5.1.1.Các khái niệm chung
Trong một môi trường vật chất khi một phần tử thực hiện dao động cơ điều hòa thì do tương tác, dao động ấy có thể truyền sang các phần tử khác lân cận và cứ thế truyền đi khắp môi trường, tạo thành “sóng cơ học”.
Vậy, những dao động cơ điều hòa lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay gọi tắt là “sóng cơ”.
Ví dụ : khi ta ném hòn đá xuống mặt nước phẳng lặng, mặt nước nơi hòn đá rơi xuống dao động, dao động này lan truyền theo mọi phương trên mặt nước, tạo thành sóng trên mặt nước dưới dạng những vòng tròn đồng tâm lan rộng.
Vậy, hiện tượng truyền sóng là hiện tượng truyền dao động từ hạt này sang hạt khác trrong môi trường, còn các hạt trong môi trường chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng, chúng không bị đẩy theo phương truyền sóng .
Sóng cơ truyền được trong môi trường vật chất đàn hồi như : rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không, vì trong chân không không có môi trường vật chất đàn hồi làm giá đỡ để sóng lan truyền.
Đề tài : Vật chất và Vận động trong vật lý học
Điểm khác nhau quan trọng giữa sóng cơ và bất kỳ một chuyển động có trật tự nào của một phần tử môi trường là ở chổ sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ, không kèm theo quá trình vận chuyển chất. Ta gọi vạt gây kích động là nguồn sóng ; phương truyền sóng gọi là “tia sóng” ; không gian mà sóng truyền qua gọi là “trường sóng” .
Dựa vào cách truyền sóng, ta chia sóng cơ ra làm hai loại : sóng ngang và sóng dọc.
• Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng. Ví dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một đầu. Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng.
• Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng. Ví dụ : khi ta nén lò xo rồi buông tay ra, trên lò xo xuất hiện những đoạn nén và đoạn dãn. Hình ảnh những đoạn này là sóng dọc. Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích.
Hình 5.1.sóng ngang và sóng dọc
Quỹ tích những điểm trong trường sóng mà ở đó các dao động có cùng giá trị pha (nghĩa là những điểm có sùng trạng thái dao động ) dược gọi là “mặt sóng”.
Với những giá trị pha khác nhau, ta có họ các mặt sóng khác nhau. Ranh giới giữa phần môi trường mà sóng đã truyền qua và phần chưa bị kích động được gọi là “mặt đầu sóng”.
Đề tài : Vật chất và Vận động trong vật lý học
Dựa vào dạng của mặt đầu sóng người ta chia các sóng ra thành sóng cầu và sóng phẳng, sóng elipxoit,...
Đối với môi trường đồng chất và đẳng hướng, mặt đầu sóng là mặt cầu, có tâm ở nguồn sóng. Tia sóng vuông góc với mặt đầu sóng, nghĩa là trùng phương với bán kính mặt cầu. Dạng sóng này gọi là “sóng cầu”.
Nếu nguồn sóng ở rất xa phần tử môi trường mà ta khảo sát thì mặt sóng là những mặt song song. Trong trường hợp này các tia sóng là những đường thẳng song song với nhau và thẳng góc với các mặt sóng. Dạng sóng này gọi là “sóng phẳng”.
Hình 5.2. sóng cầu (a) và sóng phẳng (b) 1.nguồn sóng. 2.tia sóng. 3.mặt sóng 5.1.2.Các đặc trưng của sóng
Vận tốc sóng : là quảng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian. Trong môi trường đẳng hướng, vận tốc của sóng dọc bằng : hay
Trong đó là suất đàn hồi. là hệ số đàn hồi.
là khối lượng riêng của môi trường. Còn vận tốc sóng ngang bằng :
Với G: là suất trượt của môi trường.
Chu kỳ và tần số: chu kỳ T và tần số f của sóng là chu kỳ và tần số của các phần tử dao động trong môi trường.
Đề tài : Vật chất và Vận động trong vật lý học
Bước sóng () :là quảng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng một chu kỳ.
Từ hình vẽ ta thấy, bước sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm có da động cùng pha.
Tần số góc :
5.1.3.Hàm sóng
Gọi u là một đại lượng đặc trưng cho độ dời của phần tử dao động lan truyền dọc theo một phương xác định.Theo phương x như hình vẽ.
Giả sử tại điểm x = 0 (tức là tại điểm O) đại lượng u biến thiên theo thời gian với quy luật : u = f(t )
Vì dao động truyền đi nên ở một điểm M bất kỳ, tại thời điểm t, đại lượng dao động sẽ lấy giá trị giống như ở O nhưng ở thời điểm
u(x,t) = f(0,t’) hay u(x,t) = f(t- ) (5.1)
biểu thức (5.1) mô tả sóng phẳng lan truyền theo trục x với vận tốc v gọi là hàm sóng. Sóng đơn giản nhất là sóng phẳng đơn sắc. Đó là sóng mà dao độngtại mọi điểm là dao động điều hòa, đại lượng dao động được xác định bởi biểu thức:
Đề tài : Vật chất và Vận động trong vật lý học
Với A: là biên độ dao động ; là tần số góc.
là pha của sóng ; là pha ban đầu. Thường chọn = 0, do đó:
Biểu thức (5.2) được gọi là hàm sóng. Ta có thể biểu diễn (5.2) dưới dạng khác như sau :
Trong một số trường hợp người ta còn biểu diễn hàm sóng dưới dạng số phức:
Với cách hiểu là (5.3) chỉ là phần thực của (5.4)
Đặt gọi là “vecto sóng”, với là vec to đơn vị cho biết phương chiều truyền sóng. Và ta có :
Với là bán kính vecto vẽ tới điểm mà ta khảo sát dao động, khi đó hàm (5.4) trở thành:
Hàm (5.5) là dạng số phức của hàm sóng.