MỤC TIÊU
- Từ hình ảnh hoặc đồ thị xác định được biên độ và tần số sóng âm.
- Nêu được đơn vị của tần số là héc, kí hiệu là Hz.
- Nêu được sự liên quan của độ to của âm với biên độ âm.
- Sử dụng nhạc cụ (hoặc học liệu điện tử, dao động kí) chứng tỏ được độ cao của âm có liên hệ với tần số âm.
TÓM TẮT KIẾN THỨC
💡 Mở đầu
Nếu kẹp một đầu thước thép vào mặt bàn, dùng tay gảy đầu còn lại thì thước có thể phát ra âm thanh. Khi khoảng cách giữa đầu tự do của thước với mép bàn khác nhau thì âm phát ra khác nhau. Vì sao?
Vì khoảng cách giữa đầu tự do của thước với mép bàn khác nhau dẫn đến sự dao động của đầu tự do sẽ mạnh hay yếu khác nhau, nên âm phát ra khác nhau.
1. ĐỘ TO CỦA ÂM
1.1. Tìm hiểu về biên độ dao động
Đối với một vật đang dao động, biên độ dao động là độ lệch lớn nhất của vật so với vị trí cân bằng của nó (Hình 13.1).
Chúng ta không nhìn thấy sóng âm. Tuy nhiên, một trong những thiết bị cho phép “nhìn thấy” dao động của sóng âm là dao động kí (còn gọi là máy hiện sóng) (Hình 1.4). Dao động kí có thể hiển thị đồ thị dao động âm. Đó là đường biểu diễn các dao động của sóng âm mà micro thu nhận được.
Trên màn hình dao động kí, biên độ dao động là khoảng cách giữa đỉnh đồ thị (Hình 13.2) và đường vẽ cắt ngang ở giữa đồ thị. Biên độ dao động hiển thị trên màn hình tỉ lệ với biên độ dao động của sóng âm mà micro nhận được.
📝 Củng cố
Hình dưới đây cho thấy đồ thị dao động âm trên màn hình dao động kí khi nguồn âm là một âm thoa được gõ nhẹ (a) và gõ mạnh (b). Sóng âm nào có biên độ dao động lớn hơn?
Từ đồ thị dao động của âm thoa ta thấy, biên độ dao động của sóng âm khi gõ mạnh là 2 ô, biên độ dao động của sóng âm khi gõ nhẹ là 1 ô.
⟹ Sóng âm ở hình b có biên độ dao động lớn hơn.
1.2. Tìm hiểu mối liên hệ giữa độ to của âm với biên độ âm
🔬 Thí nghiệm 1: Tạo âm to, âm nhỏ bằng dây chun
➲ Chuẩn bị: Một hộp nhựa (không đậy nắp), một số dây chun.
➲ Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Căng dây chun xung quanh hộp sao cho dây chun tiếp xúc với các mặt của hộp như Hình 13.3a.
- Bước 2: Dùng ngón tay gảy nhẹ dây chun (Hình 13.3b). Quan sát biên độ dao động của dây chun và lắng nghe độ to của âm phát ra.
- Bước 3: Gảy mạnh hơn vào dây chun. Tiếp tục quan sát và lắng nghe như bước 2.
👨👩👧👦 Thảo luận
1. Tiến hành thí nghiệm 1 và hoàn thành các thông tin theo mẫu Bảng 13.1.
Gảy dây chun |
Biên độ dao động của dây chun (lớn/nhỏ) |
Âm phát ra (to/nhỏ) |
Nhẹ |
Nhỏ |
Nhỏ |
Mạnh |
Lớn |
To |
👨👩👧👦 Thảo luận
2. Nêu nhận xét về mối liên hệ giữa độ to của âm phát ra với biên độ dao động của dây chun.
Khi biên độ dao động âm càng lớn thì độ to của âm phát ra càng lớn và ngược lại.
📝 Củng cố
Tiến hành thí nghiệm với thước thép (như Hình 13.1) để kiểm tra mối liên hệ giữa độ to của âm phát ra và biên độ dao động của nguồn âm.
Tiến hành thí nghiệm với thước thép, quan sát đồ thị dao động âm của thước thép bằng dao động kí:
- Chuẩn bị: Thước thép, hộp cộng hưởng, dao động kí, micro.
- Tiến hành thí nghiệm:
+ Bước 1: Kẹp một đầu thước thép lên hộp cộng hưởng, đầu còn lại nhô ra khỏi mặt bàn. Kết nối micro với ngõ vào của dao động kí.
+ Bước 2: Đầu tự do của thước thép đặt gần micro. Dùng tay gảy nhẹ vào đầu tự do của thước thép. Lắng nghe âm thanh phát ra và điều chỉnh dao động kí để quan sát đồ thị dao động âm trên màn hình.
