Bài 8. Mô tả sóng

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Từ đồ thị độ dịch chuyển – khoảng cách (tạo ra bằng thí nghiệm, hoặc hình vẽ cho trước), mô tả được sóng qua các khái niệm bước sóng, biên độ, tần số, tốc độ và cường độ sóng.

• Từ định nghĩa của vận tốc, tần số và bước sóng, rút ra được biểu thức $\text{v=λf}$.

• Vận dụng được biểu thức $\text{v=λf}$.

• Thực hiện thí nghiệm (hoặc sử dụng tài liệu đa phương tiện), thảo luận để nêu được mối liên hệ các đại lượng đặc trưng của sóng với các đại lượng đặc trưng cho dao động của phần tử môi trường.

1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ LAN TRUYỀN SÓNG

1.1. Sự hình thành sóng

Khi nguồn dao động tác dụng lên một môi trường đàn hồi, các phần tử môi trường ở gần nguồn dao động trước. Nhờ lực liên kết giữa các phần tử, trạng thái dao động được truyền lần lượt ra xa nguồn và tạo thành sóng.

Sóng cơ là những biến dạng cơ lan truyền trong một môi trường đàn hồi.

Để hình thành và truyền được sóng cơ cần có:

• Một nguồn dao động.

• Một môi trường gồm các phần tử có liên kết với nhau.

Sóng cơ không truyền được trong chân không vì chân không không có các phần tử vật chất để truyền dao động.

1.2. Bản chất của sự truyền sóng

Khi sóng truyền qua môi trường:

• Các phần tử môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng.

• Trạng thái dao động và năng lượng được truyền từ nơi này đến nơi khác.

• Các phần tử vật chất không chuyển động theo sóng trên một quãng đường lớn.

Ví dụ, một vật nhỏ nổi trên mặt nước chỉ dao động quanh vị trí ban đầu khi sóng truyền qua, không chuyển động ra xa cùng với ngọn sóng.

2. ĐỒ THỊ MÔ TẢ SÓNG

2.1. Đồ thị độ dịch chuyển – khoảng cách

Đồ thị $\mathrm{u-x}$ biểu diễn độ dịch chuyển $u$ của các phần tử môi trường theo vị trí $x$ tại một thời điểm xác định.

Trên đồ thị:

• Trục tung biểu diễn độ dịch chuyển $u$.

• Trục hoành biểu diễn vị trí $x$ trên phương truyền sóng.

• Điểm cao nhất của đường cong được gọi là ngọn sóng.

• Điểm thấp nhất của đường cong được gọi là lõm sóng.

• Khoảng cách lớn nhất từ đường cong đến vị trí cân bằng là biên độ sóng.

• Khoảng cách giữa hai ngọn sóng liên tiếp hoặc hai lõm sóng liên tiếp là một bước sóng.

Đường hình sin trên đồ thị $\mathrm{u-x}$ không phải là quỹ đạo chuyển động của một phần tử. Mỗi điểm trên đường cong biểu diễn một phần tử khác nhau tại cùng một thời điểm.

2.2. Phân biệt hai loại đồ thị

Từ đồ thị $\mathrm{u-x}$, ta xác định được biên độ $A$ và bước sóng $\lambda$.

Từ đồ thị $\mathrm{u-t}$, ta xác định được biên độ $A$, chu kì $T$ và tần số $f$.

3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG

3.1. Biên độ sóng

Biên độ sóng $A$ tại một điểm là độ lệch lớn nhất của phần tử môi trường tại điểm đó khỏi vị trí cân bằng.

Biên độ sóng tại một điểm bằng biên độ dao động của phần tử môi trường tại điểm đó.

Trong thực tế, biên độ sóng thường giảm khi sóng truyền ra xa nguồn do năng lượng bị phân tán và tiêu hao.

3.2. Chu kì và tần số sóng

Chu kì sóng $T$ là chu kì dao động của các phần tử môi trường khi sóng truyền qua.

Chu kì sóng bằng chu kì của nguồn: $T_{\text{sóng}}=T_{\text{nguồn}}$.

