Sự truyền sóng cơ

17/09/2016 04:20 CH | 404

 I. SÓNG CƠ VÀ DAO ĐỘNG CƠ

1. Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí). Sóng cơ không truyền được trong chân không.

Mời bạn xem đoạn video sau đây:

Giọt nước rơi xuống mặt nước tạo thành sóng

Và đoạn sau đây:

Giọt nước rơi xuống nước tạo thành sóng

Hai đoạn video trên cho thấy: Nếu trên mặt nước có một dao động điều hòa theo phương thẳng đứng được duy trì trong thời gian đủ lâu thì trên mặt nước sẽ có các gợn sóng tròn đồng tâm lan truyền. Tâm của các gợn sóng tròn này là nguồn dao động nói trên, khoảng cách (qua tâm) của hai gợn sóng liên tiếp được gọi là bước sóng  .

Hình vẽ sau đây minh họa rõ hơn về khái niệm bước sóng đối với sóng mặt nước

Trong hình vẽ này: P là một thanh kim loại đàn hồi tốt có đầu nhọn A chạm nhẹ vào mặt nước. Khi thanh P rung, đầu nhọn A liên tục chạm vào mặt nước tạo thành các gợn sóng tròn đồng tâm có tâm là đầu nhọn A. Bước sóng  là khoảng cách được đánh dấu màu đỏ trên hình.

2. Hai loại sóng cơ đơn giản là sóng ngang và sóng dọc

a) Sóng ngang là loại sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng.

  • Sóng ngang truyền được trên mặt chất lỏng và trong chất rắn.
  • Xét dơn giản, có thể xem sóng mặt nước là sóng ngang.

Một cách tạo ra sóng ngang được thực hiện như trong đoạn video sau:

Thí nghiệm tạo ra sóng ngang trên lò xo

Hiện tượng xảy ra tương tự khi ta thay lò xo bằng một sợi dây đàn hồi tốt.

b) Sóng dọc là loại sóng có phương dao động của các phần tử vật chất trùng với phương truyền sóng.

  • Sóng dọc truyền được trong các chất rắn, lỏng, khí.
  • Sóng truyền trên lò xo sau khi nén một số vòng của nó rồi buông là một trường hợp của sóng dọc.

Một cách tạo ra sóng dọc được thực hiện như trong đoạn video sau:

Sóng dọc

Hình vẽ sau đây minh họa sự khác nhau giữa hai loại sóng:

Trong chương trình Vật Lý 12, ta chỉ xét trường hợp đơn giản: Khi có sóng truyền qua, các phần tử vật chất dao động điều hòa theo phương vuông góc với phương truyền sóng (sóng ngang) hoặc theo phương trùng với phương truyền sóng (sóng dọc) nên sóng mặt nước thường được xem là sóng ngang.

Trong các nghiên cứu sâu hơn, người ta thấy điều này không hoàn toàn đúng.

Mới bạn xem đoạn video sau đây:

Sóng mặt nước (trong các nghiên cứu cấp cao)

Trong đoạn video này ta thấy: Một vật nổi nửa chìm chuyển động tròn khi sóng mặt nước truyền qua chứ không phải chỉ dao động theo phương thẳng đứng.

3. Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ

a) Biên độ sóng là biên độ dao động của các phần tử vật chất khi sóng truyền qua. Ta ký hiệu biên độ sóng là A.

b) Chu kỳ và tần số của sóng là chu kỳ và tần số dao động của các phần tử vật chất khi sóng truyền qua. Cũng giống như dao động cơ, chu kỳ sóng ký hiệu là T và tần số sóng là f. Ta cũng có:

c) Bước sóng:(Ký hiệu là  )

  • Bước sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng dao động cùng pha.
  • Bước sóng là quãng được sóng truyền được trong thời gian bằng một chu kỳ T của sóng.
  • Đối với sóng ngang, bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp.

d) Tốc độ sóng (ký hiệu là v) là tốc độ truyền pha dao động (Đối với sóng ngang, đó là tốc độ di chuyển của đỉnh sóng).

  • Trong môi trường đồng tính, tốc độ sóng không đổi.
  • Tốc độ truyền sóng cơ phụ thuộc vào tính chất của môi trường (bản chất, mật độ vật chất, tính đàn hồi, nhiệt độ). Nói chung tốc độ sóng trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng; tốc độ sóng trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: vrắn > vlỏng > vkhí .

e) Năng lượng sóng (Ký hiệu là W) là năng lượng dao động của các phần tử vật chất khi sóng truyền qua.

Như vậy:

  • Sóng là một quá trình tuần hoàn trong không gian theo thời gian.
  • Sóng là một quá trình truyền pha dao động và truyền năng lượng.

Chú ý rằng:

  • Sóng cơ không truyền được trong chân không.
  • Sóng cơ không làm lan truyền vật chất.
  • Khi sóng cơ truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số f (và do đó chu kỳ T) không đổi. Đây là một đặc điểm chung của mọi quá trình sóng.

4. Phương trình sóng

Trên phương Ox có một sóng cơ đang truyền đi liên tục. Trên phương này (gọi là phương truyền sóng) ta hãy xét ba điểm M, O, N theo thứ tự.

Ta thấy ngay là sóng đến M sớm hơn sóng đến O khoảng thời gian là   ; sóng đến N trễ hơn sóng đến O khoảng thời gian là ..

Giả sử phương trình dao động tại O là 

  • Phương trình dao động tại M là

Biến đổi ta được:

  • Phương trình dao động tại N là

 

Biến đổi ta được:

  • Một cách tổng quát, nếu x là tọa độ của một điểm M đang xét (chiều dương trên  trục Ox là chiều truyền sóng) (Đối với điểm M thì x = - MO ; đối với điểm N thì x = +ON) thì phương trình dao động điểm M là

  

Phương trình này đúng trong trường hợp phương trình dao động tại gốc tọa độ là  như đã giả sử. Nếu phương trình dao động tại gốc tọa độ O là  thì phương trình dao động tại điểm M có tọa độ x là

5. Độ lệch pha giữa hai điểm cách nhau đoạn d trên cùng phương truyền sóng

Từ phương trình sóng uM ở trên ta dễ dàng suy ra công thức tính độ lệch pha giữa hai điểm cách nhau đoạn d trên cùng phương truyền sóng là

Chú ý rằng trong công thức này vì d > 0 nên   > 0 .

Nhận xét:

  • Hai điểm trên cùng phương truyền sóng dao động cùng pha nếu  
  • Hai điểm trên cùng phương truyền sóng dao động ngược pha nếu   
  • Hai điểm trên cùng phương truyền sóng dao động vuông pha nếu 

 

Tài liệu Ôn tập Vật lý 12