Vật lí 12 - Bài tập về sóng dừng

Nội dung text: Vật lí 12 - Bài tập về sóng dừng

1. BÀI TẬP VỀ SÓNG DỪNG Bài 1: Trên một sợi dây đàn hồi AB dài 25cm đang có sóng dừng, người ta thấy có 6 điểm nút kể cả hai đầu A và B. Hỏi có bao nhiêu điểm trên dây dao động cùng biên độ, cùng pha với điểm M cách A 1cm? A. 10 điểm B. 9 C. 6 điểm D. 5 điểm A M B Giải   l = k > 25 = 5 >  = 10 cm 2 2 Biểu thức của sóng tại A là uA = acost Xét điểm M trên AB: AM = d ( 1≤ d ≤25) Biểu thức sóng tổng hợi tại M 2 d uM = 2asin cos(t + ).  2 2 d 2 .1 Khi d = 1cm: biên độ aM = 2asin = 2asin = 2asin  10 5 Các điểm dao độngs cùng biên độ và cùng pha với M 2 d sin = sin  5 2 d > = + 2kπ > d1 = 1 + 10k1 1≤ d1 = 1 + 10k1 ≤ 25 > 0 ≤ k1 ≤2: có 3 điểm  5 2 d 4 = + 2kπ > d2 = 4 + 10k2 1≤ d1 = 4 + 10k2 ≤ 25 > 0 ≤ k2 ≤2: có 3 điểm  5 Như vậy ngoài điểm M còn 5 điểm dao động cùng biên độ, cùng pha với điểm M. Chọn đáp án D Để tìm biểu thức sóng tổng hợp tại M ta làm như sau. Biểu thức của sóng tại A là uA = acost Biểu thức sóng truyền từ A tới B 2 l  uB = acos(t - ) = acos(t - kπ).vì l = k  2 Sóng phản xạ tại B uBpx = - acos(t - kπ). 2 d Sóng từ A, B truyền tới M uAM = acos(t - )  2 (l d) 2 d 2 d uBM = - acos[t – kπ - ] = - acos(t – 2kπ + ) = - acos(t + )    2 d 2 d 2 d 2 d uM = uAM + uBM = acos(t - ) - acos(t + ) = -2asint sin = 2asin cos(t + )     2 2 d uM = 2asin cos(t + ).  2 Có thể giả nhanh theo cách sau: Theo bài ra ta thấy sóng dừng có 5 bó sóng. Các điểm trên sợi dây thuộc cùng một bó sóng dao động cùng pha với nhau, Các điểm trên sợi dây thuộc hai bó sóng liền kê dao động ngược pha với nhau, Ở mỗi bó sóng có hai điểm (không phải là bụng sóng) đối xứng nhau qua bụng sóng có cùng biên độ
2. Điểm M cách A 1cm d = ( + k). Với  = 4AB = 56cm. Điểm C gần A nhất ứng với k = 0 12 d = AC = /12 = 56/12 = 14/3 cm. Chọn đáp án A Bài 3: Một sợi dây đàn hồi căng ngang, đang có sóng dừng ổn định. Trên dây, A là một điểm nút, B là điểm bụng gần A nhất với AB = 18 cm, M là một điểm trên dây cách B một khoảng 12 cm. Biết rằng trong một chu kỳ sóng, khoảng thời gian mà độ lớn vận tốc dao động của phần tử B nhỏ hơn vận tốc cực đại của phần tử M là 0,1s. Tốc độ truyền sóng trên dây là: A. 3,2 m/s. B. 5,6 m/s. C. 4,8 m/s. D. 2,4 m/s.  Giải: AB = = 18cm >  = 72 cm 4 Biểu thức của sóng dừng tại điểm M cách nút A AM = d 2 d uM = 2acos( )cos(t - k - )  2 2  Khi AM = d = 6 2  uM = 2acos( )cos(t - k - ) = 2acos( )cos(t - k - ) 6 2 2 3 2 2 uM = - 2asin( )cos(t - k - ) 3 2 3 vM = 2a sin(t - k - ) > vM = a 3 sin(t - k - ) > 2 2 2 vMmax = a 3 uB = 2acos(t - k - ) > vB = -2asin(t - k - ) > 2 2 2asin(t - k - ) sin(t - k - ) < 3 /2 2 2
