Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 9) pdf

Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 9) 3.5 Hiệu ứng Doppler Hình v cho thấy hình ảnh sóng tạora bởi đầu nhọn của một thanh đang dao độngchuyển độngtrongnước.Nếu thanhdaođộng tạichỗ, chúng tasẽ thấy hình ảnh những đườngtròn đồng tâmquenthuộc, tất cả có tâm ở chung một điểm. Nhưng vì nguồn sóng đangdi chuyển, nên bước sóng bị ngắn lại ở một phía và dài ra ở phía bên kia.Hiện tượngnày gọilà hiệuứng Doppler. Lưu ý rằng vận tốc sóng là một tính chất ổnđịnh của môitrường, nên chẳng hạn một sóng đang chuyểnđộng về phía trước không được tăngcường thêm tốc độ kiểu như một viên đạn được bắn raphía trước từ một chiếc máy bay. Chúng tacũng có thể suy ra sự thay đổi tần số. Vì vận tốclà không đổi, nên phươngtrìnhv = f λ cho chúng ta biếtrằngsự thay đổi bướcsóng phải tương xứng với sự thay đổi ngược lại ở tần số: tầnsố cao hơn đối với sóng phát ra phía trước, và tần số thấp hơn đốivới sóng phát raphía sau. Hiệu ứngtần số Dopplerlà nguyênnhânâm thanh sôi động quen thuộc của trận đua xeđangtiến tới gần. Khi chiếc xeđangtiến tới phía chúng ta, chúng ta nghethấyâm cao hơn, nhưngsau khi nó đi qua chúngta, chúng ta nghethấy tần số thấp hơn bìnhthường. v/ Hìnhảnh sóng tạo rabởimột nguồn điểm chuyển động sangbên phải trên nước. Chú ý bước sóngngắn hơn của sóngphát ra phíatrước và bước sóng dài ra củasóng phát ra phía sau. Hiệu ứngDopplercũng sẽ xảy ra nếu nhà quan sát đang chuyểnđộng còn nguồnphátthì đứng yên. Chẳng hạn,một người quan sát đang chuyển động về phía nguồn cố định sẽ nhận đượcmột chỏm sóng,và khi đó sẽ bị bao vây bởi chỏm sóng tiếp theo sớm hơn cô ta có trong trườnghợp khác, vì cô ta chuyển độngvề phía nó và đẩy nhanhsự chạm trán của cô ta với nó. Nói đại khái, hiệu ứng Doppler chỉ phụ thuộc vào chuyển độngtương đối của nguồn phát và người quan sát, chứ khôngphụ thuộc vào trạng thái chuyển động tuyệt đối của chúng (thứ không phải là một khái niệm rõ ràngtrong vật lí học) hay vàovận tốc tương đối của chúng đối với môi trường. Tự giới hạn mình vớitrường hợp nguồn chuyểnđộng, và với sóngphát ra hoặc hướng thẳngtới hoặc hướngngược lại chiều chuyểnđộng, chúngta có thể dễ dàngtínhđược bước sóng, hay tươngđương làtần số,củacác sóngbị lệch Doppler. Đặt v làvận tốc của sóng,và v s là vận tốc của nguồn. Bướcsóng của sóng phát ra phía trước bị ngắn lại một lượng v s T bằngkhoảngcách mà nguồn đi đượctrong hành trìnhmộtchu kì. Sử dụng địnhnghĩa f = 1/T và phương trình v = f λ,chúng ta tìm được bước sóngcủasóng bị lệch Doppler Một phương trìnhtươngtự có thể sử dụngcho sóng phátra phía sau,nhưng với dấu cộng thaycho dấu trừ. Thí dụ thứ haichothấy dưới những điều kiện bình thường giới hạn trên mặt đất, sự lệch Doppler củaánh sáng là khôngđángkể vì những đối tượngbình thường dichuyển chậm hơn ánhsáng