MỞ ĐẦU “Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thơng” nhiệm vụ quan trọng thiếu người Giáo viên q trình dạy học mơn Vật lí THPT Đặc biệt, năm gần đây, chương trình sách giáo khoa biên soạn lại đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi giáo dục toàn diện theo chủ trương ngành giáo dục nước nhà Vì việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách trình bày nội dung kiến thức sách giáo khoa Vật lí cần thiết, đặc biệt học viên cao học thuộc chuyên ngành LL & PPDH Vật lý Đây nhiệm vụ học phần “ Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thơng” Để giảng dạy tốt mơn Vật lí trường phổ thơng người giáo viên ngồi lịng đam mê nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc kiến thức môn học.Người giáo viên phải hiểu sâu kiến thức ý đồ SGK tổ chức hoạt động dạy học có hiệu kích thích hứng thú học sinh lựa chọn phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng môn học Trong tiểu luận đề cập đến nội dung chương trình hai chương đồng thời cung cấp phương hướng giảng dạy cho giáo viên CHƯƠNG SÓNG CƠ I Khái niệm Khái niệm 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, mơi trường truyền sóng, hiệu ứng Doppler Khái niệm đại lượng vật lí: chu kì, tần số, tốc độ sóng, bước sóng, phương trình sóng, lượng sóng, độ cao, độ to, âm sắc Sóng nhiễu loạn tuần hồn lan truyền môi trường không gian Dạng sóng hình ảnh nhiễu loạn, dạng sóng minh họa đồ thị biểu diễn đại lượng nhiễu loạn thời điểm theo khoảng cách Trong sóng mà Vật lí học biết có sóng điện từ truyền chân khơng Các sóng khác lan truyền mơi trường vật chất, trình phần tử vật chất khơng dịch chuyển theo sóng 1.1 Khái niệm sóng Khi phần tử mơi trường vật chất thực dao động tương tác, dao động truyền sang phần tử khác truyền khắp mơi trường tạo thành sóng Như vậy, sóng như: sóng nước khối nước, từ đại dương mênh mông rạch nhỏ; sóng âm khơng khí nước; sóng truyền dây cao su hay lị xo; sóng địa chấn vỏ Trái đất, trongvỏmantivàlõi… gọi sóng Điểm đặc trưng chủ yếu loại sóng học chúng bị chi phối định luật Newton, loại sóng học cần có mơi trường vật chất để tồn lan truyền 1.2 Khái niệm sóng ngang sóng dọc Trong loại sóng khả dĩ, sóng truyền theo dây kéo căng có lẽ sóng đơn giản Nếu tay truyền cho đầu sợi dây bị kéo căng giật mạnh lên, xuống (minh họa hình 2.1.3), xung dọc theo dây từ phần tử sang phần tử khác Xung giống sóng, dạng xung đơn, dọc theo dây vớivậntốc Nếu chuyển động tay lên, xuống, theo chuyển động điều hịa đơn, sóng hình sin kéo dài theo sợi dây vớivậntốc Hình 2.1.3 Giả sử hình 2.1.4 hình dạng lí tưởng sợi dây, khơng có lực ma sát làm cho sóng giảm dần, chuyển động dọc theo dây Giả sử thêm chiều dài dây đáng kể để sóng phản xạ khơng ảnh hưởng đến sóng tới Khi nghiên cứu sóng hình 2d quan sát hình dạng sóng chuyển Hình 2.1.4 động sang phải Một cách tương ứng, quan sát chuyển động phần tử xác định m sợi dây có độ dài dx khối lượngtươngứngdmkhiphầntử dao động lên, xuống lúc sóng qua Độ dịch chuyển phần tử dây dao động, theo phương vng góc với phương truyền sóng Sóng gọi sóng ngang Từ phân tích hiểu: Sóng ngang sóng mà phương dao động phần tử mơi trường vng góc với phương truyền sóng Ví dụ: sóng truyền sợi dây dài ta rung nhẹ đầu theo phương vng góc với sợi dây (hình 2.1.3) Sóng ngang xuất mơi trường có tính đàn hồi hình dạng.Nói cách khác, mơi trường xuất lực đàn hồi có biến dạng lệch truyền sóng ngang, ví dụ mặt chất lỏng, chất rắn.Mặt nước truyền dao động nhờ lực căng bề mặt.Hợp lực lực căng bề mặt trọng lực có tác dụng lực đàn hồi vậy, sóng mặt nước sóng ngang Cịn loại sóng học mà dịch chuyển phần tử mơi trường cókhốilượngdmlàtiến, lùi, song songvớiphươngtruyền sóng, gọi sóng dọc Vậy hiểu: Sóng dọc sóng mà phương dao động phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng Mơi trường xuất lực đàn hồi có biến dạngnén – dãnthìtruyềnđược sóng dọc.Nói cách khác sóng dọc xuất mơi trường chịu biến dạng thể tích Do đó, sóng dọc truyền vật rắn môi trường lỏng khí Ví dụ: Khi nén lị xo bng tay ra, lị xo xuất đoạn lị xo bị nén lại đoạn Hình 2.1.5 lò xo dãn Sự nén dãn đoạn lò xo truyền dọc theo lò xo tạo nên sóng dọc 1.3 Mơi trường truyền sóng Mơi trường gọi đồng tính tính chất vật lí liên quan đến tốn mà ta xét điểm Mơi trường gọi đẳng hướng tính chất vật lí liên quan đến tốn mà ta xét theo hướng Một mơi trường đồng tính (hay đẳng hướng) với tính chất vật lí lại khơng đồng tính (hay đẳng hướng) với tính chất vật lí khác Ví dụ: đơn tinh thể đồng phương diện đàn hồi lại không đồng tính quang học tia Rơnghen Các chất kết tinh thuộc hệ lập phương đẳng hướng phương diện quang học, lại không đẳng hướng (dị hướng: phụ thuộc tính chất vật lí môi trường theo phương không gian) tính chất đàn hồi Các chất lỏng chất khí đẳng hướng với tính chất vật lí khơng có trường ngồi Mơi trường gọi tuyến tính có tỉ lệ thuận đại lượng đặc trưng cho tác dụng bên ngồi lên mơi trường đại lượng đặc trưng cho thay đổi trạng thái môi trường II Những đặc trưng sóng 2.1 Chu kì Định nghĩa Chu kì T sóng khoảng thời gian sau chuyển động phần tử sợi dây dao động (tại vị trí định trước nào) bắt đầu tự lập lại Trong hệ SI, đơn vị chu kì giây (s) Biểu thức Chu kì sóng xác định cơng thức: Chứng minh cơng thức tính chu kì Dựa vào hình ta viết biểuthứcchochođộdờicủa phần tử m sợi dây vịtrí , vàothờiđiểm t: Trong đó:   làbiênđộcủasóng, chữ vếphảiđể cực đại, biên độ độ lớn độ dời lớn phần tử m theo phương làsốsóng góc sóng: số lầnbướcsóng chứatrongmộtkhoảngchiềudài trênphươngtruyềnsóng ( ), cóđơnvị hệ SI radian mét  làtầnsố góc sóng, có đơn vị hệ SI radian trêngiây, hay Trên hình 5, vị trí cố định đượclấytại Nếu điều khiển sợi dây vị trí này, thấy chuyển động phần tử đơn độc sợi dây chuyển động lên, xuống cho biểu thức (2) Dựa vào định nghĩa chu kì áp dụng phương trình (2) cho đầu khoảng thời gian này, cân kết quả, ta được: Điều có thểđúngnếu: Từđâysuyra: hay Trong hệ SI, chu kì cóđơnvị giây 2.2 Tần số Định nghĩa Tầnsố số chu kì đơn vị thời gian, thực phần tử cho sợi dây, sóng qua Biểuthức Trong hệ SI, đơn vị tần số Héc: héc ( động/s ) = dao 2.3 Tốc độ truyền sóng (tốc độ sóng) Hình 