Tần số sóng $f$ là tần số dao động của các phần tử môi trường khi sóng truyền qua.

Tần số sóng bằng tần số của nguồn: $f_{só\mathrm{ng}}=f_{\mathrm{ngu}ồn}$.

Chu kì và tần số liên hệ bởi $\mathrm{f=}\frac{1}{T}$.

3.3. Bước sóng

Bước sóng $\lambda$ là khoảng cách giữa hai phần tử gần nhau nhất trên phương truyền sóng dao động cùng pha.

Bước sóng cũng là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kì: $\text{λ=vT}$.

Trên đồ thị $\mathrm{u-x}$:

• Hai ngọn sóng liên tiếp cách nhau $\lambda$.

• Hai lõm sóng liên tiếp cách nhau $\lambda$.

• Một ngọn sóng và lõm sóng gần nhất cách nhau $\frac{\lambda }{2}$.

• Một điểm có li độ bằng $0$ và ngọn hoặc lõm gần nhất cách nhau $\frac{\lambda }{4}$.

3.4. Tốc độ truyền sóng

Tốc độ truyền sóng $v$ là tốc độ lan truyền trạng thái dao động trong môi trường.

Nếu sóng truyền được quãng đường $s$ trong thời gian $t$, ta có $\mathrm{v=}\frac{s}{t}$.

Trong một chu kì, sóng truyền được một bước sóng nên $\mathrm{v=}\frac{\lambda }{T}$.

Vì $\mathrm{f=}\frac{1}{T}$, suy ra:

$$\text{v=λf}$$

Các dạng biến đổi thường dùng là $\mathrm{\lambda =}\frac{v}{f}\mathrm{=vT}$, $\mathrm{f=}\frac{v}{\lambda }$ và $\mathrm{T=}\frac{\lambda }{v}$.

Trong một môi trường xác định:

• Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào tính chất của môi trường.

• Tần số do nguồn sóng quyết định.

• Khi $v$ không đổi, tần số tăng thì bước sóng giảm.

3.5. Cường độ sóng

Cường độ sóng là năng lượng sóng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị của cường độ sóng là ${\mathrm{W/m}}^2$.

4. ĐỘ LỆCH PHA GIỮA HAI ĐIỂM

Xét hai điểm trên cùng phương truyền sóng, cách nhau một khoảng $d$. Độ lớn độ lệch pha giữa hai dao động là:

$$\mid \Delta \mathrm{\phi \mid =}\frac{2\mathrm{\pi d}}{\lambda }.$$

• Hai điểm cùng pha khi $\text{d=kλ}$.

• Hai điểm ngược pha khi $\mathrm{d=}\left(\text{2k+1}\right)\frac{\lambda }{2}$.

• Hai điểm vuông pha khi $\mathrm{d=}\left(\text{2k+1}\right)\frac{\lambda }{4}$.

Trong đó, $k$ là số nguyên.

Thời gian sóng truyền giữa hai điểm cách nhau $d$ là $\Delta \mathrm{t=}\frac{d}{v}$.

5. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

1. Sóng truyền đi nhưng phần tử môi trường không đi theo sóng

Một chiếc phao trên mặt nước dao động lên xuống khi sóng đi qua nhưng không chuyển động ra xa cùng với ngọn sóng.

Điều đó chứng tỏ:

• Phần tử môi trường dao động tại chỗ.

• Trạng thái dao động lan truyền ra xa.

• Năng lượng được truyền đi nhưng vật chất không chuyển dời theo sóng trên quãng đường lớn.

2. Bước sóng có ý nghĩa về cả không gian và thời gian

Về không gian:

• Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha.

Về thời gian:

• Bước sóng là quãng đường sóng truyền được trong một chu kì.

Hai ý nghĩa được liên hệ bởi:

$$\text{λ=vT}$$

3. Tần số và tốc độ truyền sóng do những yếu tố khác nhau quyết định

• Tần số $f$: do nguồn dao động quyết định.

• Tốc độ truyền sóng $v$: phụ thuộc vào môi trường truyền sóng.

• Bước sóng $\lambda$: được xác định bởi cả $v$ và $f$.