rất nhiều. Tuynhiên,nó là một câu chuyện khác khinói tới các sao vàthiênhà, và điều này đưa chúng ta đến một câu chuyện có hàmý sâu xađối với sự hiểu biết của chúngta về nguồn gốccủa vũ trụ. Ví dụ 8. Radar Doppler Radarlần đầu tiên được sử dụng bởi người Anhtrong Thế chiếnthứ hai: các ăntentrên mặtđất gửisóng vôtuyến lên bầu trời, và dòtìm tiếng vọnglại khisóng bị phản xạ khỏi các máy baycủa Đức. Sau này, không quân muốn gắn ănten radar lên máy bay,nhưng khiđó có một vướngmắc,vì nếu một máybay muốn phát hiện một máy bay khác ở cao độ thấp hơn, nó phải nhắm sóng vô tuyếncủa nó xuống dưới,và khi đó nó sẽ thu được tiếng vọng từ mặt đất. Giải pháp là phát minhra radar Doppler,trong đó tiếng vọngtừ mặt đất được phân biệt với tiếng vọng từ máy baykháctheo sự lệch Dopplercủa chúng.Mộtcông nghệ tươngtự được các nhà khí tượng họcsử dụng để lập bản đồ nhữngđámmây mưa mà không phải loại trừ sự phản xạ từ mặt đất, cây cối và nhà cửa. w/ Ảnhchụp bằng radarDopplercủa cơn bão Katrina, năm 2005. Sự lệch Doppler của ánh sáng Nếu như sự lệch Dopplerchỉ phụ thuộc vào chuyểnđộng tươngđối của nguồnvà máy thu, thìkhông có cách nàocho mộtngười đang chuyển độngcùng với nguồn và một ngườikhác chuyển độngcùngvới máy thu xácđịnh ai làngười đang chuyển động và ai thì không. Người nào cũng có thể quy toànbộ sự lệch Dopplercho chuyển động của người kia và khẳngđịnh mìnhđang đứng yên. Điều này hoàn toàn phùhợp với nguyên lí banđầu dogalileo phát biểu rằngmọi chuyển độnglà có tínhtương đối. Mặtkhác, mộtphân tích thận trọngsự lệch Dopplercủa sóng nước hay sóng âm cho thấy, chỉ gần đúng,ở tốc độ thấp, rằng sự lệch đúng làphụ thuộc vào chuyển động tương đốicủa nguồnvà người quan sát. Chẳng hạn, có khả năng một chiếc máy bay phản lực giữ lại sóng âm riêng của nó, sao cho sóng âmdườngnhư vẫn đứng yên đối với người phicông củamáy bay.Ngườiphi côngkhi đó biết côta đang chuyển động chínhxác ở tốc độ của âm thanh. Lí dođiều này không bác bỏ chuyển động tương đốilà người phicôngkhôngthật sự xác địnhchuyển động tuyệt đối của cô ta mà làchuyển độngtương đối của cô ta với không khí, nó là môi trường của sóng âm. Einsteinnhậnra điều này giải quyết đượcvấn đề đối với sóng âmhay sóng nước, nhưngsẽ không cứu nguychonguyên lí chuyển động tươngđối trong trường hợp sóngánh sáng, vì ánh sáng không phải là dao độngcủa bất kìvật chất nào như nước hay không khí. Bắt đầu bằng cách tưởng tượngmột chùm ánh sáng sẽ trông như thế nào đối với một ngườiđang lái xe mô tô sát bêncạnh nó, cuối cùng Einstein đã đi tới một cách thức hoàn toànmới để mô tả vũ trụ, trong đó khônggian vàthời gian bị bóp méo khi đo bởi người quansát ở những trạng thái chuyển động khác nhau. Làhệ quả của Lí thuyết tương đối này,ôngđã chứng minh rằng sóng ánh sáng sẽ có độ lệch Dopplerđúngchính xác, không còn gần đúng, chỉ phụ thuộc vào chuyển động