3. cos(t - k )  Tốc độ truyền sóng v = = 72/0,3 = 240cm/s = 2,4m/s T Chọn đáp án D Bài 4: 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 uA= acos100 t. 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 1m. Giá trị của b và tốc truyền sóng trên sợi dây lần lượt là: A. a2 ; v = 200m/s. B. a3 ; v =150m/s. C. a; v = 300m/s. D. a2 ; v =100m/s. Giải: Các điểm dao động với biên độ b 0 và b 2a (tức là không phải là điểm nút và điểm bụng) cách đều nhau thì khoảng cách giữa hai điểm bằng /4 = 1m > = 4m. Do đó v = f = 4.50 = 200 (m/s) 2a 2 Theo hình vẽ ta thấy b = = a 2 2 (Biên độ của bụng sóng là 2a) Chọn đáp án A Bài 5 . Sóng dừng xuất hiện trên sợi dây với tần số f=5Hz. Gọi thứ tự các điểm thuộc dây lần lượt là O,M,N,P sao cho O là điểm nút, P là điểm bụng sóng gần O nhất (M,N thuộc đoạn OP) . Khoảng thời gian giữa 2 lần liên tiếp để giá trị li độ của điểm P bằng biên độ dao động của điểm M,N lần lượt là 1/20 và 1/15s. Biết khoảng cách giữa 2 điểm M,N là 0.2cm Bước sóng trên sợi dây là: A. 5.6cm B. 4.8 cm C. 1.2cm D. 2.4cm Giải: Chu kì của dao động T = 1/f = 0,2(s) Theo bài ra ta có 1 1 tM’M = (s) = T 20 4 1 1 tN’N = (s) = T 15 3 P’ N’ M’ O M N P 1 1 1 1 1 > tMN = ( - )T = T = 2 3 4 24 120 vận tốc truyền sóng v = MN/tMN = 24cm/s Do đó  = v.T = 4,8 cm. Chọn đáp án B Chú ý : Thời gian khi li độ của P bằng biên độ của M, N đi từ M,N đến biên rồi quay lai thì tMM > tNN mà bài ra cho tMM < tNN
4. Câu 6 Trên 1 dây có sóng dừng,bề rộng của bụng sóng là 4a thì khoảng cách gần nhất dao động với biên độ bằng a là bao nhiêu (lamda) ? Giải: Khoảng cách giữa hai điểm liền kề có biên độ a có thể là 2BM hoặc 2MN N M N M B M’ B Phương trình sóng dừng tại M cách nút N một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t )  2 2 2 d 2 d 1 AM = 2a cos( + ) = a > cos( + ) =  2  2 2 2 d 1 1 k > + = ± + k > d = (± - + )  2 3 3 2 2 1 1 2 n1   > d1 = (- - + ) >d1 = + n1 3 2 2 6 2 1 1 1 n2   > d2 = ( - + ) >d2 = + n2 3 2 2 3 2   d1min = NM = > 2MN = 6 3     d2min = NM’ = NM + 2 MB = > MM’.= 2MB = - = 3 3 6 6  Do đó khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động với biên độ a là MM’ = ; hai điểm này 6 thuộc cùng một bó sóng Giải thích Để tìm các điểm M dao động với biên độ a ta giải phương trình: 2 d 2 d 1 AM = 2a cos( + ) = a > cos( + ) =  2  2 2 để tìm các giá trị của d = NM hoặc d = NM’. 2 d 1 1 k > + = ± + k > d = (± - + )  2 3 3 2 2 Phương trình trên có hai họ nghiệm. Ta tìm các nghiệm dương nhỏ nhất d1min và d2min bằng cách tìm giá tri k nhỏ nhất. Với d1min thì k = 2 nên thay k = 2 + n1; với d2min thì k = 1 > k = 1 + n2 với n1, n2 là các số nguyên dương hoặc bằng 0 1 1 2 n1   > d1 = (- - + ) >d1 = + n1 3 2 2 6 2 1 1 1 n2   > d2 = ( - + ) >d2 = + n2 3 2 2 3 2 Câu 7: Trên một sợi dây căng ngang đang có sóng dừng. Xét 3 điểm A, B, C với B là trung điểm của đoạn AC. Biết điểm bụng A cách điểm nút C gần nhất 10 cm. Khoảng thời gian ngắn nhất là giữa hai lần liên tiếp để điểm A có li độ bằng biên độ dao động của điểm B là 0,2 s. Tốc độ truyền sóng trên dây là: A. 0,5 m/s. B. 0,4 m/s. C. 0,6 m/s. D. 1,0 m/s.