+ Bước 3: Tương tự bước 2, nhưng gảy mạnh vào đầu tự do của thước thép.
+ Bước 4: Tương tự bước 2, nhưng gảy mạnh hơn bước 3 vào đầu tự do của thước thép.
⟹ Kết luận: Qua thí nghiệm, ta thấy nguồn âm dao động càng mạnh thì biên độ dao động âm càng lớn và âm nghe được càng to.
🔬 Thí nghiệm 2: Quan sát đồ thị dao động âm của âm thoa bằng dao động kí
➲ Chuẩn bị: âm thoa, hộp cộng hưởng, búa cao su, dao động kí, micro.
➲ Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 13.4. Kết nối micro với ngõ vào tín hiệu của dao động kí. Bật nút nguồn trên dao động kí.
- Bước 2: Gắn âm thoa lên hộp cộng hưởng và đặt gần micro. Dùng búa cao su gõ nhẹ vào một nhánh âm thoa. Lắng nghe âm thanh phát ra và điều chỉnh dao động kí để quan sát đồ thị dao động âm trên màn hình.
- Bước 3: Tương tự bước 2, nhưng gõ mạnh vào âm thoa.
- Bước 4: Tương tự bước 2, nhưng gõ mạnh hơn vào âm thoa.
Như vậy, nguồn âm dao động càng mạnh thì biên độ âm càng lớn và âm nghe được càng to.
👨👩👧👦 Thảo luận
3. Tiến hành thí nghiệm 2 và thực hiện các yêu cầu sau:
a) So sánh độ to của âm nghe được trong ba trường hợp gõ âm thoa.
b) So sánh biên độ của dao động âm trên màn hình trong ba trường hợp gõ âm thoa.
c) Nêu nhận xét về mối liên hệ giữa độ to của âm nghe được và biên độ dao động của sóng âm.
- Tiến hành thí nghiệm 2, với các trường hợp:
+ Trường hợp 1: Gõ nhẹ vào một nhánh của âm thoa.
+ Trường hợp 2: Gõ mạnh vào một nhánh của âm thoa.
+ Trường hợp 3: Gõ mạnh hơn trường hợp 2 vào một nhánh của âm thoa.
- Qua thí nghiệm, ta rút ra các nhận xét sau:
a) Độ to của âm trong trường hợp 3 lớn nhất, rồi đến trường hợp 2, cuối cùng là trường hợp 1.
b) Biên độ dao động âm trong trường hợp 3 lớn nhất, rồi đến trường hợp 2, cuối cùng là trường hợp 1.
c) Nguồn âm dao động càng mạnh thì biên độ dao động âm càng lớn và âm nghe được càng to.
✍️ Ghi nhớ
• Biên độ dao động là độ lệch lớn nhất của vật dao động so với vị trí cân bằng của nó.
• Âm nghe được càng to khi biên độ âm càng lớn.
• Âm nghe được càng nhỏ khi biên độ âm càng nhỏ.
2. ĐỘ CAO CỦA ÂM
Khi chúng ta nghe, âm bổng được gọi là âm cao, âm trầm được gọi là âm thấp.
2.1. Tìm hiểu về tần số
- Kẹp một đầu thước thép vào mặt bàn, dùng tay gảy đầu còn lại cho thước dao động. Khi đầu tự do của thước đi được trọn vẹn một vòng từ điểm xa vị trí cân bằng nhất ở phía trên (A) đến điểm xa vị trí cân bằng nhất ở phía dưới (B) và trở lại A, ta nói đầu thước đã thực hiện một dao động (Hình 13.5).
- Số dao động đầu thước thực hiện được trong một giây được gọi là tần số dao động của thước.
- Đơn vị tần số là héc (hertz), kí hiệu là Hz.
- Ta có thể phân biệt sóng âm tần số cao với sóng âm tần số thấp bằng dao động kí. Trên màn hình có cùng tỉ lệ, sóng âm có tần số cao hơn thì các đường biểu diễn của chúng ở sát nhau hơn, nghĩa là đồ thị dao động âm của chúng có các đỉnh ở gần nhau hơn (Hình 13.6).
📝 Củng cố
Dây đàn guitar phải thực hiện bao nhiêu dao động trong mỗi giây để phát ra nốt La (A4) có tần số 440 Hz?
- Tần số là số dao động thực hiện được trong một giây.
- Vậy dây đàn guitar phải thực hiện được 440 dao động trong mỗi giây để phát ra nốt La (A4) có tần số 440 Hz.
📖 Mở rộng
• Tai người chỉ nghe được những sóng âm có tần số trong khoảng từ 20 Hz đến 20 000 Hz. Khoảng sáng âm này được gọi là âm nghe được.
• Sóng âm có tần số lớn hơn 20 000 Hz được gọi là siêu âm.
• Sóng âm có tần số dưới 20 Hz được gọi là hạ âm.