tươngđốicủa nguồnvà máythu. Big Bang Ngay khicác nhà thiên văn bắt đầu nhìnlên bầu trời quakính thiên văn,họ đã bắt đầuchú ý tới những đốitượng nhất định trông giống như nhữngđám mây trong không giansâu thẳm. Thựctế họ nhìn thấy giống nhau từ đêmnày qua đêm khác nghĩa là họ đã nhìn ra ngoài bầu khí quyển của tráiđất. Khôngbiết chúng thật sự là gì, nhưngmuốnnghenói một cách trangtrọng,họ gọi chúng là “tinhvân”, nghĩa là những“đámmây” nhưng xungquanh thì nguynga hơn. Vào đầu thế kỉ 20, các nhà thiên văn nhậnra rằng mặc dù một số chúng thật sự lànhững đám mây khí (ví dụ, “ngôi sao” ở giữa của lưỡigươm của chòmOrion, nó trông mờ mờ ngaycả với mắttrầnkhi điều kiện thời tiết tốt), những tinh vân khác thìlà cái ngày nay chúng ta gọi là thiên hà: nhữngvũ trụ thực sự cô lập gồm hàng tỉ tỉ ngôi sao(ví dụ như thiên hà Tiên Nữ, nó có thể trông thấylà mộtmảng mờ qua ống nhòm). Ba trămnăm saukhi galileo phângiải Dải Ngân hà thành từngngôi sao riêng rẻ qua kính thiên văncủa ông, các nhà thiên văn nhận thấy vũ trụ cấu thành từ những thiên hàsao, vàDải Ngân hàđơn giản là phần nhìn thấy của cái đĩa phẳngcủa thiên hà củachúng ta, nhìntừ bên trong ra. Điều nàymở ra nghiên cứu khoa học về vũ trụ học,cấu trúcvà lịch sử củavũ trụ như mộttổng thể, lĩnhvực không được khaiphá nghiêm túc kể từ thời Newton. Newton đã nhận thấy nếu hấp dẫn luôn luôn làlực hút, không bao giờ đẩy nhau,thì vũ trụ sẽ có xu hướngco lại.Lời giải của ông cho bàitoán là thừa nhận mộtvũ trụ vô hạn và phân bố đềuvật chất, sao cho nó không có tâm hình học. Lực hấp dẫn trong một vũ trụ như thế sẽ luôn có xu hướng triệt tiêu nhaudo đối xứng, nên sẽ khôngcó sự co lại. Vàothế kỉ 20, niềm tin vào một vũ trụ bất biến và vô hạn đã trở thành một kiếnthứcthông lệ trong khoahọc,một phần là do phản ứnglại thời kì đã lãng phí đi tìm lời giải thíchcủa nhữnghiệntượngđịa chấtcổ đạidựa trên hóa thạch đề xuất bởi các sự kiện kinh thánh như nạn hồng thủy Noah. Vào những năm 1920, nhà thiên văn học EdwinHubble bắt đầu nghiên cứu sự lệch Dopplercủa ánh sáng phát ra bởicác thiên hà. Từnglàmột cầu thủ bóng đá ở trường học với thói nghiệm nicotine nghiêm trọng,Hubble không sắp đặt làm thayđổi bức tranh của chúng tavề sự bắt đầu của vũ trụ. Quyển tự truyện của ông thậmkhí ít khi nhắc tới khám phá vũ trụ họcmà ngày nayông được nhớ tới. Khi các nhà thiên văn bắt đầu nghiêncứu sự lệch Doppler của các thiênhà, họ trông đợi hướng và vận tốc chuyển động của từng thiên hà sẽ về cơ bản là ngẫunhiên. Một số đã và sẽ đi tới chúng ta, và ánh sáng của chúngdo đó sẽ bị lệch Doppler về đầu xanh của quangphổ, trongkhi mộtsố lượngbằng như thế được trông đợi bị lệch về phía đỏ.Cái Hubble tìmthấythay vì vậy là trừ một vài thiên hàrất gần,tất cả các thiên hà đều bị lệch đỏ, cho thấychúng đanglùi xakhỏichúng ta ở một phần lớn của tốc độ ánh sáng.Không