Bài 9. Sóng ngang, sóng dọc, sự truyền năng lượng của sóng cơ

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Nêu được ví dụ chứng tỏ sóng truyền năng lượng.

• Sử dụng mô hình sóng giải thích được một số tính chất đơn giản của âm thanh và ánh sáng.

• Quan sát hình ảnh (hoặc tài liệu đa phương tiện) về chuyển động của phần tử môi trường, thảo luận để so sánh được sóng dọc và sóng ngang.

1. SÓNG NGANG VÀ SÓNG DỌC

1.1. Sóng ngang

Sóng ngang là sóng trong đó các phần tử môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng.

Ta có: $\text{phương dao động}\perp \text{phương truyền s}ó\mathrm{ng}$.

Ví dụ:

• Sóng truyền trên dây đàn hồi.

• Sóng truyền trên dây đàn.

• Trong mô hình đơn giản, sóng trên mặt nước được mô tả bằng dao động lên xuống của các phần tử nước trong khi sóng truyền theo phương ngang.

1.2. Sóng dọc

Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng.

Ta có: $\text{phương dao động}\parallel \text{phương truyền sóng}$.

Ví dụ:

• Sóng truyền dọc theo lò xo.

• Sóng âm truyền trong không khí.

• Sóng nén truyền trong chất rắn, chất lỏng và chất khí.

Trong sóng dọc:

• Vùng nén là vùng các phần tử môi trường ở gần nhau hơn bình thường.

• Vùng dãn là vùng các phần tử môi trường ở xa nhau hơn bình thường.

Bước sóng của sóng dọc bằng khoảng cách giữa hai vùng nén gần nhau nhất hoặc hai vùng dãn gần nhau nhất.

1.3. So sánh

Không được căn cứ vào hình dạng đường hình sin để kết luận loại sóng. Tiêu chí phân loại là mối quan hệ giữa phương dao động và phương truyền sóng.

2. SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA SÓNG

Nguồn sóng truyền năng lượng cho các phần tử môi trường ở gần nguồn. Nhờ lực liên kết, năng lượng được truyền tiếp đến các phần tử ở xa hơn.

Vì vậy:

Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng

Khi sóng truyền:

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

• Trạng thái dao động và năng lượng được truyền đi.

• Vật chất không chuyển động theo sóng trên một quãng đường lớn.

Một số ví dụ chứng tỏ sóng truyền năng lượng:

• Sóng nước làm phao dao động.

• Sóng biển tác dụng lực lên bờ.

• Sóng truyền trên dây làm các điểm ở xa nguồn dao động.

• Sóng âm làm màng nhĩ dao động.

3. MÔ HÌNH TRUYỀN ÂM TRONG KHÔNG KHÍ

Nguồn âm là một vật dao động phát ra âm, chẳng hạn màng loa, âm thoa, dây đàn hoặc mặt trống.

Khi màng loa dao động:

• Màng loa chuyển động ra phía trước, ép lớp không khí trước mặt và tạo vùng nén.

• Màng loa chuyển động về phía sau, tạo vùng dãn.

• Các vùng nén và dãn liên tiếp lan truyền ra xa nguồn.

Các phần tử không khí dao động theo phương truyền âm nên sóng âm trong không khí là sóng dọc.

Khi sóng âm đến tai, sự biến thiên áp suất không khí làm màng nhĩ dao động và tạo ra cảm giác âm.

4. BIÊN ĐỘ, TẦN SỐ VÀ CẢM GIÁC ÂM

Trong cùng điều kiện:

• Biên độ sóng âm càng lớn thì âm thường nghe càng to.

• Tần số âm càng lớn thì âm nghe càng cao.

• Tần số âm càng nhỏ thì âm nghe càng thấp.

Độ to và độ cao là hai đặc trưng khác nhau:

Theo phạm vi được nêu trong SGK, âm nghe được có tần số khoảng từ $16\text{\hspace{0.17em}Hz}$ đến $20000\text{\hspace{0.17em}Hz}$.

5. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

1. Vì sao sóng ngang và sóng dọc đều truyền được năng lượng?

Ở cả hai loại sóng, các phần tử môi trường đều có liên kết với nhau. Khi một phần tử dao động, nó tác dụng lên phần tử bên cạnh và truyền năng lượng cho phần tử đó.

Sự khác nhau chỉ nằm ở phương dao động của các phần tử so với phương truyền sóng.

2. Vì sao sóng truyền đi nhưng vật chất không đi theo?

Mỗi phần tử môi trường chỉ dao động trong một vùng nhỏ quanh vị trí cân bằng. Khi phần tử này dao động, nó truyền trạng thái dao động cho phần tử kế tiếp.

Do đó, dạng sóng và năng lượng lan truyền ra xa nhưng các phần tử vật chất không chuyển động cùng với sóng trên một quãng đường lớn.

3. Vì sao sóng âm trong không khí là sóng dọc?

Các phần tử không khí dao động qua lại theo cùng phương với sự lan truyền của các vùng nén – dãn. Vì phương dao động trùng với phương truyền âm nên sóng âm trong không khí là sóng dọc.

4. Vì sao tăng biên độ không làm âm cao hơn?

Biên độ cho biết mức độ mạnh yếu của dao động, còn độ cao của âm do tần số quyết định.

Tăng biên độ làm âm thường to hơn nhưng không làm thay đổi tần số, nên không nhất thiết làm âm cao hơn.

5. Vì sao tăng tần số không nhất thiết làm âm to hơn?

Tần số cho biết nguồn dao động nhanh hay chậm; biên độ cho biết nguồn dao động mạnh hay yếu.

Nguồn có thể dao động nhanh hơn nhưng không mạnh hơn. Vì vậy, tần số tăng làm âm cao hơn nhưng không nhất thiết làm âm to hơn.