• Một số loài động vật có thể nghe được siêu âm hoặc hạ âm.
2.2. Tìm hiểu mối liên hệ giữa độ cao và tần số âm
🔬 Thí nghiệm 3: Tìm hiểu mối liên hệ giữa độ cao và tần số âm
➲ Chuẩn bị: Dao động kí, micro, hai âm thoa khác nhau, búa cao su.
➲ Tiến hành thí nghiệm:
- Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 13.4. Kết nối micro với ngõ vào tín hiệu của dao động kí. Bật nút nguồn trên dao động kí.
- Bước 2: Lần lượt dùng búa cao su gõ nhẹ vào nhánh của hai âm thoa. Lắng nghe âm thanh phát ra và đưa mỗi âm thoa đến gần micro. Điều chỉnh dao động kí để quan sát đồ thị dao động âm trên màn hình.
Như vậy, độ cao của âm có liên hệ với tần số âm.
👨👩👧👦 Thảo luận
4. Tiến hành thí nghiệm 3 và trả lời các câu hỏi:
a) Âm thanh phát ra bởi âm thoa nào nghe bổng hơn?
b) Từ đồ thị dao động âm trên màn hình dao động kí, sóng âm của âm thoa nào phát ra có tần số lớn hơn?
c) Nêu nhận xét về mối liên hệ giữa độ cao của âm với tần số âm.
Từ thí nghiệm 3, ta có nhận xét sau:
a) Âm phát ra bởi âm thoa khi gõ mạnh nhất nghe bổng nhất.
b) Từ đồ thị dao động âm trên màn hình dao động kí, sóng âm của âm thoa khi gõ mạnh nhất có tần số lớn nhất.
c) Âm phát ra càng cao (càng bổng) khi tần số âm càng lớn. Âm phát ra càng thấp (càng trầm) khi tần số càng nhỏ.
✍️ Ghi nhớ
• Tần số là số dao động của vật thực hiện được trong một giây. Đơn vị tần số là héc (Hz).
• Âm phát ra càng cao (càng bổng) khi tần số âm càng lớn.
• Âm phát ra càng thấp (càng trầm) khi tần số càng nhỏ.
♻️ Vận dụng
Truy cập trang web sau:Nhấn nút “Play” để nghe. Kéo nút trượt tăng dần tần số. Độ cao của âm nghe được liên hệ như thế nào với tần số âm?
Các em sử dụng điện thoại có cài đặt ứng dụng quét mã QR, sau đó quét mã trên, ấn nút “Play” và nghe.
- Âm phát ra càng bổng (càng cao) khi tần số âm càng lớn.
- Âm phát ra càng thấp (càng trầm) khi tần số âm càng nhỏ.
BÀI TẬP
✍️ Bài tập
1. Tần số vỗ cánh của ruồi đen khi bay vào khoảng 350 Hz, của muỗi vào khoảng 600 Hz. Âm thanh phát ra khi bay của ruồi đen hay muỗi nghe bổng hơn? Vì sao?
Tần số phát ra của loài muỗi khoảng 600 Hz, tần số phát ra của loài ruồi đen khoảng 350 Hz.
⟹ Tần số của muỗi lớn hơn tần số của ruồi.
⟹ Âm thanh phát ra khi bay của muỗi nghe bổng hơn ruồi đen.
✍️ Bài tập
2. Để thay đổi độ to của tiếng đàn, người nghệ sĩ chơi đàn guitar thường thực hiện các thao tác như thế nào? Giải thích.
Để thay đổi độ to của tiếng đàn, người nghệ sĩ chơi đàn guitar thường thực hiện các thao tác gảy mạnh hay gảy nhẹ dây đàn.
- Khi gảy càng mạnh, dao động của sợi dây đàn càng mạnh và biên độ dao động càng lớn ⇒ Âm phát ra càng cao (bổng).
- Khi gảy càng nhẹ, dao động của sợi dây đàn càng yếu và biên độ dao động càng nhỏ ⇒ Âm phát ra càng thấp (trầm).
Ngoài cách trên thì người nghệ sĩ còn dùng tay hoặc kẹp chuyên dụng để thay đổi độ dài của mỗi dây khi gảy đàn cũng là một cách để thay đổi độ to của tiếng đàn.
✍️ Bài tập
3. Em hãy tạo ra âm thanh từ một cái thước như Hình 13.1. Lần lượt thay đổi độ dài phần tự do của thước và lắng nghe âm thanh của chúng. Độ cao của âm phát ra liên hệ như thế nào với độ dài phần tự do của thước?
Độ dài phần tự do của thước càng dài thì biên độ dao động càng lớn.
⇒ Độ cao của âm phát ra càng lớn.
⇒ Độ cao của âm tỉ lệ với độ dài phần tự do của thước.
