Bài tập đại cương về sóng dừng

VnHocTap. com trình làng đến những em học viên lớp 12 bài viết Bài tập đại cương về sóng dừng, nhằm mục đích giúp những em học tốt chương trình Vật lí 12 .

Nội dung bài viết Bài tập đại cương về sóng dừng: Bài tập đại cương về sóng dừng. Ví dụ 1: Trên một sợi dây đàn hồi dài 1m, hai đầu cố định, đang có sóng dừng với 5 nút sóng (kể cả hai đầu dây). Bước sóng của sóng truyền trên dây là: A. 0,5 m. B. 2m C. 1m D. 1,5m. Lời giải. Sóng dừng trên sợi dây hai đầu cố định nên chiều dài dây thỏa mãn. Vì trên dây có 5 nút sóng kể cả 2 đầu nên k = 4 do đó 4 0,5 ⇒ = λ. Đáp án A.
Ví dụ 2: Một sợi dây đàn hồi đang có sóng dừng. Trên dây, những điểm dao động với cùng biên độ A1 có vị trí cân bằng liên tiếp cách đều nhau một đoạn d1 và những điểm dao động với cùng biên độ A2 có vị trí cân bằng liên tiếp cách đều nhau một đoạn d2. Biết A1 > A2 > 0. Biểu thức nào sau đây đúng? A. d1 = 0,5d2 B. d1 = 4d2 C. d1 = 0,25d2 D. d1 = 2d2. Lời giải Các điểm dao động cùng biên độ khi các điểm đó cách nút một khoảng như nhau. Giả sử những điểm dao động cùng biên độ cách nút một khoảng x, 4x. Vì các điểm này có vị trí cân bằng liên tiếp và cách đều nhau, nên từ hình vẽ, ta có: Vì A1 > A2 > 0 nên ta có λ = thì ta có những điểm có cùng biên độ A2 và có vị trí cân bằng cách đều nhau một khoảng λ = thì ta có những điểm cùng biên độ A1 (điểm bụng) và có vị trí cân bằng cách đều nhau một khoảng 1 2. Đáp án D.
Ví dụ 3: M, N, P là 3 điểm liên tiếp nhau trên một sợi dây mang sóng dừng có cùng biên độ 4 mm, dao động tại N ngược pha với dao động tại M 1 2 NP MN = cm. Cứ sau khoảng thời gian ngắn nhất là 0,04 s sợi dây có dạng một đoạn thắng. Tốc độ dao động của phần tử vật chất tại điểm bụng khi qua vị trí cân bằng (lấy π = 3,14 ) A. 375 mm/s B. 363 mm/s C. 314 mm/s D. 628 mm/s. Lời giải. Vì M và N dao động ngược pha nên M và N đối xứng với nhau qua nút Q nào đó, còn N và P đối xứng nhau qua bụng. Gọi nút gần P nhất là R. Do 3 điểm này cùng biên độ nên từ công thức biên độ 2 2 sin d A a π λ = (d là khoảng cách từ điểm xét tới nút) ta suy ra 0,5 2. Mặt khác ta có khoảng cách giữa hai nút QR là 0,5 2 0,5 6 2 2 2 2 QR QN NP PR. Khoảng thời gian giữa hai lần sợi dây duỗi thẳng là 0,04 0,08. Đáp án D. Ví dụ 4: Cho sợi dây có chiều dài l, hai đầu dây cố định, vận tốc truyền sóng trên sợi dây không đổi. Khi tần số sóng là f1 = 50Hz trên sợi dây xuất hiện n1 = 16 nút sóng. Khi tần số sóng là f2, trên sợi dây xuất hiện n2 = 10 nút sóng. Tính tần số f2. A. f2 = 30 Hz B. f2 = 20 Hz C. f2 = 10 Hz D. f2 = 15 Hz. Đáp án A.
