Nội dung kiến thức chương “Sóng cơ và sóng âm” Vật lý 12

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN

2.3. Nội dung kiến thức chương “Sóng cơ và sóng âm” Vật lý 12

2.3.1. Sóng cơ và sự truyền sóng cơ

Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường.

Dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra thành hai loại: Sóng dọc và

sóng ngang. Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử mơi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng. Sóng ngang là sóng trong đó các phần tử của

môi trường dao động theo phương vng góc với phương truyền sóng.

Sự truyền của một sóng hình sin trên một sợi dây đàn hồi được thể hiện trong hình 2.1.

Truyền cho phần tử 0 một dao động theo phương thẳng đứng có chu kì T.

- Ở thời điểm ban đầu t = 0, tất cả các phần tử của dây đều đứng yên ở vị trí I. - Trong khoảng thời gian t = T/4, phần tử 0 chuyển động từ vị trí cân bằng lên vị trí cao nhất. Trong khi đó lực liên kết đàn hồi kéo phần tử 1 chuyển động theo, nhưng chậm hơn. Cũng như thế chuyển động được truyền đến phần tử 2 sau phần tử 1. Dây có vị trí II.

- Phần tử 0 tiếp tục dao động và dao động này lần lượt được truyền cho các phần tử tiếp theo của dây. Các phần tử này thực hiện dao động cùng tần số, cùng biên độ với phần tử 0 nhưng trễ pha hơn.

Các đặc trưng của một sóng hình sin gồm chu kì sóng T (hoặc tần số sóng f), biên độ sóng, tốc độ sóng, bước sóng và năng lượng sóng.

Chu kì T (hoặc tần số) của sóng là chu kì dao động (hoặc tần số dao động) của một

phần tử mơi trường có sóng truyền qua và cũng bằng chu kì dao động (hoặc tần số dao động) của nguồn phát sóng.

Biên độ sóng A là biên độ dao động của một phần tử mơi trường có sóng truyền qua. Bước sóng  là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kì. Hai phần tử

nằm trên cùng một phương truyền sóng, cách nhau một bước sóng thì dao động đồng pha với nhau.

Tốc độ truyền sóng v là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường. Đối với mỗi

mơi trường xác định, tốc độ truyền sóng có giá trị khơng đổi.

Năng lượng sóng là năng lượng truyền cho các phần tử của môi trường để chúng

thực hiện dao động.

Phương trình sóng:

+ Giả sử phương trình dao động tại nguồn O là: uO = A.cosωt

với uO là li độ của O so với vị trí cân bằng của nó, A là biên độ dao động của phần

tử tại O.

+ Phương trình dao động của phần tử môi trường tại điểm M là:

uM = Acos t x v       = Acos2π        x T t

Trong phương trình, T là chu kì sóng, f = 1/T là tần số của sóng, nó bằng tần số dao

động của nguồn phát sóng, lượng 2π        x T t

là pha của sóng tại M vào thời điểm t,

đại lượng = vT là bước sóng.

Phương trình này cho biết li độ u của phần tử có toạ độ x vào thời điểm t, đó là một hàm vừa tuần hồn theo thời gian và vừa tuần hồn theo khơng gian. Thật vậy, cứ sau mỗi chu kì T thì dao động tại một điểm trên trục Ox lại lặp lại giống như cũ. Và cứ cách nhau một bước sóng  trên trục Ox thì dao động tại các điểm lại giống hệt nhau (dao động đồng pha với nhau). Vậy q trình truyền sóng là một q trình tuần hồn theo thời gian và trong không gian với các đặc trưng là chu kì T và bước sóng . Tính lưỡng tuần hồn là một đặc tính quan trọng của sóng.

2.3.2. Hiện tượng đặc trưng của sóng Giao thoa sóng Giao thoa sóng

Hiện tượng giao thoa là hiện tượng hai sóng gặp nhau thì xuất hiện các gợn sóng

ổn định, trong đó có những điểm chúng ln tăng cường lẫn nhau; có những điểm chúng ln ln triệt tiêu lẫn nhau.

Điều kiện xảy ra hiện tượng giao thoa là hai sóng gặp nhau phải là hai sóng kết

hợp.

Hai sóng kết hợp là hai sóng được sinh ra bởi hai nguồn dao động cùng phương,

có cùng tần số và có hiệu số pha khơng đổi theo thời gian.

Có thể khảo sát lí thuyết về hiện tượng giao thoa sóng như sau:

Xét một điểm M trên mặt nước cách S1, S2 lần lượt là d1 = S1M, d2 = S2M. Phương trình dao động tại 2 nguồn S1, S2 là: 1 2

2 cos cos t u u A t A T     

Coi biên độ bằng nhau và khơng đổi trong q trình truyền sóng.

Sóng tổng hợp tại M: uM u1M u2M A cos 2 (t d1) cos 2 (t d2)

T T                 ( 2 2) 1 2 2 cos cos 2 2 M d d t d d u A T              

Biên độ dao động là: ( 2 1) 2 cos M d d A A    

Như vậy tuỳ thuộc vào hiệu đường đi (d2 – d1) mà khi hai sóng đến gặp nhau

tại M có thể ln ln tăng cường nhau làm cho phần tử tại M dao động mạnh lên, hoặc triệt tiêu nhau làm cho phần tử tại M đứng yên.

Ta thấy điểm M dao động với biên độ cực đại Amax khi: ( 2 1) cos d d 1     ( 2 1) cos d d 1      (d2 d1) k      d2d1k; với k = 0, ± 1, ± 2….