2.2.2 mơ tả sóng tạithờiđiểm vàtạithờiđiểm Sóng truyềntheophương tăng, tồnbộ hình sóng truyền đượcmộtkhoảng theophươngđótrongkhoảngthờigian Biểu thức tốc độ sóng Ở hình 2.2.2, xét tập trung vào phần tử đặc biệt A điểm có độ dời cực đại Theo phương trình (1), độ dời u xác định, cách gán giá trị định cho đạilượng ( ) ,đạilượng gọi pha sóng Hình 2.2.2 Đặt: hằngsố (3) Theo phương trình (3), t tăng thìvịtrí củaphầntử A chuyển độngvềphía tăng (sang bên phải) Như thân sóng chuyển độngvềphía tăng Để tìm tốcđộsóng ta lấyđạo hàm phương trình (3), ta (4) Kết (4) dương, khơng đổi nghiệm sóng lan truyềntheochiều tăng, tức sóng lan truyền sang bên phải (hình 6) với tốc độ khơng đổi Vậy từ (4), biểu thức cho tốc độ sóng viết: (5) Phương trình (5) chứng tỏ sóng chuyển động bước sóng chu kì dao động Vậy định nghĩa tốc độ sóng sau: Tốc độ sóng quãng đường mà sóng truyền sau đơn vị thời gian III Giao thoa sóng 3.1 Hiện tượng giao thoa Dao động u1 M gây sóng từ nguồn O1, theo cơng thức (11’): (18) Tương tự, dao động u2 M gây sóng từ nguồn O2: Hình 2.5.3 (19) Vì hai dao động phương nên M có tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số Hiệu số pha hai sóng bằng: = hằngsố (20) Biên độ dao động tổng hợp M: (21) Để thấy rõ kết giao thoa M, khảo sát biến thiên biên độ tổng hợp A theo hiệu sốkhoảngcách Từ phương trình (21), ta thấy: , (với k số nguyên).Nhìn vào biểu thức đưa nhận xét: điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O1O2 số nguyên lần bước sóng dao động mạnh nhất: hai dao động truyền đến pha biên độ dao động cực đại, tức hai sóng tăng cường Tốn học cho biết quỹ tích điểm M làhọmặthypeboltrịnxoaycó hai tiêu điểm chung O1 O2 Nhữngđườnghypebolliềnnéttrên hình 11 biểu diễn giao tuyến điểm M với mặt phẳng hình vẽ Cũng từ phươngtrình (21) , Dựa vào biểu thức cho thấy điểm mà hiệu số khoảng cách từ M tới hai nguồn kết hợp O1O2 số lẻ lần nửa bước sóng dao động yếu nhất: hai dao động truyền đến ngược pha biên độ dao động cực tiểu, tức hai sóng làm yếu Tốn học cho biết quỹ tích điểm M làhọmặthypeboltrịnxoaycùng có hai tiêu điểm O O2.Giao tuyến chúng với mặt phẳng qua O1O2 biểu diễn bằngnhữngđườnghypebolđứtnéttrên hình 11, xen kẽ vớinhữngđườnghypebolliềnnétnói Tóm lại, biểu thức trên, cho k nhận cácgiátrị: thìsẽxácđịnh 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 đường thẳng đường trungtrựccủa O1O2 Hiện tượng hai sóng kết hợp, gặp điểm xácđịnh, luônluônhoặctăngcường nhau, làm yếu gọi giao thoa sóng Lưu ý: - Các kết với trường hợp pha ban đầu hai nguồn Nếu pha ban đầu hai nguồn khác tính tốn tương tự kết khác với kết - Hiện tượng giao thoa xảy sóng ngang sóng dọc 3.2 Điều kiện để có tượng giao thoa Từ kết việc khảo sát trên, ta nhận thấy để có tượng giao thoa xảy hai sóng giao phải xuất phát từ hai nguồn dao động phương, tần số hiệu số pha không đổi theo thời gian Hai sóng thỏa mãn điều kiện gọi hai sóng kết hợp.Khi xuất đường cong cố định mặt nước nối điểm có biên độ dao động cực đại cực tiểu gọi vân giao thoa Sóng dừng Sau ta xét trường hợp đặc biệt giao thoa