Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
- I. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG
- II. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ
- III. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ
- IV. ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ
- V. GIẢI THÍCH MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG
- PHẦN B: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI
- DẠNG 1: Tính bước sóng, tần số, chu kì của sóng điện từ
- DẠNG 2: Xác định phương của $\vec{E}$, $\vec{B}$, $\vec{v}$
- DẠNG 3: Mối quan hệ giữa E và B (đồng pha)
LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG
1. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy
a) Thí nghiệm (Hình 19.1)
Trong thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, khi cho nam châm rơi qua ống dây, từ thông qua ống dây kín biến thiên thì trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Phân tích:
- Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong dây dẫn đã xuất hiện một điện trường
- Điện trường này có chiều là chiều của dòng điện cảm ứng
- Đường sức của điện trường này là các đường cong kín
Điện trường có đường sức là các đường cong kín được gọi là điện trường xoáy.
b) Kết luận của Maxwell
James Clerk Maxwell (Giêm Clớc Mác-xoen) đã phân tích bản chất của hiện tượng trên và kết luận:
“Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy.”
Đặc điểm quan trọng:
- Điện trường xoáy vẫn xuất hiện ngay cả khi không có ống dây
- Vai trò của các vòng dây chỉ giúp ta nhận biết điện trường ấy trong suốt thời gian từ thông biến thiên
2. Điện trường biến thiên và từ trường
a) Thí nghiệm với tụ điện
Khi cho dòng điện xoay chiều qua tụ điện:
- Điện trường giữa hai bản tụ biến thiên theo thời gian
- Kết quả: xuất hiện từ trường xung quanh (Hình 19.3)
b) Kết luận
“Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường biến thiên theo thời gian.”
3. Điện từ trường
a) Mối liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên
Maxwell đã đưa ra kết luận về mối liên quan chặt chẽ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên:
| Nguyên nhân | Kết quả |
|---|---|
| Từ trường biến thiên theo thời gian | Sinh ra điện trường biến thiên (điện trường xoáy) trong không gian xung quanh |
| Điện trường biến thiên theo thời gian | Sinh ra từ trường biến thiên trong không gian xung quanh |
Sơ đồ minh họa (Hình 19.4):
b) Khái niệm điện từ trường
Điện từ trường là một trường thống nhất gồm hai thành phần:
- Điện trường biến thiên
- Từ trường biến thiên
Hai thành phần này cùng tồn tại trong không gian và có thể chuyển hóa lẫn nhau.
c) Đặc điểm của điện từ trường
- Sự biến thiên của từ trường và điện trường bao gồm sự thay đổi về chiều và về độ lớn
- Tại mỗi điểm trong không gian, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ luôn vuông góc với vectơ cường độ điện trường $\vec{E}$
$$\vec{E} \perp \vec{B}$$
d) Điện từ trường xuất hiện ở đâu?
- Xung quanh chỗ có tia lửa điện
- Xung quanh anten phát sóng
- Xung quanh các thiết bị điện có dòng điện biến thiên
II. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ
1. Sự tạo thành sóng điện từ
Quá trình hình thành (Hình 19.5):
Nếu tại điểm O có một điện trường biến thiên $\vec{E_1}$, thì theo kết luận của Maxwell:
- Tại vùng lân cận sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên $\vec{B_1}$
- Tiếp theo, vì có từ trường biến thiên, nên lại xuất hiện một điện trường $\vec{E_2}$ biến thiên ở vùng lân cận khác
- Rồi tương tự, lại xuất hiện $\vec{B_2}$…
- Cứ như thế, điện trường và từ trường lan truyền trong không gian
Sơ đồ quá trình:
Sóng điện từ là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian.