những thế, mà cácthiênhà ở càng xa thìlùi xacàng nhanh.Tốc độ tỉ lệ thuận với khoảng cách của chúngđếnchúng ta. Liệu có phải đây nghĩa là trái đất(hay ít nhất là thiên hà của chúng ta) là trung tâmcủa vũ trụ ? Không,vì sự lệch Doppler của ánhsángchỉ phụ thuộc vào chuyển động tương đốicủa nguồnvà người quan sát. Nếu chúng ta thấy mộtthiên hà ở xa đang chuyển động ra xachúng ta ở tốc độ khoảng10% tốc độ ánhsáng, thì chúng ta có thể chắc chắnrằng những nhà thiên văn sốngtrongthiên hà đó sẽ thấy thiên hàcủa chúng ta đang lùi xakhỏi họ ở cùngtốc độ theo hướng ngược lại. Toàn bộ vũ trụ có thể hình dunglà ổ bánh đangtrươngphồng của bánhmì nhân nho khô.Khi bột dãn nở, càng lúccàng có nhiều không gian giữa các hạt nho khô. Hai hạt nhocàng cách xa nhau, thì tốc độ mà chúngdời ra xanhau càng lớn. x/ Thiên hà M51.Dướisự phóng đại cao, nhữngđám mây sữa tự bộclộ chúng gồm hàng tỉ tỉ ngôi sao. y/ Làm thế nào các nhà thiên văn biếthỗn hợp nào của bước sóngmà một ngôi saophát raban đầu để họ có thể nói độ lệch Dopplerlà baonhiêu? bức ảnh này (thuđược bởi tác giả với thiết bị tốnkhoảng5 đô la, và không có kính thiên văn) cho thấy hỗnhợp màu sắc phát rabởi ngôi saoSirius(Nếu bạn có sách in trắng đen, thìmàuxanh ở bên trái và màuđỏ ở bên phải) Ngôi sao trôngcó màu trắng hay trắng hơi xanhđối với mắt, nhưng bất kì ánh sáng trôngcó màutrắng nếu nó gồm đại thể mộthỗn hợp ngang bằng củacác màu cầu vồng,tứclà của mọi sóng sinthuầnkhiết có bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy.Hãy chúý “kẽ răng” màu đen. Đây là dấu vân tay của hydrogentrongkhí quyển bên ngoài của Sirius. Những bước sóng này bị hấpthụ chọn lọc bởi hydrogen. Sirius nằm trong thiên hà của chúng ta,nhưng những ngôi sao tươngtự nằm trong những thiên hàkháccũng sẽ hìnhảnh chungbị lệch về phía đầu đỏ, xácnhận chúngđangchuyển động ra xa chúng ta. z/ Kính thiên văn tại núiWilson màHubble sử dụng. Suy ngược lại thời gianbằng các định luật vật lí đã biết,vũ trụ càng sớm hơn càng phải đậmđặc hơn.Tại mộtđiểm nào đó,nóphải cực kì đậm đặc và nóng,và chúng ta thậm chí có thể pháthiện ra bức xạ từ quả cầu lửa sơ khai này, dưới dạng bức xạ vi sóng tràn ngập khônggian. Cụm từ BigBangban đầu được đặt ra bởi những người nghingờ lí thuyết đó làm chonó nghethật buồn cười, nhưngnó đã trụ được, và ngày nay về cơ bản thì mọinhà thiênvăn đều chấpnhận lí thuyết Big Bang dựa trên bằng chứng rất trực tiếp về sự lệch đỏ và bức xạ nền vũ trụ. Big Bang chẳng phải là cái gì Cuối cùng, cầnphải chúý rằng BigBangchẳng phải làcái gì. Nó không phải là lời giải thích tại saovũ trụ tồn tại. Nhữngcâuhỏi như thế thuộc về lĩnh vực tôn giáo, không phải khoahọc. Khoa học cóthể tìm thấy những lời giảithích ngày càng đơn giản hơn và cơ bản hơncho nhiều hiện tượng đa dạng, nhưngcuối cùngkhoa học coi vũ trụ như nó vốn như vậy theo các quansát. Hơn