Lý thuyết trọng tâm

I. Thí Nghiệm Tạo Sóng Mặt Nước

1. Mô tả thí nghiệm

Chuẩn bị: Thiết bị tạo sóng mặt nước bằng kênh tạo sóng (Hình 8.1)

Tiến hành:

• Đặt một miếng xốp nhỏ C trên mặt nước
• Khi quay đĩa D làm cho vật tạo sóng O dao động lên xuống, ta thấy mặt nước tại O bị biến dạng thành những gợn sóng lan truyền đi xa
• Khi gợn sóng lan truyền đến C thì miếng xốp dao động lên xuống

2. Nhận xét từ thí nghiệm

Quan sát qua thành kênh, ta thấy mặt cắt của nước có dạng hình sin. Ta nói đã có sóng hình sin truyền trên mặt nước.

• O là nguồn sóng
• Nước là môi trường truyền sóng
• Đường thẳng OC là phương truyền sóng
• Những phần tử môi trường tham gia dao động tạo thành sóng

Đặc điểm quan trọng: Miếng xốp chỉ dao động lên xuống tại chỗ, không chuyển động ra xa nguồn cùng với sóng.

3. Định nghĩa sóng cơ

Sóng cơ là những biến dạng cơ lan truyền trong một môi trường đàn hồi.

II. Giải Thích Sự Tạo Thành Sóng

1. Cơ chế truyền sóng

Trong thí nghiệm Hình 8.1, các phần tử nước sát nguồn O dao động theo phương thẳng đứng. Nhờ có lực liên kết giữa các phần tử nước mà các phần tử nước ở điểm M lân cận điểm O dao động theo. Đến lượt các phần tử nước ở điểm N gần điểm M dao động. Ta nói có sự truyền dao động từ điểm này sang điểm khác tạo nên sóng mặt nước.

2. Hai nguyên nhân tạo nên sóng

3. Sự lệch pha của các phần tử trên phương truyền sóng

Xét sóng mặt nước có dạng hình sin lan truyền từ nguồn O theo phương Ox (Hình 8.2):

III. Các Đại Lượng Đặc Trưng Của Sóng

1. Biên độ sóng (A)

Định nghĩa: Biên độ sóng là độ dịch chuyển lớn nhất của phần tử sóng khỏi vị trí cân bằng.

Đơn vị: mét (m) hoặc centimét (cm)

2. Chu kỳ sóng (T)

Định nghĩa: Chu kỳ của sóng chính bằng chu kỳ dao động của phần tử sóng.

Đơn vị: giây (s)

3. Tần số sóng (f)

Định nghĩa: Đại lượng $f = \dfrac{1}{T}$ được gọi là tần số của sóng.

Đơn vị: héc (Hz)

4. Tốc độ truyền sóng (v)

Định nghĩa: Tốc độ truyền sóng là tốc độ lan truyền của biến dạng trong môi trường truyền sóng.

Đơn vị: mét trên giây (m/s)

⚠️ Lưu ý quan trọng: Tốc độ truyền sóng chỉ phụ thuộc vào tính chất của môi trường truyền sóng, không phụ thuộc vào tần số dao động của nguồn hay của các phần tử môi trường có sóng truyền qua.

5. Bước sóng (λ)

Định nghĩa: Bước sóng là quãng đường sóng truyền được trong một chu kỳ.

Ký hiệu: $\lambda$ (lambda)

Đơn vị: mét (m)

Công thức:

$$\boxed{\lambda = v \cdot T = \frac{v}{f}}$$

6. Cường độ sóng (I)

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

Biểu thức:

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

Trong đó:

• $E$: năng lượng sóng truyền qua diện tích $S$ (J)
• $S$: diện tích vuông góc với phương truyền sóng (m²)
• $\Delta t$: thời gian (s)

Đơn vị: W/m²

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính các đại lượng đặc trưng của sóng từ dữ kiện thực tế

Phương pháp giải:

Bước 1: Tóm tắt đề bài, xác định các đại lượng đã cho và cần tìm

Bước 2: Áp dụng các công thức phù hợp:

Bước 3: Thay số và tính toán, chú ý đơn vị

Bài tập mẫu 1: (Bài 1 SGK trang 35)

Trên mặt hồ yên lặng, một người làm cho con thuyền dao động tạo ra sóng trên mặt nước. Thuyền thực hiện được 24 dao động trong 40 s, tạo ra sóng cao 12 cm so với mặt hồ khi yên lặng và ngọn sóng tới bờ cách thuyền 10 m sau 5 s. Với số liệu này, hãy xác định:

a) Chu kỳ dao động của thuyền.

b) Tốc độ lan truyền của sóng.

c) Bước sóng.

d) Biên độ sóng.

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tóm tắt đề bài

Ta liệt kê các dữ kiện đề cho:

• Số dao động của thuyền: $N = 24$ dao động
• Thời gian thực hiện 24 dao động: $\Delta t = 40$ s
• Độ cao sóng so với mặt hồ yên lặng: $h = 12$ cm
• Khoảng cách từ thuyền đến bờ: $d = 10$ m
• Thời gian sóng truyền từ thuyền đến bờ: $t = 5$ s

Ta cần tìm: Chu kỳ $T$, tốc độ $v$, bước sóng $\lambda$, biên độ $A$

Câu a) Tính chu kỳ dao động của thuyền

Chu kỳ là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần.

Theo đề bài, thuyền thực hiện được 24 dao động trong 40 s.