Ví dụ 5: Quan sát hiện tượng sóng dừng trên một sợi dây có chiều dài 36 cm, người ta thấy trên sợi dây hình thành ra 5 nút sóng, trong đó có 2 nút nằm tại hai đầu sợi dây. Khoảng thời gian giữa hai lần gần nhất mà sợi dây duỗi thẳng là 0,6 s. Vận tốc truyền sóng trên sợi dây là: A. v = 5cm/s. B. v = 10cm/s. C. v = 15cm/s. D. v = 20cm/s. Lời giải Trong phần lí thuyết ta đã chứng minh khoảng thời gian giữa hai lần sợi dây duỗi thẳng là: 0,6 1,2 2. Trên sợi dây hình thành ra 5 nút sóng, trong đó có 2 nút nằm tại hai đầu sợi dây, vì vậy có 4 bụng sóng trên sợi dây và chiều dài sợi dây là: Vận tốc truyền sóng trên sợi dây là: 18 15. Đáp án C.
Ví dụ 6: Làm thí nghiệm giao thoa về sóng dừng trên sợi dây có chiều dài l, hai đầu cố định, tần số thay đổi được. Khi tần số là f1 = 45Hz thì trên dây có hiện tượng sóng dừng. Khi tăng tần số của nguồn sóng, tới khi tần số là f2 = 54Hz thì trên sợi dây mới lại xuất hiện sóng dừng. Hỏi tần số của nguồn nhỏ nhất bằng bao nhiêu thì trên sợi dây bắt đầu có sóng dừng? Cho biết vận tốc truyền sóng trên sợi dây không đổi A. f = 9Hz B. f = 18Hz C. f = 36Hz D. f = 27Hz. Lời giải. Gọi vận tốc truyền sóng trên sợi dây là v, do hai đầu dây cố định nên ta có: Khi tần số là f1, trên dây xuất hiện n1 bó sóng nên khi tần số là f2, trên dây xuất hiện n2 bó sóng. Do f1 và f2 là hai tần số liên tiếp xảy ra sóng dừng trên sợi dây, nên số bó sóng trong hai trường hợp chỉ hơn kém nhau 1 đơn vị (tức n1, n2 là hai số nguyên liên tiếp). Từ (3) suy ra n1 = 5 bó sóng; n2 = 6 bó sóng. Giả sử với tần số f thì lúc đó sợi dây xuất hiện n bó sóng, khi đó: (4) 2 2. Để tần số f nhỏ nhất thì n nguyên nhỏ nhất, suy ra n = 1, ta có fmin = 9.1 = 9 Hz. Đáp án A.
Ví dụ 7: Làm thí nghiệm giao thoa về sóng dừng trên sợi dây có chiều dài l với một đầu cố định, một đầu là bụng sóng, tần số thay đổi được. Khi tần số là f1 = 40Hz thì trên dây có hiện tượng sóng dừng. Khi tăng tần số của nguồn sóng thì khi tần số là f2 = 56Hz thì trên sợi dây mới lại xuất hiện sóng dừng. Hỏi tần số của nguồn nhỏ nhất bằng bao nhiêu thì trên dây bắt đầu có sóng dừng? Cho biết vận tốc truyền sóng trên sợi dây không đổi. A. f = 8Hz. B. f = 16Hz. C. f = 24Hz. D. f = 12Hz. Lời giải. Gọi vận tốc truyền sóng trên sợi dây là v, do một đầu dây cố định, một đầu bụng nên ta có: Khi tần số là f1, trên dây xuất hiện n1 bụng sóng thì: Khi tần số là f2, trên dây xuất hiện n2 bụng sóng. Do f1 và f2 là hai tần số liên tiếp xảy ra sóng dừng trên sợi dây, nên (2n1 – 1) và (2n2 – 1) là hai số nguyên lẻ liên tiếp. Từ (3) suy ra 1 2 15 n − = va 2 2 17 n −. Giả sử với tần số f thì lúc đó sợi dây xuất hiện n bó sóng. Để tần số f nhỏ nhất thì n bé nhất và n = 1, ta có: fmin = 8(2.1− = 1) 8Hz. Đáp án A.
