Câu hỏi mở đầu trang 48

Đề bài: Cho hai loa giống nhau cùng phát âm thanh như hình bên, dịch chuyển một micro có nối với dao động kí phía trước hai loa để ghi đồ thị sóng âm thì thấy có những điểm tại đó biên độ sóng âm thu được rất lớn (L) và những điểm biên độ rất bé (B) nằm xen kẽ. Hiện tượng thú vị này giải thích như thế nào?

Lời giải:

Hiện tượng trên là hiện tượng giao thoa của hai sóng âm. Giải thích:

• Hai loa giống nhau phát ra hai sóng âm có cùng tần số, cùng pha → đây là hai nguồn kết hợp.
• Khi hai sóng âm gặp nhau trong không gian, tại mỗi điểm có sự chồng chất hai sóng:
  • Điểm L (biên độ lớn): hai sóng đến cùng pha, biên độ tăng cường → âm nghe to.
  • Điểm B (biên độ bé): hai sóng đến ngược pha, biên độ triệt tiêu → âm nghe rất nhỏ.

→ Các điểm L và B nằm xen kẽ nhau tạo nên hiện tượng giao thoa sóng âm.

I. Hiện tượng giao thoa của hai sóng mặt nước

Hoạt động trang 48

Đề bài: Thực hiện thí nghiệm tạo sóng giao thoa trên mặt nước (Hình 12.1) theo các bước trong SGK và rút ra nhận xét.

Lời giải:

Nhận xét rút ra từ thí nghiệm:

• Bước 1 (cần rung gắn một quả cầu): trên màn thấy các hình tròn sáng – tối đồng tâm, lan truyền từ tâm dao động ra xa. Đây là hình ảnh một sóng tròn truyền trên mặt nước.
• Bước 2 (cần rung gắn hai quả cầu): trên màn xuất hiện các đường sáng – tối ổn định xen kẽ nhau. Đây là kết quả của hiện tượng giao thoa hai sóng nước phát ra từ hai nguồn kết hợp.
• Bước 3 (nối các điểm dao động cực đại và cực tiểu):
  • Các điểm cực đại (sáng) tạo thành các đường hypebol nét liền.
  • Các điểm cực tiểu (tối) tạo thành các đường hypebol nét đứt.

→ Kết luận: Hiện tượng hai sóng gặp nhau tạo nên các gợn sóng ổn định gọi là hiện tượng giao thoa của hai sóng. Các gợn sóng ổn định gọi là vân giao thoa.

Câu hỏi trang 49

Đề bài: Giải thích hiện tượng nêu ở mục khởi động.

Lời giải:

Áp dụng kiến thức giao thoa vào hai loa phát âm thanh:

• Hai loa giống nhau phát sóng âm có cùng tần số, cùng pha → là hai nguồn kết hợp phát ra hai sóng âm kết hợp.
• Khi hai sóng âm gặp nhau, tại mỗi điểm trong không gian:
  • Tại điểm L (âm to): hiệu đường đi từ hai loa thoả mãn $d_2 – d_1 = k\lambda$ → hai sóng đến đồng pha → tăng cường lẫn nhau → biên độ sóng âm cực đại.
  • Tại điểm B (âm nhỏ): hiệu đường đi thoả mãn $d_2 – d_1 = (k + \dfrac{1}{2})\lambda$ → hai sóng đến ngược pha → triệt tiêu lẫn nhau → biên độ sóng âm rất nhỏ.

→ Các điểm L và B xen kẽ nhau tạo nên hiện tượng giao thoa sóng âm — tương tự như giao thoa sóng nước.

II. Thí nghiệm của Young về giao thoa ánh sáng

Câu hỏi trang 50

Đề bài: Trong thí nghiệm trên, nếu thay nguồn sáng laze bằng bóng đèn dây tóc phát ánh sáng trắng thì vân sáng chính giữa sẽ có màu gì?

Lời giải:

Khi thay nguồn laze bằng đèn dây tóc phát ánh sáng trắng:

• Ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím).
• Tại vân sáng chính giữa (vị trí O), hiệu đường đi $d_2 – d_1 = 0$ với mọi ánh sáng đơn sắc → tất cả các màu đều cho vân sáng tại đây.
• Khi các vân sáng của tất cả các màu trùng nhau tại O → tạo thành vân sáng có màu trắng (giống màu của nguồn).

→ Vân sáng chính giữa có màu trắng.

Câu hỏi trang 51

Đề bài:

1. Trong thí nghiệm ở Hình 12.1, tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 20 cm/s, cần rung có tần số 40 Hz. Tính khoảng cách giữa hai điểm cực đại giao thoa cạnh nhau trên đoạn thẳng $S_1S_2$.

2. Trong một thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng với a = 0,2 mm, D = 1,2 m, người ta đo được i = 3,6 mm. Tính bước sóng λ và tần số f của bức xạ.

