Bài 1: Mô tả sóng
Nội dung lý thuyết
I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG
Hằng ngày, chúng ta được thấy rất nhiều dạng thể hiện của sóng. Ở bờ biển, ta thấy các con sóng nhấp nhô truyền trên bề mặt nước và liên tiếp xô vào bờ. Khi biểu diễn, người nghệ sĩ gầy dây đàn ghita, dây đàn sẽ dao động và tạo ra một sóng lan truyền trong không khí mà ta gọi là âm thanh. Sóng nước, âm thanh, ánh sáng.... đều được gọi chung là sóng.
Để mô tả sóng, ta tưởng tượng một mô hình sóng lí tưởng, có độ dịch chuyển tức là li độ của các điểm sóng và các đại lượng đặc trưng của nó được biểu diễn như Hình 1.2.
1. Biên độ sóng
Khoảng cách từ một điểm sóng đến vị trí cân bằng của nó là li độ của điểm sóng đó so với vị trí cân bằng.
Độ dịch chuyển lớn nhất khỏi vị trí cân bằng của một điểm sóng được gọi là biên độ sóng, kí hiệu là A.
Đơn vị của biên độ sóng là mét (m). Biên độ của sóng càng lớn, sóng càng mạnh. Hiện tượng tương ứng có thể quan sát được khi sóng âm có biên độ lớn thì âm thanh phát ra càng to; khi sóng biển có biên độ lớn thì ngọn sóng càng cao, xô vào bờ càng mạnh.
2. Tần số và chu kì sóng
Thời gian thực hiện một dao động của một điêm sóng được gọi là chu kì sóng, kí hiệu là T. Đơn vị chu kì là giây (s).
Số dao động mà mỗi điểm sóng thực hiện trong một đơn vị thời gian được gọi là tần số sóng, kí hiệu là \(f\) và đơn vị là hertz (Hz).
1 kHz = 103 Hz
1 MHz = 106 Hz
Tần số \(f\) của một sóng liên hệ với chu kì sóng \(T\) theo công thức:
\(f=\dfrac{1}{T}\)
3. Bước sóng
Quãng đường mà sóng truyền đi trong một chu kì sóng được gọi là bước sóng và kí hiệu là \(\lambda\). Đơn vị của bước sóng là mét (m).
@8287538@
4. Tốc độ sóng
Tốc độ lan truyền năng lượng của sóng trong không gian được gọi là tốc độ của sóng và kí hiệu là \(v\). Đây cũng là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường.
Tốc độ này được đo bằng m/s.
Tốc độ của sóng âm trong không khí ở áp suất 105 Pa và nhiệt độ 0 °C xấp xỉ 340 m/s; trong khi đó tốc độ ánh sáng trong chân không có giá trị có 3.108 m/s.
Từ định nghĩa quãng đường \(\lambda\), chu kì \(T\), ta có thể rút ra công thức tỉnh tốc đó sóng :
\(v=f\lambda\)
5. Cường độ sóng
Cần chú ý là các điểm sóng không dịch chuyển theo chiều truyền sóng, chúng chỉ dao động xung quang một vị trí xác định. Khi một điểm sóng dao động, nó làm cho điểm bên cạnh dao động theo, điểm bên cạnh lại tác động đến điểm tiếp theo. Do đó, năng lượng sẽ được truyền từ một điểm sóng này đến điểm sóng bên cạnh và do đó sóng lan truyền đi trong không gian.
Cường độ sóng I là năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian :
\(I=\dfrac{E}{St}\)
Với E là năng lượng sóng truyền qua một diện tích S đặt vuông góc với phương truyền sóng trong thời gian t.
Cường độ sóng được đo bằng oát trên mét vuông (W/m2).
Ví dụ, khi Mặt Trời chiếu vuông góc với mặt đất, cường độ của bức xạ Mặt Trời xấp xỉ 1,0 kW/m2. Điều này có nghĩa là trong một giây, có 1 kJ (1 000 J) chiếu đến diện tích một mét vuông trên mặt đất. Ở mặt trên cùng của khí quyển Trái Đất, đại lượng này có giá trị lớn hơn, cỡ 1,37 kW/m2 .
II. LIÊN HỆ GIỮA SÓNG VÀ DAO ĐỘNG CỦA ĐIỂM SÓNG
Sóng là quá trình diễn ra liên tục. Ngay cả với những hiện tượng quen thuộc như sóng nước hay sóng âm, rất khó quan sát được sự lan truyền dao động của các phần tử môi trường. Vì vậy, ta sử dụng mô hình dao động của phần tử môi trường để giúp hình dung về dao động của điểm sóng khi nghiên cứu về sóng nói chung.
