cứu sâu sắc về chương dòng điện xoay
chiều chúng tôi đã có được một cách nhìn khái quát, thống
nhất về các loại dao động, nắm chắc hơn về các kiến thức vật
lí của chương trình THPT đặc biệt hiểu rõ ý nghĩa vật lí kiến thức


Nghiêncứunộichương trình vật lí phổ thông 2 giúp có cách tiếp
cận mới về kiến thức phổ thông, tổng kết và khái quát chúng để
từ đó có hướng dạy học phù hợp hỗ trợ học sinh học tập tự chủ,

tích cực song hành với việc phát triển tư duy