Từ hai ví dụ 6 và 7 ta suy ra cách làm nhanh. Nếu sóng dừng trên sợi dây với hai đầu cố định: Kiểm tra tỉ số nếu thấy 1 2 bằng thương của hai số nguyên liên tiếp thì tần số nhỏ nhất để có sóng dừng trên sợi dây min 1 = − 2 f f f. Nếu sóng dừng trên sợi dây với một đầu nút, một đầu bụng: Kiểm tra tí số nếu thấy bằng thương của hai số nguyên lẻ liên tiếp thì tần số nhỏ nhất để có sóng dừng trên sợi dây 1 2 min 2 = f − f. Ví dụ 8: Một sợi dây AB có chiều dài l, đầu A cố định, đầu B gắn với cần rung với tần số thay đổi được, điểm B được coi là nút sóng. Ban đầu trên dây có sóng dừng, khi tần số tăng thêm 40 Hz thì số nút trên dây tăng thêm 8 nút. Tính thời gian để sóng truyền đi giữa hai đầu dây?
Ví dụ 9: Xét sóng dừng trên một sợi dây với một đầu dây buộc vào điểm cố định, đầu còn lại gắn với cần rung có tần số f = 20Hz. Tốc độ truyền sóng trên dây là v = 120cm/s. Tìm số nút và bụng sóng trên một đoạn dây nằm sát đầu cố định và có chiều dài l = 22,1cm. A. Có 6 bụng sóng và 7 nút sóng. B.Có 6 bụng sóng và 6 nút sóng. C. Có 7 bụng sóng và 8 nút sóng. D. Có 7 bụng sóng và 7 nút sóng. Xét một điểm M trên sợi dây, cách đầu dây một đoạn x, tại M có bụng sóng khi: 4 4.22,1 1 0 2 1 0 2 1 14,73. Có 7 giá trị của k nên có 7 điểm bụng trên sợi dây. Xét một điểm M trên sợi dây, cách đầu dây một đoạn x, tại M có nút sóng khi: 2 2.22,1. Có 8 giá trịcủa k nên có 8 điểm nút trên sợi dây.
Ví dụ 10: Sóng dừng trên sợi dây có chiều dài l, bước sóng λ =16cm. Xét điểm O trùng với một nút sóng, các điểm M, N, P, Q nằm về một phía của điểm O cách O những đoạn tương ứng là: 59 cm; 87 cm; 106 cm; 143 cm. Pha dao động của các điểm trên có tính chất gì? A. M và N đồng pha với nhau và ngược pha với các điểm P và Q. B. M và P đồng pha với nhau và ngược pha với các điểm N và Q. C. M, N, P và Q đều đồng pha với nhau. D. M, N và P đồng pha với nhau và ngược pha với Q. Lời giải. Đối với sóng dừng, trừ những điểm nút đứng yên không dao động, những điểm dao động còn lại sẽ hoặc đồng pha với nhau và ngược pha với những điểm còn lại. Cụ thể những điểm nằm bên trên vị trí cân bằng thì luôn đồng pha với nhau và ngược pha với những điểm nằm bên dưới vị trí cân bằng. Chọn trục tọa trùng với sợi dây, gốc tọa độ trùng vào điểm O, chiều dương hướng sang phải. Xét những điểm nằm về một phía của điểm O, những điểm có tọa độ 2 21 2 kxk λ thì luôn dao động đồng pha với nhau và ngược pha với những điểm có tọa độ (21 2 ) 2 2. Kiểm tra tọa độ của các điểm, ta có: Kết luận: Các điểm M và P đồng pha với nhau và ngược pha với các điểm N và Q.
Có thể giải nhanh bài toán như sau: Lập tỉ số tọa độ của mỗi điểm cho 2 λ, so sánh phần nguyên của các tỉ số đó, các điểm mà tỉ số trên có phần nguyên à số chẵn thì luôn đồng pha với nhau và ngược pha với những điểm mà tỉ số trên có phần nguyên là số lẻ. Đáp án B. Nhận xét: Lời giải trên chỉ áp dụng cho những điểm nằm về một phía so với điểm gốc O, còn với những điểm nằm về hai phía của gốc O thì kết quả lại khác. Ta xét ví dụ tiếp theo. Ví dụ 11: Sóng dừng trên sợi dây có chiều dài l, bước sóng λ =16cm. Xét điểm O trùng với một nút sóng, các điểm M, N, P, Q cách o những đoạn tương ứng là: 59 cm; 87 cm; 106 cm; 143 cm. Biết các điểm M và P nằm về bên trái điểm O, các điểm N và Q nằm về bên phải điểm O. Pha dao động của các điểm trên có tính chất gì? A. M và N đồng pha với nhau và ngược pha với các điểm P và Q. B. M và P đồng pha với nhau và ngược pha với các điểm N và Q. C. M, N, P và Q đều đồng pha với nhau. D. M, N và P đồng pha với nhau và ngược pha với Q.
