Bài 8. Mô tả sóng

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường gặp hay nghe đến nhiều loại sóng như: sóng nước, sóng âm, sóng vô tuyến, sóng biển, sóng địa chấn,... Vậy sóng được hình thành như thế nào và có những đặc điểm gì?

Chuẩn bị:

Thiết bị tạo sóng mặt nước bằng
kênh tạo sóng (Hình 8.1). Đề xuất
cách đo các đại lượng đặc trưng
như: biên độ sóng, bước sóng, chu
kì của sóng và tốc độ truyền sóng
trên mặt nước.

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, thì
dao động đó được truyền cho các
phần tử nước từ gần ra xa.

Kết quả:

Quan sát qua thành kênh thẳng đứng, ta thấy mặt cắt của nước có dạng hình sin.

Miếng xốp C dao động lên xuống tại chỗ, còn những biến dạng của mặt nước lan truyền
đi từ nguồn sóng O ra xa cho ta hình ảnh về sóng có trên mặt nước. O là nguồn sóng,
nước là môi trường truyền sóng, đường thẳng OC là phương truyền sóng.

Đồ thị sóng được mô tả như trên Hình 8.2.

CHƯƠNG II - SÓNG

Hình 8.2 là đồ thị một sóng hình sin lan truyền trên mặt nước theo phương Ox.

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 lân cận điểm M dao động. Ta nói có sự
truyền dao động từ điểm này sang điểm
khác tạo nên sóng mặt nước.

Như vậy, có hai nguyên nhân tạo nên
sóng truyền trong một môi trường. Đó
là nguồn dao động từ bên ngoài tác dụng
lên môi trường tại điểm O và có lực liên
kết giữa các phần tử của môi trường.

Các phần tử môi trường chỉ dao động
trong một phạm vi không gian rất hẹp,
trong khi sóng truyền đi rất xa.

CHƯƠNG II - SÓNG

Giả sử có một sóng mặt nước hình sin lan
truyền từ nguồn O theo phương Ox (Hình 8.3).
Tại thời điểm bắt đầu quan sát $(t=0)$ phần tử
nước tại O bắt đầu đi lên, còn các điểm khác
chưa dao động.

Tại $t=\frac{T}{4}$ phần tử nước tại O đi lên đến vị trí
biên, trong khi đó sóng truyền đến điểm M cách O một đoạn $d=v\cdot \frac{T}{4}=\frac{\lambda }{4}\mathrm{.}$ Phân tử nước
tại M trễ pha hơn phần tử nước tại O là $\frac{\pi }{2}\mathrm{.}$ Hình 8.3a cho biết hình dạng của sóng tại $t=\frac{T}{4}\mathrm{.}$

Tại $t=\frac{T}{2},$ phần tử nước tại O về đến vị trí cân bằng, phần tử nước tại M đi lên đến vị trí biên,
còn sóng lan đến điểm N cách M một khoảng bằng $\frac{\lambda }{2}\mathrm{.}$ Điểm N trễ pha hơn điểm M là $\frac{\pi }{2},$ hay
trễ pha hơn phần tử nước tại O là $\pi \mathrm{.}$ Hình dạng sóng được mô tả ở Hình 8.3b.

Tại $t=\frac{3T}{4},t=T$, hình dạng của sóng được chỉ trên Hình 8.3 c, d.

Biên độ sóng là độ lệch lớn nhất của phần tử sóng khỏi vị trí cân bằng. Sóng có biên độ
càng lớn thì phần tử sóng dao động càng mạnh.

Bước sóng là khoảng cách từ một phần tử môi trường bất kì trên phương truyền sóng
đến phần tử gần nhất có trạng thái dao động hoàn toàn tương tự. Bước sóng được kí hiệu
là $\lambda$, đơn vị là mét.

Chu kì sóng chính bằng chu kì dao động của phần tử sóng. Chu kì kí hiệu là T, đơn vị là giây.

Tần số sóng: đại lượng $f=\frac{1}{T}$ được gọi là tần số sóng.

Tốc độ truyền sóng là tốc độ lan truyền dao động trong không gian.

CHƯƠNG II - SÓNG

Cường độ sóng 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. Đơn vị cường độ sóng
là $\mathrm{W}\mathrm{/}{\mathrm{m}}^2$.

CHƯƠNG II - SÓNG