2. Sự lan truyền sóng điện từ
Đặc điểm của sóng điện từ (Hình 19.6):
| Đặc điểm | Nội dung chi tiết |
|---|---|
| Bản chất | Là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian |
| Môi trường truyền | Truyền được trong mọi môi trường vật chất, kể cả chân không |
| Tốc độ trong chân không | Bằng tốc độ ánh sáng: $c = 3 \times 10^8$ m/s |
| Loại sóng | Sóng ngang |
| Phương dao động | $\vec{E} \perp \vec{B}$ và cả hai đều $\perp$ phương truyền sóng |
| Pha dao động | $\vec{E}$ và $\vec{B}$ biến thiên điều hòa và luôn đồng pha |
Minh họa sự lan truyền sóng điện từ:
Giải thích:
- Vectơ $\vec{E}$ dao động theo phương Oy
- Vectơ $\vec{B}$ dao động theo phương Oz
- Sóng truyền theo phương Ox
- Ba phương vuông góc với nhau từng đôi một
3. Các công thức của sóng điện từ
a) Bước sóng trong chân không:
$$\boxed{\lambda = cT = \frac{c}{f}}$$
Trong đó:
- $\lambda$: bước sóng (m)
- $c = 3 \times 10^8$ m/s: tốc độ ánh sáng trong chân không
- $T$: chu kì dao động điện từ (s)
- $f$: tần số dao động điện từ (Hz)
b) Tốc độ trong môi trường vật chất:
$$v = \frac{c}{n}$$
Trong đó: $n$ là chiết suất của môi trường ($n \geq 1$)
c) Bước sóng trong môi trường:
$$\lambda’ = \frac{\lambda}{n} = \frac{v}{f}$$
d) Mối liên hệ giữa E và B:
Trong sóng điện từ, độ lớn của E và B liên hệ với nhau:
$$\frac{E}{B} = c$$
hay $E = cB$
4. Các tính chất của sóng điện từ
Sóng điện từ tuân theo các quy luật giống như sóng cơ:
| Tính chất | Mô tả |
|---|---|
| Truyền thẳng | Trong môi trường đồng tính, sóng điện từ truyền thẳng |
| Phản xạ | Sóng điện từ bị phản xạ khi gặp mặt phân cách |
| Khúc xạ | Sóng điện từ bị khúc xạ khi đi qua mặt phân cách hai môi trường |
| Giao thoa | Hai sóng điện từ kết hợp có thể giao thoa |
| Nhiễu xạ | Sóng điện từ có thể đi vòng qua vật cản |
III. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ
Sóng điện từ có dải tần số (hoặc bước sóng) rất rộng, được phân loại như sau:
| Loại sóng | Bước sóng | Tần số | Ứng dụng chính |
|---|---|---|---|
| Sóng vô tuyến | > 1 mm | < 3×10¹¹ Hz | Phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, WiFi |
| Tia hồng ngoại | 760 nm – 1 mm | 3×10¹¹ – 4×10¹⁴ Hz | Điều khiển từ xa, sưởi ấm, camera hồng ngoại |
| Ánh sáng nhìn thấy | 380 nm – 760 nm | 4×10¹⁴ – 8×10¹⁴ Hz | Chiếu sáng, quang học |
| Tia tử ngoại | 10 nm – 380 nm | 8×10¹⁴ – 3×10¹⁶ Hz | Khử trùng, chống giả, làm đen da |
| Tia X (Rơn-ghen) | 0,01 nm – 10 nm | 3×10¹⁶ – 3×10¹⁹ Hz | Chụp X-quang, kiểm tra hành lý |
| Tia gamma (γ) | < 0,01 nm | > 3×10¹⁹ Hz | Điều trị ung thư, tiệt trùng |
Đặc điểm chung:
- Tất cả đều là sóng điện từ
- Có cùng bản chất (điện từ trường lan truyền)
- Truyền trong chân không với cùng tốc độ c
- Chỉ khác nhau về bước sóng (hoặc tần số)
IV. ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ
1. Truyền thông không dây
| Ứng dụng | Loại sóng | Nguyên lí |
|---|---|---|
| Phát thanh AM | Sóng trung (300 kHz – 3 MHz) | Biến điệu biên độ |
| Phát thanh FM | Sóng ngắn (87,5 – 108 MHz) | Biến điệu tần số |
| Truyền hình | Sóng VHF, UHF | Truyền hình ảnh và âm thanh |
| Điện thoại di động | Sóng cực ngắn (800 MHz – 2,6 GHz) | Thông tin di động |
| WiFi | 2,4 GHz hoặc 5 GHz | Mạng không dây |
| Radar | Sóng vi ba | Phát hiện vật thể |
| GPS | 1,2 – 1,5 GHz | Định vị toàn cầu |
2. Y học
| Ứng dụng | Loại sóng |
|---|---|
| Chụp X-quang | Tia X |
| Chụp cộng hưởng từ (MRI) | Sóng vô tuyến + từ trường |
| Điều trị ung thư | Tia gamma |
| Vật lí trị liệu | Tia hồng ngoại |
3. Đời sống
| Ứng dụng | Loại sóng |
|---|---|
| Lò vi sóng | Sóng vi ba (2,45 GHz) |
| Điều khiển từ xa TV | Tia hồng ngoại |
| Sạc không dây | Sóng điện từ tần số thấp |
| Đèn diệt khuẩn | Tia tử ngoại |
V. GIẢI THÍCH MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG
Tại sao tại khu vực các nhà cao tầng, tín hiệu di động yếu hoặc không có?
Có nhiều nguyên nhân:
- Khoảng cách xa trạm phát sóng: Các khu nhà cao tầng thường ở xa trạm phát sóng, dẫn đến giảm cường độ tín hiệu.
- Vật liệu chắn sóng: Các tòa nhà cao tầng được xây dựng bằng vật liệu dày như bê tông, kính và thép có khả năng chắn sóng và hấp thụ sóng điện thoại.
- Giao thoa triệt tiêu: Sóng điện thoại từ các trạm phát sóng khác nhau có thể gặp nhau và triệt tiêu lẫn nhau do giao thoa.
- Quá tải mạng: Số lượng người sử dụng điện thoại di động cùng một thời điểm lớn, tạo ra sự cạnh tranh về tài nguyên sóng.
- Thiếu cơ sở hạ tầng: Một số khu vực không có đủ trạm phát sóng để cung cấp đủ tín hiệu cho tất cả người dùng.
