Vật lý 11 · Sóng
Sóng cơ: sóng ngang, sóng dọc và các đại lượng đặc trưng
Sóng là sự lan truyền dao động; sóng ngang, sóng dọc; bước sóng, tần số, tốc độ truyền sóng, độ lệch pha, cường độ sóng và sóng điện từ.
Sóng là gì? Sóng ngang và sóng dọc
Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường vật chất. Khi sóng truyền đi, các phần tử môi trường chỉ dao động tại chỗ quanh VTCB, không bị cuốn theo sóng — thứ được truyền đi là năng lượng và trạng thái dao động.
| Sóng ngang | Sóng dọc | |
|---|---|---|
| Phương dao động | Vuông góc với phương truyền sóng | Trùng với phương truyền sóng |
| Hình ảnh | Các "đỉnh" và "hõm" (sóng trên dây, mặt nước) | Các vùng "nén" và "dãn" (sóng âm, lò xo) |
| Môi trường | Chủ yếu trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng | Rắn, lỏng và khí |
Các đại lượng đặc trưng của sóng
- Biên độ sóng \(A\): biên độ dao động của phần tử môi trường.
- Chu kì, tần số \(T, f\): bằng chu kì, tần số dao động của nguồn.
- Tốc độ truyền sóng \(v\): tốc độ lan truyền dao động, phụ thuộc môi trường.
- Bước sóng \(\lambda\): quãng đường sóng truyền được trong một chu kì; cũng là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng phương truyền dao động cùng pha (hai đỉnh sóng liên tiếp).
Độ lệch pha giữa hai điểm cách nhau \(d\) trên cùng một phương truyền sóng:
\[ \Delta\varphi = \frac{2\pi d}{\lambda} \]- Cùng pha: \(d = k\lambda\); ngược pha: \(d = (k+\frac{1}{2})\lambda\); vuông pha: \(d = (2k+1)\frac{\lambda}{4}\).
Phương trình sóng tại điểm cách nguồn \(x\) (nguồn \(u_O = A\cos\omega t\)):
\[ u = A\cos\left(\omega t - \frac{2\pi x}{\lambda}\right) \]Cường độ sóng
Cường độ sóng \(I\) là năng lượng sóng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền trong một đơn vị thời gian:
\[ I = \frac{E}{S\,\Delta t} = \frac{P}{S} \quad (\text{W/m}^2) \]Với nguồn điểm phát sóng đều theo mọi hướng: \(I = \frac{P}{4\pi r^2}\) — ra xa gấp đôi thì cường độ giảm 4 lần.
Sóng điện từ
Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian. Đó là sóng ngang: vectơ \(\vec E\) và \(\vec B\) dao động vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền.
- Truyền được cả trong chân không với tốc độ \(c = 3\cdot10^8\) m/s.
- Bước sóng: \(\lambda = \frac{c}{f}\).
| Loại | Bước sóng (gần đúng) | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Sóng vô tuyến | trên 1 mm | Phát thanh, truyền hình, điện thoại |
| Tia hồng ngoại | 760 nm – 1 mm | Điều khiển từ xa, sưởi, camera nhiệt |
| Ánh sáng nhìn thấy | 380 nm – 760 nm | Chiếu sáng, quang hợp |
| Tia tử ngoại | 10 nm – 380 nm | Diệt khuẩn, kiểm tra tiền giả |
| Tia X, tia gamma | dưới 10 nm | Chụp X-quang, xạ trị |
🔬 Mô phỏng tương tác
- Chọn Sóng ngang và theo dõi phần tử M (đỏ): nó chỉ dao động lên xuống tại chỗ – sóng truyền năng lượng và trạng thái dao động, không truyền vật chất.
- Bật Đánh dấu điểm cùng pha / ngược pha: N cách M một bước sóng luôn dao động giống hệt M, còn P cách M nửa bước sóng luôn ngược pha.
- Tăng Tần số f gấp đôi khi giữ Tốc độ truyền v: ô λ = v/f giảm một nửa, sóng “dày” hơn; tăng v thì λ dài ra.
- Chuyển Loại sóng sang Sóng dọc: các phần tử dao động dọc theo phương truyền sóng, tạo ra các vùng nén – dãn xen kẽ (như sóng âm).
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Một nguồn sóng trên mặt nước dao động với tần số 50 Hz, tốc độ truyền sóng 2 m/s. Tính bước sóng.
Xem lời giải
- \(\lambda = \frac{v}{f} = \frac{2}{50} = 0{,}04\) m = 4 cm.
✅ Đáp số: λ = 4 cm
Ví dụ 2. Sóng có bước sóng 40 cm. Hai điểm M, N trên cùng một phương truyền cách nhau 10 cm dao động lệch pha bao nhiêu?
Xem lời giải
- \(\Delta\varphi = \frac{2\pi d}{\lambda} = \frac{2\pi\cdot 10}{40} = \frac{\pi}{2}\) rad → M và N dao động vuông pha.
✅ Đáp số: Δφ = π/2 (vuông pha)
Ví dụ 3. Một người quan sát thấy chiếc phao trên mặt biển nhô lên 10 lần trong 18 s, khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp là 2 m. Tính tốc độ truyền sóng.
Xem lời giải
- 10 lần nhô lên ứng với 9 khoảng thời gian bằng chu kì: \(T = \frac{18}{9} = 2\) s.
- Hai đỉnh liên tiếp cách nhau một bước sóng: \(\lambda = 2\) m.
- \(v = \frac{\lambda}{T} = \frac{2}{2} = 1\) m/s.
✅ Đáp số: v = 1 m/s
⚠️ Lỗi thường gặp
- Nghĩ các phần tử môi trường di chuyển theo sóng — thực ra chúng chỉ dao động tại chỗ.
- Đếm "nhô lên n lần" rồi lấy T = t/n; đúng phải là T = t/(n − 1).
- Cho rằng tần số sóng thay đổi khi sóng đi từ môi trường này sang môi trường khác — tần số giữ nguyên, tốc độ và bước sóng thay đổi.
- Cho rằng sóng âm truyền được trong chân không như sóng điện từ.
- Nhầm khoảng cách giữa n đỉnh sóng liên tiếp là nλ; đúng là (n − 1)λ.