1. Định nghĩa và đặc đỉểm của sóng cơ học

Sóng cơ học là các dao động cơ học lan truyền theo thời gian trong một môi trường vật chất.

Đặc điểm: khi sóng truyền trong một môi trường thì các phần tử môi trường dao động quanh vị trí cân bằng mà không truyền theo sóng, chỉ có pha dao động của chúng được truyền đi.

2. Phân loại

Sóng cơ được phân ra làm hai loại: Sóng ngang và sóng dọc

• Sóng ngang: Là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Sóng ngang là sóng truyền trên mặt nước và truyền trong chất rắn.
• Sóng dọc: Là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng. Sóng dọc truyền được trong cả chất rắn, lỏng, khí.

Chú ý: Sóng cơ không truyền được trong chân không.

3. Các đại lượng đặc trưng cho sóng

a. Tần số và chu kì sóng

Định nghĩa: 

• Chu kì T của sóng là chu kì dao động chung của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua và bằng chu kì dao động của nguồn sóng.
• Tần số f của sóng là tần số dao động chung của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.

Tần số $f = \frac{1}{T}$

Chú ý: Đặc điểm tần số sóng chỉ phụ thuộc vào nguồn

b. Biên độ sóng

Biên độ sóng A tại một điểm là biên độ dao động của phần tử vật chất tại điểm đó khi sóng truyền qua.

A_sóng  = A_{dao động}

Trong quá trình truyền sóng coi như biên độ sóng là không đổi .

c. Tốc độ truyền sóng

Tốc độ truyền sóng v là vận tốc truyền pha dao động (khác với vận tốc của các phần tử dao động). Chính là quãng đường sóng truyền đi được trong một đơn vị thời gian. Trong một môi trường xác định v = const.

Tốc độ truyền sóng cơ chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng, cụ thể:

1. Phụ thuộc vào lực liên kết đàn hồi, nhiệt độ môi trường
2. Phụ thuộc vào mật độ môi trường: vr > vl >vkhí

d. Bước sóng

Định nghĩa:

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

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

Công thức liên hệ giữa chu kì T (hoặc lần số f), vận tốc v và bước sóng $\lambda $

$\lambda  = v.T = \frac{v}{f}$.

Khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng mà dao động ngược pha là $\frac{\lambda }{2}$

e. Năng lượng sóng

E_sóng = E_{dao động} = $\frac{1}{2}.m.\omega ^{2}.A^{2}$

4. Phương trình sóng

Xét một nguồn sóng O phát sóng hình sin trong môi trường dọc theo trục x.

Chọn gốc tọa độ tại O, gốc thời gian sao cho phương trình dao động tại O là:

$u_{O} = A\cos wt $.

Khi đó phương trình dao động tại điểm M có tọa độ x là:

$u_{M} = A\cos w(t - \frac{x}{v})= A\cos 2\pi (\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }) = A\cos (wt - \frac{2\pi .x}{\lambda }) $.

Ý nghĩa của phương trình sóng u_M:

• Tại một điểm xác định trong môi trường $\Rightarrow $ dM = const. Lúc đó uM là một hàm biến thiên điều hoà theo thời gian t với chu kì T.
• Tại một thời điểm xác định $\Rightarrow $ t = const, dM = x. Lúc đó uM là một hàm biến thiên điều hoà trong không gian theo biến x với chu kì $\lambda $.
• Vì vậy có thể nói, sóng cơ học có tính tuần hoàn theo không gian và thời gian.

5. Độ lệch pha

Độ lệch pha dao động giữa hai điểm M, N bất kì trong môi trường truyền sóng cách nguồn O một khoảng lần lượt là d_M và d_N:

$\Delta \varphi  = 2\pi \frac{d_{M} - d_{N}}{\lambda } = 2\pi \frac{MN}{\lambda }$

• Hai dao động cùng pha: $\Delta \varphi  = k.2\pi $ (k $\in $ Z)
• Hai dao động ngược pha: $\Delta \varphi  = (2k + 1)\pi $ (k $\in $ Z)
• Hai dao động vuông pha: $(2k + 1)\frac{\pi }{2}$  (k $\in $ Z)