PHẦN B: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI
DẠNG 1: Tính bước sóng, tần số, chu kì của sóng điện từ
Công thức sử dụng:
$$\lambda = cT = \frac{c}{f}$$
$$f = \frac{1}{T} = \frac{c}{\lambda}$$
$$T = \frac{1}{f} = \frac{\lambda}{c}$$
Với $c = 3 \times 10^8$ m/s
Ví dụ mẫu 1:
Câu hỏi: Một sóng điện từ có bước sóng là 300 m khi lan truyền trong chân không với tốc độ $3 \times 10^8$ m/s. Tính tần số của sóng đó.
Lời giải:
Áp dụng công thức:
$$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{300} = 10^6 \text{ Hz} = 1 \text{ MHz}$$
Đáp án: $f = 10^6$ Hz
Ví dụ mẫu 2:
Câu hỏi: Bước sóng của bức xạ da cam trong chân không là 600 nm. Biết tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không là $3 \times 10^8$ m/s. Tính chu kì của bức xạ da cam.
Lời giải:
Bước 1: Đổi đơn vị
$\lambda = 600 \text{ nm} = 600 \times 10^{-9} \text{ m} = 6 \times 10^{-7} \text{ m}$
Bước 2: Tính chu kì
$$T = \frac{\lambda}{c} = \frac{6 \times 10^{-7}}{3 \times 10^8} = 2 \times 10^{-15} \text{ s}$$
Đổi sang nano giây: $T = 2 \times 10^{-15} \text{ s} = 2 \times 10^{-6} \text{ ns}$
Đáp án: $T = 2 \times 10^{-15}$ s = $2 \times 10^{-6}$ ns
Ví dụ mẫu 3:
Câu hỏi: Một sóng điện từ có tần số 30 MHz. Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không là $3 \times 10^8$ m/s. Tính bước sóng của sóng điện từ đó trong chân không.
Lời giải:
Bước 1: Đổi đơn vị
$f = 30 \text{ MHz} = 30 \times 10^6 \text{ Hz}$
Bước 2: Tính bước sóng
$$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{30 \times 10^6} = 10 \text{ m}$$
Đáp án: $\lambda = 10$ m
DẠNG 2: Xác định phương của $\vec{E}$, $\vec{B}$, $\vec{v}$
Quy tắc bàn tay phải:
Trong sóng điện từ, ba vectơ $\vec{E}$, $\vec{B}$, $\vec{v}$ vuông góc với nhau từng đôi một và tuân theo quy tắc bàn tay phải:
Xoay từ $\vec{E}$ đến $\vec{B}$ theo góc nhỏ nhất (90°), chiều tiến của đinh ốc là chiều của $\vec{v}$.
Hoặc: $\vec{E} \times \vec{B}$ cùng chiều với $\vec{v}$
Cách nhớ: Theo thứ tự $\vec{E}$ → $\vec{B}$ → $\vec{v}$ giống như thứ tự các trục Ox → Oy → Oz trong hệ tọa độ Đề-các thuận.
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Tại một nơi trên Trái Đất có một sóng điện từ, ở một thời điểm vectơ điện trường $\vec{E}$ hướng từ Nam ra Bắc, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng thẳng đứng từ dưới lên trên. Xác định hướng của vectơ vận tốc $\vec{v}$ của sóng điện từ.
Lời giải:
Bước 1: Xác định các phương
- $\vec{E}$: hướng Nam → Bắc (phương ngang)
- $\vec{B}$: hướng dưới → trên (phương thẳng đứng)
Bước 2: Áp dụng quy tắc bàn tay phải
Xoay từ $\vec{E}$ (Nam-Bắc) đến $\vec{B}$ (dưới-trên) theo góc 90°:
→ Chiều tiến của đinh ốc là từ Tây sang Đông
Đáp án: $\vec{v}$ hướng từ Tây sang Đông
Hình minh họa:
DẠNG 3: Mối quan hệ giữa E và B (đồng pha)
Đặc điểm:
- $\vec{E}$ và $\vec{B}$ biến thiên điều hòa và luôn đồng pha
- Khi E = 0 thì B = 0
- Khi E = E₀ (cực đại) thì B = B₀ (cực đại)
- Tại mọi thời điểm: $\frac{E}{E_0} = \frac{B}{B_0}$
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Một sóng điện từ truyền qua điểm M trong không gian. Cường độ điện trường và cảm ứng từ tại M biến thiên điều hòa với giá trị cực đại lần lượt là $E_0$ và $B_0$. Khi cảm ứng từ tại M bằng $0,5B_0$ thì cường độ điện trường tại đó có độ lớn là bao nhiêu?
Lời giải:
Vì $\vec{E}$ và $\vec{B}$ biến thiên đồng pha, nên:
$$\frac{E}{E_0} = \frac{B}{B_0}$$
Khi $B = 0,5B_0$:
$$\frac{E}{E_0} = \frac{0,5B_0}{B_0} = 0,5$$
$$\Rightarrow E = 0,5E_0$$
Đáp án: $E = 0,5E_0$
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn