BÀI 6: CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÍ CỦA SÓNG

I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG

1. Chu kì, tần số, biên độ sóng

*Thảo luận 1 (SGK – tr40)

a) Sóng truyền trên dây là sóng ngang.

b) Mỗi điểm trên dây dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Xét từ nguồn tạo sóng, trạng thái dao động của điểm phía sau tại thời điểm t chính là trạng thái dao động của điểm phía trước tại thời điểm t – Δt trước đó.

*Kết luận:

- Chu kì và tần số của sóng lần lượt là chu kì và tần số của nguồn sóng. 

- Biên độ sóng  tại một điểm là biên độ dao động của phần tử môi trường tại điểm đó.

- Những điểm trên phương truyền sóng có li độ cực đại được gọi là đỉnh sóng.

2. Bước sóng và tốc độ truyền sóng

*Thảo luận 2 (SGK – tr40)

a) Những điểm trên dây đang có trạng thái dao động giống nhau:

+ t = T: O và D.

+ t=$\frac{5T}{4}$: O và D; A và E.

+ t=$\frac{6T}{4}$: O và D; A và E; B và G.

+ t=$\frac{7T}{4}$: O và D; A và E; B và G; C và H.

+ t = 2T: O, D và K; A và E; B và G; C và H.

b) Trạng thái dao động của điểm D luôn giống với trạng thái dao động của nguồn O khi t≥T với T là chu kì dao động của nguồn sóng.

*Thảo luận 3 (SGK – tr41)

Tốc độ truyền sóng trong môi trường và tốc độ dao động của các phần tử trong môi trường là hai đại lượng độc lập nhau. Do đó, chúng không phụ thuộc vào nhau.

*Thảo luận 4 (SGK – tr42)

- Tốc độ truyền sóng âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng. Tốc độ truyền sóng âm trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí.

- Nguyên nhân: Môi trường càng đậm đặc, tốc độ lan truyền tương tác giữa các phân tử của môi trường càng lớn. 

*Ví dụ (SGK – tr42)

- Ta có:

λ=$\frac{v}{f}$

Suy ra điều kiện về tốc độ của sóng siêu âm này là:

v≤1,5.10$^{3}$ m/s.

*Kết luận:

- Bước sóng là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì dao động, kí hiệu là . Bước sóng cũng chính là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng dao động cùng pha với nhau.

λ=v.T

Trong hệ SI, bước sóng có đơn vị là mét (m).

- Tốc độ truyền sóng được xác định bằng thương số giữa quãng đường sóng truyền đi được và thời gian để sóng truyền đi quãng đường đó.

v=$\frac{s}{\Delta tf}$

Trong hệ SI, tốc độ truyền sóng có đơn vị là m/s.

- Khi ∆t=T thì s=λ, ta có:

v=$\frac{\lambda }{T}$=λ.f

*Luyện tập (SGK – tr42)

- Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp phao nhô lên chính là chu kì sóng, do đó: T=$\frac{4}{5}$=0,8 s.

- Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp chính là bước sóng nên λ=vT=0,8.0,5=0,4 m.

3. Cường độ sóng

*Ví dụ (SGK – tr43)

- Vì nguồn âm được xem như là một điểm nên cường độ sóng âm trên một mặt cầu có diện tích S = 4πr$^{2}$ là như nhau, với r là bán kính mặt cầu.

*Kết luận:

Cường độ sóng I là năng lượng sóng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

I=$\frac{E}{\Delta t}$=$\frac{P}{S}$

Trong hệ SI, cường độ sóng có đơn vị là W/m$^{2}$.

- Tại vị trí r$_{1}$ = 15 m và r$_{2}$, ta có: I$_{1}$=$\frac{P}{4\pi r_{1}^{2}}$  và I$_{2}$=$\frac{P}{4\pi r_{2}^{2}}$.

- Suy ra: $\frac{I_{1}}{I_{2}}$=$\frac{r_{2}^{2}}{r_{1}^{2}}$;

r$_{2}$=r$_{1} \sqrt{\frac{I_{1}}{I_{2}}}$=15$\sqrt{\frac{0,25}{0,010}}$=75m

Vậy ở khoảng cách 75 m tính từ vị trí của còi thì sóng âm có cường độ bằng 0,010 W/m$^{2}$.

*Luyện tập (SGK – tr43)

Công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời:

I=$\frac{P}{S}$=$\frac{P}{4\pi r^{2}}$

=> P=4πr$^{2}$I

=4π(1,50.10$^{11}$)$^{2}$.1,37.10$^{3}$≈38,7.10$^{25}$

II. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG 

*Thảo luận 5 (SGK – tr50)

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có tọa độ x và x’ dao động cùng pha khi:
($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$x)-($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$x')=2kπ

=> x'-x=kλ k∈Z

Hai điểm gần nhất dao động cùng pha ứng với k = 1 => x'-x=λ.

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có tọa độ x và x’ dao động ngược pha khi:

($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$x)-($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$x')=(2k+1)π

=> x'-x=(k+$\frac{1}{2}$)$\lambda$ k∈Z

Hai điểm gần nhất dao động ngược pha ứng với k = 0 => x'-x=$\frac{\lambda }{2}$.

*Thảo luận 6 (SGK – tr44)

Vì AB=$\frac{\lambda T}{4}$ nên độ lệch pha của hai điểm này là ∆φ=$\frac{2\pi }{\lambda }$AB=$\frac{2\pi }{\lambda }$.$\frac{\lambda T}{4}$=$\frac{\pi }{2}$ rad.

*Kết luận:

- Phương trình sóng truyền theo trục Ox là:

u=Acos($\frac{2\pi }{T}$t-$\frac{2\pi }{\lambda }$x)

Trong đó:

+ t và T lần lượt là thời điểm đang xét và chu kì sóng (tính theo s).

+ x và $\lambda $ lần lượt là khoảng cách từ một điểm trên dây đến nguồn và bước sóng (tính theo m).

- Phương trình sóng có tính tuần hoàn theo không gian với chu kì và theo thời gian với chu kì T.

- Tại cùng một thời điểm, dao động tại điểm M trễ pha hơn dao động tại nguồn một góc $\frac{2\pi x}{\lambda }$.

*Luyện tập (SGK – tr44)

- Hình 6.6a: Vì sóng truyền với tốc độ hữu hạn nên tại thời điểm t đang xét, với v là tốc độ truyền sóng, sóng chỉ mới truyền đi được quãng đường x = vt. Phần còn lại của dây với x > vt vẫn còn đứng yên.

- Hình 6.6b: Điểm cách nguồn một khoảng x chỉ bắt đầu dao động khi sóng truyền đến, nên t<$\frac{x}{v}$, sóng chưa truyền đến điểm này.