Vậy thời gian để thực hiện 1 dao động (tức là chu kỳ) sẽ bằng tổng thời gian chia cho số dao động:

$$T = \frac{\text{Tổng thời gian}}{\text{Số dao động}} = \frac{\Delta t}{N}$$

Thay số vào:

$$T = \frac{40}{24} = \frac{5}{3} \text{ (s)}$$

Đổi ra số thập phân: $T = \dfrac{5}{3} \approx 1{,}67$ s

$$\boxed{T = \frac{5}{3} \text{ s} \approx 1{,}67 \text{ s}}$$

Câu b) Tính tốc độ lan truyền của sóng

Tốc độ truyền sóng là quãng đường sóng truyền được trong một đơn vị thời gian.

Theo đề bài:

• Quãng đường sóng truyền: từ thuyền đến bờ, tức là $d = 10$ m
• Thời gian truyền: $t = 5$ s

Áp dụng công thức tính tốc độ:

$$v = \frac{\text{Quãng đường}}{\text{Thời gian}} = \frac{d}{t}$$

Thay số vào:

$$v = \frac{10}{5} = 2 \text{ (m/s)}$$

$$\boxed{v = 2 \text{ m/s}}$$

Câu c) Tính bước sóng

Bước sóng là quãng đường sóng truyền được trong một chu kỳ.

Áp dụng công thức:

$$\lambda = v \cdot T$$

Ta đã tính được ở trên:

• Tốc độ truyền sóng: $v = 2$ m/s
• Chu kỳ: $T = \dfrac{5}{3}$ s

Thay số vào:

$$\lambda = 2 \times \frac{5}{3} = \frac{10}{3} \text{ (m)}$$

Đổi ra số thập phân: $\lambda = \dfrac{10}{3} \approx 3{,}33$ m

$$\boxed{\lambda = \frac{10}{3} \text{ m} \approx 3{,}33 \text{ m}}$$

Kiểm tra lại bằng công thức khác:

Ta có thể tính tần số trước: $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{\frac{5}{3}} = \dfrac{3}{5} = 0{,}6$ Hz

Sau đó tính bước sóng: $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{2}{0{,}6} = \dfrac{10}{3}$ m ✓ (kết quả khớp)

Câu d) Tính biên độ sóng

Biên độ sóng là độ dịch chuyển lớn nhất của phần tử sóng khỏi vị trí cân bằng.

Trong bài này:

• Vị trí cân bằng chính là mặt hồ khi yên lặng
• Ngọn sóng cao 12 cm so với mặt hồ yên lặng

Vậy độ dịch chuyển lớn nhất của phần tử nước khỏi vị trí cân bằng chính là 12 cm.

$$\boxed{A = 12 \text{ cm} = 0{,}12 \text{ m}}$$

Dạng 2: Đọc đồ thị sóng để xác định các đại lượng

Phương pháp giải:

Với đồ thị (u – t) – đồ thị li độ theo thời gian:

• Biên độ A: Giá trị lớn nhất của li độ $u$ (đọc theo trục tung)
• Chu kỳ T: Khoảng thời gian giữa hai đỉnh liên tiếp (hoặc hai đáy liên tiếp)
• Tần số f: Tính từ chu kỳ: $f = \dfrac{1}{T}$

Cách đọc chu kỳ từ đồ thị:

1. Xác định tỷ lệ của mỗi ô vuông (đề thường cho)
2. Đếm số ô vuông tương ứng với một chu kỳ
3. Nhân số ô với giá trị mỗi ô để được chu kỳ

Bài tập mẫu 2: (Bài 2 SGK trang 35)

Hình 8.4 là đồ thị (u – t) của một sóng âm trên màn hình của một dao động kí. Biết mỗi cạnh của ô vuông theo phương ngang trên hình tương ứng với 1 ms. Tính tần số của sóng âm.

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Phân tích đề bài

Đề cho:

• Đồ thị (u – t) của sóng âm
• Mỗi ô vuông theo phương ngang tương ứng với 1 ms

Ta cần tìm: Tần số $f$ của sóng âm

Bước 2: Xác định chu kỳ từ đồ thị

Để tìm tần số, ta cần tìm chu kỳ T trước (vì $f = \dfrac{1}{T}$).

Cách xác định chu kỳ trên đồ thị (u – t):

Chu kỳ T là khoảng thời gian giữa hai điểm liên tiếp có cùng trạng thái dao động (cùng li độ và cùng chiều chuyển động).

Cách đơn giản nhất: Đếm số ô vuông từ đỉnh này đến đỉnh kế tiếp (hoặc từ đáy này đến đáy kế tiếp).

Quan sát đồ thị Hình 8.4, ta thấy:

• Từ một đỉnh sóng đến đỉnh sóng kế tiếp có 3 ô vuông theo phương ngang

Bước 3: Tính chu kỳ T

Mỗi ô vuông tương ứng với 1 ms, nên:

$$T = 3 \times 1 \text{ ms} = 3 \text{ ms}$$

Đổi đơn vị từ mili giây sang giây:

$$T = 3 \text{ ms} = 3 \times 10^{-3} \text{ s} = 0{,}003 \text{ s}$$

Bước 4: Tính tần số f

Áp dụng công thức liên hệ giữa tần số và chu kỳ:

$$f = \frac{1}{T}$$

Thay số vào:

$$f = \frac{1}{0{,}003} = \frac{1}{\frac{3}{1000}} = \frac{1000}{3} = \frac{1000}{3}{ (Hz)}$$

Dạng 3: Xác định đại lượng không đổi khi thay đổi tần số nguồn

Phương pháp giải:

Kiến thức then chốt:

Tốc độ truyền sóng chỉ phụ thuộc vào tính chất của môi trường, không phụ thuộc vào đặc tính của nguồn sóng.

Khi thay đổi tần số dao động của nguồn:

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