Chọn trục tọa độ trùng với sợi dây, gốc tọa độ trùng vào điểm O, chiều dương hướng sang phải. Xét những điểm nằm về một phía của điểm O, những điểm có tọa độ 2 21 2 2 kxk λ λ thì luôn dao động đồng pha với nhau và ngược pha với những điểm có tọa độ (21 2 ) 2 2. Với hai điểm M và P nằm bên trái điểm O, ta có: Điểm M có: 7 59 7,375 8. Điểm P có: 13 106 13, 25 14 2. Như vậy điểm M đồng pha với điểm P. Với hai điểm N và Q nằm bên phải điểm O, ta có: Điểm N có: 10 87 10,875 11 2 2 2 Nx. Điểm Q có: 18 18,375 19 2 2 2. Như vậy điểm N đồng pha với điểm Q. Xét hai điểm dao động nằm về hai phía của điểm nút O, nếu có tọa độ cùng thỏa mãn thì luôn dao động ngược pha. Ngược lại nếu một điểm có tọa độ 2 21 ( ) 2 2 điểm còn lại có tọa độ (21 2 ) 2 2 thì hai điểm này đồng pha. Như vậy có thể khẳng định M và N đồng pha, suy ra cả bốn điểm M, N, P, Q đều đồng pha.
Ví dụ 12: Một sợi dây đàn hồi có sóng dừng, biên độ tại bụng sóng là A0, vận tốc truyền sóng trên dây v = 240 cm/s. Điểm M trên dây có phương trình dao động 0 cos 20 thì điểm N cách M một đoạn 11 cm dao động với phương trình: Xét bốn điểm thuộc 3 bó sóng liên tiếp theo thứ tự: Điểm N1 thuộc bó sóng thứ nhất – nút O – điểm M gần O nhất thuộc bó sóng thứ 2 – nút O’- điểm N2 thuộc bó sóng thứ ba (hình vẽ). Do biên độ dao động tại M là 0 nên khoảng cách ngắn nhất từ M tới nút O là: Với điểm N1 nằm bên trái điểm M, ta có 1 1 N O N M MO 8cm. Điểm N1 đồng pha với điểm M nên phương trình dao động của điểm N1 là: Với điểm N2 nằm bên phải điểm M, ta có: 2 2 N O = N M MO 2cm. Điểm N2 đồng pha với điểm M nên phương trình dao động của điểm N2.
Ví dụ 13: Cho sợi dây một đầu cố định, một đầu còn lại gắn với cần rung phát sóng dao động với phương trình ua t 0 = + cos(ω ϕ ) cm. Trên dây có sóng dừng ổn định với bước sóng. Hai điểm M và N trên dây cách nhau 3,75λ có biên độ lần lượt là AM= 6cm; AN= 8cm. Tìm biên độ của nguồn phát ra sóng đó? A. a = 10cm. B. a = 7,5cm. C. a = 15cm. D. a = 5cm. Gọi x1,x2 là khoảng cách từ M và N tới đầu nút cố định, ta có: 1 2 1 2 x 3,75λ λ 3,75. Gọi A0 = 2a là biên độ tại bụng sóng, biên độ sóng dừng tại M và N tương ứng. Ví dụ 14: Ba điểm A, B, C là ba điểm liên tiếp trên một sợi dây có sóng dừng với cùng biên độ 4 cm. Điểm A dao động ngược pha với điểm B và AB = 2BC. Cứ sau những khoảng thời gian liên tiếp là 0,25 s thì sợi dây có dạng một đoạn thẳng. Tìm tốc độ dao động cực đại của điểm M là trung điểm của AC? A. 16 3 / π cm s B. 16 2 / π cm s C. 16 / πcm s D. 32 / πcm s. Theo bài ra vị trí của ba điểm A, B, C được thể hiện như hình vẽ. Do biên độ của ba điểm A, B, C bằng nhau nên khoảng cách từ mỗi điểm này đến mỗi nút gần nó nhất phải bằng nhau.