5. Giải: A B C N Ta có bước sóng  = 4 AC = 40 cm a 2 2a M Phương trình sóng dừng tại B cách nút C B một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t )  2 2 d = CB = 5 cm. biên độ sóng tại B 2 d 10 3 AB = 2a cos( + ) = 2acos( + ) = 2a cos( ) = a2  2 40 2 4 Khoảng thời gian ngắn nhất để hai lần liên tiếp điểm A có li độ bằng a2 là T/4 T/4 = 0,2 (s) > T = 0,8 (s) Do đó tốc độ truyền sóng trên dây v = /T = 40./0,8 = 50 cm/s = 0,5 m/s. Đáp án A Câu 8.:tạo sóng dưng trên một sợi dây có đầu B cố định,nguồn sóng dao động có pt: x = 2cos(ωt+φ)cm.bước sóng trên dây là 30cm.gọi M là 1 điểm trên sợi dây dao động với biên độ 2cm.hãy xác định khoảng cách BM nhỏ nhất: A 3,75cm B:15cm C:,2,5cm D:12,5cm M B C Phương trình sóng dừng tại M cách nút B một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t ) với a = 2 cm, BM = d  2 2 Biên độ dao động tại M 2 d 2 d 1 aM = 2a cos( ) = a >cos( ) = ±  2  2 2 > Phương trình có 4 họ nghiêm với k1,2,3,4 = 0, 1, 2, 3, 2 d 7 5 = ± + 2k > d1 = ( + k1) ; và d2 = ( + k2) ;  2 6 12 12 2 d 5 11 1 = ± + 2k >d3 = ( + k3) ; và d4 = ( + k4) ;  2 6 12 12 1 30 d = dmin =  = = 2,5 cm. Chọn đáp án C 12 12 Câu 9: Một sợi dây căng giữa hai điểm cố định cách nhau 75cm. Người ta tạo sóng dừng trên dây. Hai tần số gần nhau nhất cùng tạo ra sóng dừng trên dây là 150Hz và 200Hz. Vận tốc truyền sóng trên dây đó bằng: A. 75m/s B. 300m/s C. 225m/s D. 5m/s Giải: Điều kiện để có sóng dừng trên dây hai đầu cố định  v l = n vơi n là số bó sóng. = 2 f Hai tần số gần nhau nhất cùng tạo ra sóng dừng trên dây thì số bó sóng hơn kém nhau n2 – n1 = 1
6.  v l = n = n > nv = 2lf = 1,5f 2 2 f n1 v = 1,5f1 ; n2v = 1,5f2 (n2 – n1)v = 1,5(f2 – f1) > v = 1,5.50 = 75 m/s đáp án A Câu 10: Một sợi dây đàn hồi dài 1,2 m được treo lơ lửng lên một cần rung. Cần rung tạo dao động điều hòa theo phương ngang với tần số thay đổi được từ 100 Hz đến 125 Hz. Tốc độ truyền sóng trên dây là 8 m/s. Trong quá trình thay đổi tần số rung của cần, có thể tạo ra được bao nhiêu lần sóng dừng trên dây? A. 8 lần. B. 7 lần. C. 15 lần. D. 14 lần. Giải: Do đầu dưới tự do nên sóng dừng trên dây một dầu nút một dầu bụng  v v > l = (2k + 1) = (2k + 1) > f = (2k + 1) 4 4 f 4l v 100 ≤ (2k + 1) ≤ 125 > 29,5 ≤ k ≤ 37 > 30 ≤ k ≤ 37 : 4l có 8 giá trị của k. 8 lần. Đáp án A Câu 11: sóng dưng trên sơi dây OB=120cm ,2 đầu cố định.ta thấy trên dây có 4 bó và biên độ dao động của bụng là 1cm.tính biên độ dao động tại điểm M cách O là 65 cm. A:0cm B:0,5cm C:1cm D:0,3cm M B Giải: O OB Bước sóng  = = 60 cm 2 Phương trình sóng dừng tại M cách nút O một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t ) với a = 0,5 cm, OM = d = 65 cm  2 2 Biên độ dao động tại M 2 d 2 .65 aM = 2a cos( ) = cos( ) = cos( ) = 0,5 cm  2 60 2 6 2 Câu 12.:tạo sóng dưng trên một sợi dây có đầu B cố định,nguồng sóng dao động có pt: