SÓNG VÀ CÁC ÐẶC TRƯNG CỦA SÓNG.

Bạn đang xem: Sóng trên mặt nước là sóng gì

NĂNG LƯỢNG CỦA SÓNG CƠ SỰ GIAO THOA SÓNG NGUYÊN LÝ HUYGENS VÀ HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ SÓNG CƠ DAO ÐỘNG ÂM VÀ SÓNG ÂM


Khi một phần tử trong môi trường vật chất dao động thì do tương tác, dao động có thể truyền sang các phần tử khác và cứ thế truyền đi khắp môi trường, tạo thành sóng cơ. Trong chương này ta sẽ nghiên cứu những tính chất của sóng cơ và những hiện tượng do sóng cơ gây ra, đặc biệt là các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ.

I. SÓNG VÀ CÁC ÐẶC TRƯNG CỦA SÓNG
1. Sự hình thành sóng cơ trong môi trường vật chất

TOP

Các môi trường vật chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) coi như là những môi trường liên tục gồm các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phần tử có vị trí cân bằng bền. Nếu tác dụng lực lên một phần tử A nào đó của môi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác, các phần tử bên cạnh, một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, một mặt cũng chịu lực tác dụng và do đó cùng thực hiện dao động. Hiện tượng cứ tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng cơ.

Ðiểm khác nhau quan trọng giữa các sóng cơ trong môi trường với 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 vật chất.

Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phương truyền sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng.

2. Sóng ngang và sóng dọc

TOP

Dựa vào cách truyền sóng, ta chia sóng cơ ra làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc. Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng. Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây dài khi ta rung nhẹ một đầu (hình7.1a). Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn.

Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng. Thí dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra (hình 7.1b). Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xo chính là sóng dọc.

Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích. Do đó nó truyền được trong các vật chất rắn cũng như trong các môi trường lỏng và khí.

*

Trường hợp ngoại lệ là các sóng mặt xuất hiện trên các mặt thoáng của chất lỏng

hoặc mặt phân cách những môi trường lỏng không trộn lẫn vào nhau. Trong trương hợp này các phần tử của chất lỏng đồng thời thực hiện các dao động dọc và ngang, vẽ nên những quỹ đạo êlip hay phức tạp hơn.

3. Mặt sóng và mặt đầu sóng. Sóng cầu và sóng phẳng

TOP

Quỹ tích những điểm trong môi trường sóng mà ở đó các dao động có cùng giá trị pha được gọi là mặt sóng. Ứng với những giá trị pha khác nhau, ta có họ các mặt sóng khác nhau.

Xem thêm: Hướng Dẫn 9 Cách Trang Trí Thiết Kế Phòng Ngủ Nhỏ 6M2,7M2,8M2 Đẹp Tiện Nghi

Giới hạn giữa phần môi trường mà sóng đã truyền qua nhưng các phân tử môi trường chưa dao động gọi là mặt đầu sóng. Dựa vào hình dạng mặt đầu sóng người ta chia các sóng ra thành sóng cầu và sóng phẳng.

*

sóng là những đường thẳng song song nhau và thẳng góc với các mặt sóng (hình7.2b)

4. Các đặc trưng của sóng

TOP

a) Vận tốc sóng

Vận tốc sóng là quảng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian. Trong lý thuyết đàn hồi, người ta đã chứng minh được trong môi trường đẳng hướng, vận tốc sóng dọc bằng:

*

b) 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 của môi trường.

c) Bước sóng

*

II. HÀM SÓNG

TOP

Ta xét độ dời x của một phần tử môi trường dao động do sóng lan truyền đến theo một phương xác định y (hình 7.4). Giả sử tại điểm O (y = 0) của môi trường đại lượng dao động x biến thiên theo thời gian với quy luật:

*

Sóng đơn giản nhất là sóng phẳng đơn sắc. Ðó là sóng mà dao động tại mỗi điểm là dao động điều hoà, một đại lượng x bất kỳ trong biểu thức đó được xác định theo biểu thức:

*

*

*

Ðây chính là phương trình sóng đối với sóng truyền theo phương y.

Nếu sóng truyền trong khắp không gian và toạ độ các điểm dao động được xác định bằng ba trục X, Y, Z thì phương trình sóng có dạng tổng quát như sau

*

III. NĂNG LƯỢNG CỦA SÓNG CƠ

TOP

Khi một phần tử của môi trường bị kích động, nó nhận được năng lượng từ nguồn sóng. Dao động được truyền đi tạo thành sóng. Ta hãy tìm biểu thức của năng lượng sóng.

1. Năng lượng của sóng

TOP

*

Có thể tìm thấy biểu thức (7.14) theo cách sau:

*

*

2. Mật độ năng lượng sóng

TOP

*

3. Năng thông sóng. Véctơ Poynting-Ymob

TOP

Năng thông sóng P qua một mặt nào đó trong môi trường là một đại lượng có trị số bằng năng lượng sóng gởi qua mặt đó trong một đơn vị thời gian.

*

IV. SỰ GIAO THOA SÓNG
1. Nguyên lý chồng chất sóng

TOP

Khi có nhiều sóng có biên độ nhỏ, đồng thời truyền qua một miền nào đó của môi trường đàn hồi thì dao động của mỗi điểm trong miền đó là tổng hợp các dao động gây ra bởi từng sóng riêng rẽ. Các sóng đó không làm nhiễu loạn nhau. Sau khi gặp nhau, các sóng đó vẫn truyền đi như chúng truyền đi riêng rẽ. Ðó là nội dung của nguyên lý chồng chất sóng được tìm ra bằng thực nghiệm.

*

2. Khảo sát sự giao thoa

TOP

Ðể đơn giản chúng ta khảo sát sự giao thoa của các sóng kết hợp trên mặt nước. Có thể thấy hình ảnh giao thoa bằng cách nối một lò xo dao động với một thanh âm thoa mà hai đầu chạm xuống mặt nước qua hai hòn bi nhỏ (Hình 7.6)

*

Ðể thấy rõ kết quả giao thoa tại M, ta khảo sát sự biến thiên của biên độ tổng hợp A theo hiệu số khoảng cách

*

*

V. NGUYÊN LÝ HUYGENS VÀ HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ SÓNG CƠ
1. Thí nghiệm

TOP

*

2. Nguyên lý Huygens

TOP

Có một nguồn sóng O được bao quanh bởi một mặt kín tưởng tượng S (hình 7.9). Những sóng phát ra từ mặt kín S sẽ đi ra ngoài qua toàn bộ các điểm của mặt này.