Ví dụ 15: Một dây đàn hồi AB đầu A được rung nhờ một dụng cụ để tạo thành sóng dừng trên dây. Biết phương trình dao động tại đầu A là cos100 A u a = πt. Quan sát sóng dừng trên sợi dây ta thấy trên dây có những điểm không phải là điểm bụng dao động với biên độ b (b ≠ 0) cách đều nhau và cách nhau khoảng 1 m. Giá trị của b và tốc truyền sóng trên sợi dây lần lượt là: A. a v ms 2; 200 / = B. a v ms 3; 150 / = C. av m s ; 300 / = D. a v ms 2; 100 / =. Các điểm B, C, E, F dao động cùng biên độ b sẽ cách nút gần nó nhất những khoảng bằng nhau: AB = CD = DE = FG.Mặt khác, các điểm B, C, E, F cách đều nhau khoảng lm nên ta có BC = CE = EF = 1m Từ hình vẽ, ta có: 2 2 CE CD DE.
Ví dụ 16: Một sợi dây đàn hồi căng ngang, đang có sóng dừng ổn định. Trên dây A là một điểm nút, B là một điểm bụng gần A nhất, AB = 14 cm, gọi C là một điểm trong khoảng AB có biên độ bằng một nửa biên độ của B. Khoảng cách AC là: A. B. 7 C. 3,5. D. 1,75. Xét điểm C cách A với CA = d. Biên độ của sóng dừng tại C: 2 2 sin c. Để ac = a (bằng nửa biên độ của B là bụng sóng): Điểm C gần A nhất ứng với 56 14 0. Ví dụ 17: Một sợi dây AB đàn hồi căng ngang dài l = 120cm, hai đầu cố định đang có sóng dừng ổn định. Bề rộng của bụng sóng là 4a. Khoảng cách gần nhất giữa hai điểm dao động cùng pha có cùng biên độ bằng a là 20 cm. Số bụng sóng trên AB là A. 10 B. 4 C. 8 D. 6. Bề rộng của bụng là 4a thì biên độ của một điểm trên dây khi có sóng dừng 2 = 2 cos d A a π. Trong đó d là khoảng cách từ một điểm trên dây đến điểm bụng gần nó nhất. Các điểm có cùng biên độ và cùng pha sẽ đối xứng với nhau qua điểm bụng. Mà khoảng cách gần nhất giữa hai điểm dao động cùng pha cùng biên độ a là 20 cm nên khoảng cách từ một điểm đến bụng là 10 cm.
Ví dụ 18: Một sợi dây sắt, mảnh, dài 120 cm căng ngang, có hai đầu cố định. Ớ phía trên, gần sợi dây có một nam châm điện được nuôi bằng nguồn điện xoay chiều có tần số 50 Hz. Trên dây xuất hiện sóng dừng với 2 bụng sóng. Tốc độ truyền sóng trên dây là A. 120 m/s. B. 60 m/s. C. 180 m/s. D. 24.0 m/s. Vì 1 chu kì dòng điện đổi chiều 2 lần nên nam châm hút dây 2 lần, do đó tần số sóng dừng trên dây là. Ví dụ 19: Một sợi dây đàn hồi dài 30 cm có hai đầu cố định. Trên dây đang có sóng dừng. Biết sóng truyền trên dây với bước sóng 20 cm và biên độ dao động của điểm bụng là 2 cm. Số điểm trên dây mà phần tử tại đó dao động với biên độ 6 mm là A. 8 B. 6 C. 3 D. 4. Khi có sóng dừng, số bó sóng trên dây. Trên mỗi bó có 2 điểm dao động với biên độ 6mm. Suy ra số điểm trên dây mà phần tử tại đó dao động với biên độ 6 mm là 2.3 = 6 điểm. Đáp án B.

Source: https://thcsbevandan.edu.vn
Category : Phương pháp học tập