X=2cos(ωt+φ)cm.bước sóng trên dây là 30cm.gọi M là 1 điểm trên sợi dây dao động với biên độ S=2cm.hãy xác định khoảng cách BM nhỏ nhất: A 3,75cm B:15cm C:,2,5cm D:12,5cm M B C Phương trình sóng dừng tại M cách nút B một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t ) với a = 2 cm, BM = d  2 2 Biên độ dao động tại M 2 d 2 d 1 aM = 2a cos( ) = a >cos( ) = ±  2  2 2 > Phương trình có 4 họ nghiêm với k1,2,3,4 = 0, 1, 2, 3, 2 d 7 5 = ± + 2k > d1 = ( + k1) ; và d2 = ( + k2) ;  2 6 12 12 2 d 5 11 1 = ± + 2k >d3 = ( + k3) ; và d4 = ( + k4) ;  2 6 12 12
7. 1 30 d = dmin =  = = 2,5 cm. Đáp án C 12 12 Câu 13: Một sợi dây căng giữa hai điểm cố định cách nhau 80cm. Hai sóng có tần số gần nhau liên tiếp cùng tạo ra sóng dừng trên dây là f1=70 Hz và f2=84 Hz. Tìm tốc độ truyền sóng trên dây. Biết tốc độ truyền sóng trên dây không đổi. A 11,2m/s B 22,4m/s C 26,9m/s D 18,7m/s Giải: Điều kiện để có sóng dừng trên dây hai đầu cố định  v  v l = n vơi n là số bó sóng.;  = > l = n = n > nv = 2lf = 2.0,8f = 1,6f 2 f 2 2 f Hai tần số gần nhau nhất cùng tạo ra sóng dừng trên dây thì số bó sóng hơn kém nhau 1: n2 – n1 = 1 n1 v = 1,6f1 ; n2v = 1,6f2 (n2 – n1)v = 1,6(f2 – f1) > v = 1,6(f2 – f1) > v = 1,6.14 = 22,4 m/s. Chọn nđáp án C Câu 14. Một sợi dây đàn hồi căng ngang, đang có sóng dừng ổn định. Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp sợi dây duỗi thẳng là 0,1s tốc độ truyền sóng trên dây là 3m/s Khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên sợi dây dao động cùng pha và có biên độ dao động bằng một nửa biên độ của bụng sóng là: A. 20cm B. 30cm C. 10cm D. 8 cm Giải N M B M’ T = 2.0,1 = 0,2s Bước sóng  = v.T = 0,6m = 60cm Các điểm trong cùng một bó sóng dao động cùng pha Phương trình sóng dừng tại M cách nút N một khoảng d 2 d u 2a cos( )cos(t )  2 2 2 d 2 d 1 AM = 2a cos( + ) = a > cos( + ) =  2  2 2 2 d 1 1 k > + = ± + k > d = (± - + )  2 3 6 4 2 1 1 k 1 1 1  > d1 = (- - + ) >d1min = (- - + ) > d1min = 6 4 2 6 4 2 12 1 1 k 1 1 1 5 > d2 = ( - + ) >d2min = ( - + ) > d2min = 6 4 2 6 4 2 12 5   MM’ = d2min - d1min = - = = 20 cm . Chọn đáp án A 12 12 3 Câu 15: 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. 4. B. 8. C. 6. D. 10.  Giải: Gọi bước sóng là  . AB = l = k ( k = 1, 2, 3 ) 2 M A B Biểu thức của sóng tại A là uA = acost Biểu thức sóng truyền từ A tới B
8. 2 l uB = acos(t - ) = acos(t - kπ).  Sóng phản xạ tại B uBpx = - acos(t - kπ). Xét điểm M trên AB: AM = d ( 0 sin = >   2 2 d 1 = 2k > d1 = ( k ): (k = 0, 1, 2 )  6 12 2 d 5 5 = 2k > d2 = ( k ) (k = 0, 1, 2, )  6 12 Các điểm M dao động có biên đọ bằng a và cùng pha, cách A lần lượt là:  5 13 17 ; ; ; ; 12 12 12 12 5   Khảng cách gần nhất giữa hai điểm dao động có biên đọ bằng a và cùng pha là - = 12 12 3  Do đó = 20 cm >  = 60cm 3  2l 240 l = k > k = 4 . Số bụng sóng k = 4. Chọn đáp án A 2  60