nữa,có một khuynhhướng khônghay, thậm chí trong số nhiều nhà khoa học, nói BigBang là một lí thuyết mô tả sự kiện rất đầu tiên trong vũ trụ, cái gây ra mọithứ sau nó. Mặc dù đúng làthờigian có lẽ có mộtsự bắt đầu (thuyết tương đối rộng của Einsteinthừa nhậnmột khả năng như thế), nhưngcác phương pháp khoahọc chỉ có thể hoạt động trong một phạm vi điều kiện nhất định như nhiệt độ và ápsuất. Vượtquá nhiệt độ khoảng 10 9 độ C, chuyểnđộng nhiệt ngẫu nhiêncủa cáchạt hạ nguyên tử trở nên nhanhđến mức vận tốc của nócó thể so sánh với tốc độ ánh sáng.Đủ sớm tronglịch sử vũ trụ, khi những nhiệtđộ này tồn tại, vật lí Newton trở nên kémchính xác, và chúngta phải mô tả tự nhiên bằngmột mô tả tổng quát hơn cho bởi thuyết tương đối Einstein, nó bao hàmvật lí học Newton là mộttrường hợp đặcbiệt. Ở những nhiệt độ cao hơn nữa, vượt quá khoảng 10 33 độ, cácnhà vật líbiết rằng lí thuyết Einsteincũng sẽ bắt đầu thấtbại, nhưng chúngta khôngbiết làmthế nào xâydựng lí thuyết tổng quát hơnnữacủa tự nhiên sẽ hoạt độngở những nhiệt độ đó. Chodù vậtlí học tiến bộ được bao nhiêu, thìchúng ta sẽ không bao giờ có thể mô tả tự nhiên ở những nhiệt độ cao vô hạn, vìcó một giới hạn cho nhiệtđộ mà chúng ta có thể khảo sát bằng thí nghiệm và quansát để chỉ dẫn chúng ta đến lí thuyết đúng.Chúng ta hài lòng rằngmình đã hiểu được nềnvật lí cơ bản bao hàm trong sự tiến hóa của vũ trụ bắt đầu mộtvài phút sauBigBang, vàchúng ta có lẽ có thể lần ngược lại hàngmili giây hay micro giây sau nó, nhưng chúng ta không thể sử dụngcác phương pháp khoahọcđể xử lí sự bắt đầu của bản thân thời gian. A. Nếu một chiếcmáy bay chuyểnđộng ở đúng tốc độ âm thanh, thì bước sóng của phần phát ra phía trước của sóngâm do nóphát ra bằngbao nhiêu ? Điều này phải hiểu như thế nào, và điều gì đã thật sự xảy ra ?Điều gì xảy ra nếu như nó chuyển động nhanhhơn tốc độ âm thanh? Bạncó thể sử dụng thôngtin này để giảithích cáibạn nhìn thấy ở hình aa và ab haykhông ? B. Nếu các viênđạn baychậmhơn tốc độ âm thanh, thì tại sao một chiếc máy bay chiến đấu siêu thanh bắt kịp âm thanh riêng của nó, nhưng khôngbắt kịp những viên đạn riêng của nó ? C. Nếumột ai đó ở trong mộtchiếc máy baynói chuyện với bạn,thì lời nói của họ có bị lệch Doppler không ? . Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 9) 3.5 Hiệu ứng Doppler Hình v cho thấy hình ảnh sóng tạora bởi đầu nhọn của một thanh đang dao độngchuyển độngtrongnước.Nếu thanhdaođộng tạichỗ,. hơn bìnhthường. v/ Hìnhảnh sóng tạo rabởimột nguồn điểm chuyển động sangbên phải trên nước. Chú ý bước sóngngắn hơn của sóngphát ra phíatrước và bước sóng dài ra củasóng phát ra phía sau. Hiệu. chuyển độngvề phía nó và đẩy nhanhsự chạm trán của cô ta với nó. Nói đại khái, hiệu ứng Doppler chỉ phụ thuộc vào chuyển độngtương đối của nguồn phát và người quan sát, chứ khôngphụ thuộc vào trạng