3. Trong một thí nghiệm Young, biết a = 0,15 mm, D = 1,20 m, khoảng cách giữa 12 vân sáng liên tiếp là 52 mm. Tính bước sóng ánh sáng.

Lời giải:

Câu 1.

Tóm tắt: v = 20 cm/s; f = 40 Hz.

Bước 1: Tính bước sóng.

$$\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{20}{40} = 0{,}5 ; \text{(cm)} = 5 ; \text{mm}$$

Bước 2: Tính khoảng cách giữa hai điểm cực đại cạnh nhau trên $S_1S_2$.

Trên đoạn thẳng nối hai nguồn $S_1S_2$, các điểm cực đại liên tiếp cách nhau một khoảng bằng nửa bước sóng:

$$d = \dfrac{\lambda}{2} = \dfrac{0{,}5}{2} = 0{,}25 ; \text{(cm)} = 2{,}5 ; \text{mm}$$

→ Khoảng cách giữa hai điểm cực đại giao thoa cạnh nhau trên đoạn $S_1S_2$ là 2,5 mm.

Câu 2.

Tóm tắt: a = 0,2 mm = $0{,}2 \cdot 10^{-3}$ m; D = 1,2 m; i = 3,6 mm = $3{,}6 \cdot 10^{-3}$ m.

Bước 1: Tính bước sóng λ theo công thức $\lambda = \dfrac{ia}{D}$.

$$\lambda = \dfrac{(3{,}6 \cdot 10^{-3}) \cdot (0{,}2 \cdot 10^{-3})}{1{,}2} = \dfrac{0{,}72 \cdot 10^{-6}}{1{,}2} = 0{,}6 \cdot 10^{-6} ; \text{(m)}$$

$$\Rightarrow \lambda = 0{,}6 ; \mu\text{m} = 600 ; \text{nm}$$

Bước 2: Tính tần số f theo công thức $f = \dfrac{c}{\lambda}$ (với $c = 3 \cdot 10^8$ m/s).

$$f = \dfrac{3 \cdot 10^8}{0{,}6 \cdot 10^{-6}} = 5 \cdot 10^{14} ; \text{(Hz)}$$

→ Bước sóng $\lambda = 600$ nm và tần số $f = 5 \cdot 10^{14}$ Hz.

Câu 3.

Tóm tắt: a = 0,15 mm = $0{,}15 \cdot 10^{-3}$ m; D = 1,20 m; khoảng cách giữa 12 vân sáng liên tiếp là 52 mm.

Bước 1: Tính khoảng vân i.

Lưu ý: giữa 12 vân sáng liên tiếp có 11 khoảng vân.

$$11 i = 52 ; \text{mm} \Rightarrow i = \dfrac{52}{11} \approx 4{,}727 ; \text{mm} \approx 4{,}727 \cdot 10^{-3} ; \text{m}$$

Bước 2: Tính bước sóng λ.

$$\lambda = \dfrac{ia}{D} = \dfrac{(4{,}727 \cdot 10^{-3}) \cdot (0{,}15 \cdot 10^{-3})}{1{,}20}$$

$$\lambda \approx 0{,}591 \cdot 10^{-6} ; \text{m} \approx 591 ; \text{nm}$$

→ Bước sóng ánh sáng là $\lambda \approx 591$ nm.

Em có thể

Từ hiện tượng giao thoa sóng nước, giải thích được hiện tượng giao thoa của các sóng khác như sóng âm, sóng ánh sáng

Lời giải:

Hiện tượng giao thoa là đặc trưng của mọi loại sóng. Từ thí nghiệm giao thoa sóng nước, ta có thể áp dụng để giải thích giao thoa của các sóng khác:

1) Giao thoa sóng âm:

• Khi hai loa giống nhau cùng phát âm thanh → tạo ra hai sóng âm kết hợp (cùng tần số, cùng pha).
• Hai sóng âm gặp nhau trong không gian:
  • Điểm cùng pha: hai sóng tăng cường → âm to (tương tự cực đại của sóng nước).
  • Điểm ngược pha: hai sóng triệt tiêu → âm nhỏ (tương tự cực tiểu của sóng nước).

2) Giao thoa sóng ánh sáng:

• Trong thí nghiệm Young, ánh sáng từ nguồn S đi qua hai khe hẹp $F_1$, $F_2$ → tạo thành hai nguồn sáng kết hợp.
• Hai sóng ánh sáng gặp nhau trên màn quan sát:
  • Điểm cùng pha (hiệu đường đi $d_2 – d_1 = k\lambda$): vân sáng.
  • Điểm ngược pha (hiệu đường đi $d_2 – d_1 = (k + \dfrac{1}{2})\lambda$): vân tối.

→ Việc quan sát được hiện tượng giao thoa khẳng định ánh sáng có tính chất sóng, tương tự như sóng nước và sóng âm.

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