sóng, sóng dừng hay cịn gọi sóng đứng  Khái niệm Sóng dừng sóng tạo thành chồng chập hai sóng hình sin kết hợp, truyền theo phương ngược chiều có phương dao động trùng (hoặc gần trùng) Nếu sóng truyền từ mơi trường có khối lượng riêng nhỏ tới phản xạ mơi trường có khối lượng riêng lớn hơn, chỗ phản xạ xuất nút Nếu sóng truyền từ mơi trường có khối lượng riêng lớn tới phản xạ môi trường có khối lượng riêng nhỏ chỗ phản xạ xuất bụng * Lưu ý: Trong q trình hình thành sóng dừng sóng tới sóng phản xạ liên tục truyền theo hai chiều ngược sóng tổng hợp chúng khơng truyền mà đứng (dừng) chỗ Vì mà sóng tổng hợp trường hợp gọi sóng đứng hay sóng dừng • - - Điều kiện: Sợi dây có đầu cố định (n= 1, 2, …) Sợi dây có đầu tự (m= 1, 2, …) IV Sóng âm 4.1 Khái niệm sóng âm Sóng âm định nghĩa cách khái quát sóng học qua chất khí, chất lỏng hay chất rắn Trong chất rắn sóng âm sóng ngang sóng dọc, lực đàn hồi xuất có biến dạng lệch, nén giãn Sóng âm sóng truyền mơi trường khí, lỏng, rắn 4.2 Các đặc tính sinh lí âm • Nhờ thính giác, người phân biệt ba đặc tính sinh lí âm: độ cao, âm sắc độ to 4.2.1 Độ cao âm Trong âm nhạc, nốt nhạc: do, re, mi, fa, sol, la, si, ứng với âm có độ cao tăng dần 4.2.2 Âm sắc Tai người phân biệt âm có độ cao (cùng tần số) phát nhạc cụ khác 4.2.3 Độ to âm Hai đại lượng dùng để đặc trưng cho độ mạnh âm cường độ âm độ to âm Cường độ âm đặc trưng cho độ mạnh âm phương diện vật lí, Độ to âm đặc trưng cho độ mạnh âm phương diện sinh lí V Hiệu ứng Doppler 5.1 Định nghĩa Hiệu ứng Doppler thay đổi tần số sóng nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu Ví dụ: giả sử có xe tơ chạy đường người quan sát đứng bên đường Khi xe chuyển động nhanh tới gần người quan sát người cảm nhận âm xe phát lên cao; xe chạy xa âm xe phát thấp âm xe phát đứng yên gần người quan sát - Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động - Nguồn âm chuyển động, máy thu đứng yên - - Khơng xảy với sóng âm mà cịn xảy sóng siêu âm có bước sóng ngắn, sóng vơ tuyến điện sóng ánh sáng Ứng dụng: Cảnh sát xác định tốc độ xe C KẾT LUẬN Qua nghiên cứu nội dung chương trình vật lí trung học phổ thơng với nghiên cứu sâu sắc chương dòng điện xoay chiều chúng tơi có cách nhìn khái qt, thống loại dao động, nắm kiến thức vật lí chương trình THPT đặc biệt hiểu rõ ý nghĩa vật lí kiến thức Nghiêncứunộichương trình vật lí phổ thơng giúp có cách tiếp cận kiến thức phổ thông, tổng kết khái quát chúng để từ có hướng dạy học phù hợp hỗ trợ học sinh học tập tự chủ, tích cực song hành với việc phát triển tư ... với sóng âm mà cịn xảy sóng siêu âm có bước sóng ngắn, sóng vơ tuyến điện sóng ánh sáng Ứng dụng: Cảnh sát xác định tốc độ xe C KẾT LUẬN Qua nghiên cứu nội dung chương trình vật lí trung học phổ. .. đến nội dung chương trình hai chương đồng thời cung cấp phương hướng giảng dạy cho giáo viên CHƯƠNG SÓNG CƠ I Khái niệm Khái niệm 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, mơi trường truyền sóng, hiệu ứng Doppler Khái niệm đại lượng vật lí: chu kì, tần số, tốc độ sóng, bước sóng, phương trình sóng,