Hình 1.4 biểu diễn vị trí các phần tử của một sợi dây đàn hồi khi sóng lan truyền trên dây.
Ở thời điểm t = 0, dây ở vị trí I thì bắt đầu truyền cho phần từ số 0 một dao động theo phương vuông góc với dây, phần tử số 0 được coi là nguồn sóng.
Trong khoảng thời gian \(\dfrac{T}{4}\), phần từ số 0 chuyển động từ vị trí cân bằng lên vị trí cao nhất, đồng thời kéo phần tử số 1 ở lân cận chuyển động theo. Tương tự, chuyển động được truyền đến các phần tử số 2, số 3 khiến chúng chuyển động như phần tử số 0 nhưng chậm hơn phần tử phía trước một chút. Ở thời điểm \(\dfrac{T}{4}\) các phần từ trên dây có vị trí II.
Phần tử số 0 tiếp tục thực hiện dao động và nhờ liên kết giữa các phần tử của dây, các phần tử ở xa cũng thực hiện dao động cùng chu kì với nguồn sóng. Theo thời gian, sợi dây sẽ có vị trí III, IV, …
Với mô hình này có thể thấy các đại lượng đặc trưng cho dao động của phần tử môi trường như biên độ, tần số, chu kì dao động cũng là biên độ, tần số, chu kì của sóng.
III. MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN CỦA ÂM THANH VÀ ÁNH SÁNG
1. Sự phản xạ và khúc xạ sóng
Cả âm thanh và ánh sáng đều bị phản xạ khi gặp mặt chắn. Hướng truyền của tia phản xạ đến mắt giúp người quan sát thấy được ảnh của vật qua mặt phản xạ. Âm phản xạ đến tai chậm hơn âm trực tiếp từ 1/15 giây thì ta sẽ nghe được âm thanh trực tiếp và âm phản xạ lặp lại tạo thành tiếng vang.
Ta cũng đã biết ánh sáng bị khúc xạ khi truyền qua mặt phần cách giữa hai môi trường. Hiện tượng tương tự cũng xây ra với âm thanh. Phương truyền của sóng âm không đổi nếu các yếu tố của môi trường ổn định. Nhưng nếu trong môi trường không khí có nhiệt độ không đồng đều thì các yếu tố khác của môi trường cũng biến thiên và sẽ khiến phương truyền của sóng âm bị lệch về nơi có nhiệt độ thấp hơn.
Đặc điểm này của âm thanh tạo nên hiện tượng khá thú vị. Ở trên sa mạc, nhiệt độ lớp không khí sát mặt đất rất cao. Vì thế, cách 20 m - 30 m có người đang hô hoàn rất to những bạn hầu như không nghe thấy là vì sau khi tiếng hô phát ra, nó đã nhanh chóng đi vòng lên trên cao. Ngược lại, ở những vùng lạnh giá, nhiệt độ mặt đất thấp hơn nhiều so với ở trên cao nên âm thanh hầu như đều truyền sát mặt đất. Vì thế ở vùng này, tiếng hét to có thể truyền đi rất xa, thâm chí ngoài 1 km - 2 km cũng nghe được.
2. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler (Đốp-lơ), được đặt theo tên của Christian Andreas Doppler (1803-1853). Trong hiệu ứng này, tần số của sóng mà người quan sát thu được bị biến đổi khi nguồn sóng chuyển động tương đối với người quan sát. Hiệu ứng này có thể giải thích như sau:
Khi nguồn sông và người quan sát chuyển động lại gần nhau thì tốc độ sóng đối với người quan sát lớn hơn so với khí cả hai đứng yên với nhau. Như vậy, trong 1 giây, số bước sóng truyền qua vị trí người quan sát nhiều hơn và do đó, tần số sông mà người quan sát thu được sẽ lớn hơn tần số do nguồn phát ra.
Ngược lại, khi nguồn sóng và người quan sát chuyển động ra xa nhau thì tần số sóng mà người quan sát thu được sẽ nhỏ hơn tần số do nguồn phát ra.
Hiệu ứng Doppler được ứng dụng rộng rãi để đo tốc độ của vật chuyển động. Ví dụ đo tốc độ của phương tiện tham gia giao thông, đo tốc độ bay của bóng trên sân thị đầu, đo tốc độ dòng chảy của màu trong động mạch...