Hay những điểm M thoả mãn điều kiện hiệu đường đi bằng một số ngun lần bước sóng thì ln có biên độ dao động cực đại. Quỹ tích các điểm này là những đường Hypebol có 2 tiêu điểm là S1 và S2, còn những điểm M ứng với k = 0  d1 = d2 quỹ tích là đường trung trực của S1S2. Các đường đó gọi là những vân giao thoa cực đại. Điểm M dao động với biên độ cực tiểu (AM = 0) khi:

( 2 1) cos d d 0     ( 2 1) 2 d d k         2 1 1 2 d d k    ; (k 0; 1; 2....)  Hay những điểm M thoả mãn điều kiện hiệu đường đi bằng một số nửa ngun lần bước sóng thì ln có biên độ dao động cực tiểu. Quỹ tích các điểm này là những đường Hypebol có 2 tiêu điểm là S1 và S2 gọi là những vân giao thoa cực tiểu .

Hiện tượng giao thoa là một hiện tượng đặc trưng của sóng (cả sóng dọc và sóng ngang). Q trình vật lí nào gây ra được hiện tượng giao thoa cũng tất yếu là một q trình sóng.

Sóng là một quá trình biến đổi nhanh theo thời gian. Vì thế rất khó xác định những tính chất của sóng đang chuyển động bằng mắt. Hiện tượng giao thoa xảy ra trong trạng thái dừng (quan sát bằng mắt thường thấy hiện tượng hình như đứng n) nên có thể cho phép xác định một số đặc điểm của sóng khá thuận lợi và chính xác.

Sóng dừng

Sóng dừng là sóng truyền trên sợi dây trong trường hợp xuất hiện các nút và

các bụng. Khoảng cách giữa hai bụng sóng liền kề và khoảng cách giữa hai nút sóng liền kề là λ/2. Khoảng cách giữa một bụng sóng và một nút sóng liền kề là λ/4.

Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu cố định là chiều dài của sợi dây (l) thoả mãn: l = k

2 

.

Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có một đầu cố định, một đầu tự do là chiều dài của sợi dây (l) thoả mãn: l = (2k+1)

4 

.

2.3.3. Âm học

Sóng âm là các sóng cơ truyền trong các mơi trường khí, lỏng, rắn (mơi trường đàn hồi). Nguồn âm là các vật dao động.

Âm nghe được (âm thanh) có tần số trong khoảng từ 16Hz đến 20000 Hz.

Đó là những âm có tác dụng làm cho màng nhĩ trong tai ta dao động, gây ra cảm giác âm.

Âm có tần số dưới 16 Hz gọi là hạ âm, âm có tần số trên 20000Hz gọi là siêu âm. Đó là những âm mà tai người khơng nghe được.

Âm không truyền được trong chân không, truyền được qua các chất rắn, lỏng và khí. Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của mơi trường. Nói chung tốc độ truyền âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng và trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí (vkhí < vlỏng < vrắn). Trong chất khí và chất lỏng, sóng âm là sóng dọc vì trong các chất này lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi có biến dạng nén – giãn. Trong chất rắn sóng âm có thể là sóng dọc hoặc sóng ngang vì lực đàn hồi xuất hiện cả khi có biến dạng nén - giãn và biến dạng lệch.

Âm hầu như không truyền được qua các chất xốp như bơng, len... những chất

đó gọi là các chất cách âm. Đặc trưng vật lí của âm.

Mỗi âm có ba đặc trưng vật lí là tần số âm; cường độ âm và mức cường độ âm; đồ thị dao động của âm.

Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của âm. Mỗi âm

có một tần số riêng chính là tần số dao động của nguồn.

Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng

trong một đơn vị thời gian. Đơn vị cường độ âm là ốt trên mét vng (W/m2). Đại lượng L=lg

0 I

I gọi là mức cường độ âm của I (so với âm I0). Trong đó I0 là cường độ âm chuẩn (âm có tần số 1000Hz, cường độ I0= 10-12 W/m2);

Đơn vị của mức cường độ âm là ben, kí hiệu B hoặc đêxiben (dB): 1 dB = 1 B 10 . Cơng thức tính mức cường độ âm theo đơn vị đêxiben là: L(dB) = 10lg

0 I I .

Khi cho một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f0 (gọi là âm cơ bản) thì bao giờ nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra một loạt âm có tần số 2f0, 3f0... (gọi là các hoạ

âm). Tổng hợp tất cả các hoạ âm trong một nhạc âm ta được phổ của nhạc âm. Phổ

của cùng một âm do các nhạc cụ khác nhau phát ra thì hồn tồn khác nhau. Tổng

hợp đồ thị dao động của tất cả các hoạ âm trong một nhạc âm ta được đồ thị dao động của nhạc âm đó.

Đặc trưng sinh lí của âm

Đặc trưng sinh lí của âm gồm độ cao, độ to và âm sắc.

Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số âm. Âm có

thể trầm hoặc thanh, nghĩa là có độ cao khác nhau. Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số của âm: tần số càng tăng thì độ cao của âm phát ra càng cao. Các âm nhỏ hơn 16Hz hoặc lớn hơn 20000Hz thì khơng gây kích thích ở trong ốc tai và không gây ra cảm giác âm đối với con người.

Độ to của âm là một khái niệm nói về đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc

trưng vật lí mức cường độ âm.

Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn âm khác nhau phát ra. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm. Âm sắc

của một âm phụ thuộc số lượng hoạ âm được phát ra cùng với âm cơ bản, và biên độ của mỗi hoạ âm cụ thể.