KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Ở bờ biển, ta thấy các con sông nối tiếp nhau xô vào bờ. Các con sóng lớn có thể lan truyền hàng trăm kilômét trên mặt biển trước khi đập vào bờ. Hình 1.1 mô tả các con sóng đến gần bờ sau quãng đường dài lan truyền trên mặt biển. Vậy sóng được tạo ra và lan truyền như thế nào?

Lời giải:

• Sóng biển là một dạng sóng cơ học được tạo ra bởi sự chuyển động của nước trong đại dương. Có nhiều nguyên nhân tạo ra sóng biển, bao gồm sức ép của gió, sự di chuyển của trận động đất, hoặc sự tác động của triều cường.

I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG 

Câu hỏi: Lấy một ví dụ về sóng.

Lời giải:

Sóng trên sợi dây dàn ghita khi người nghệ sỹ gẩy đàn

1. Biên độ sóng 

Luyện tập 1: Xác định biên độ và bước sóng của sóng được mô tả trong đồ thị li độ u (cm) - khoảng cách x (cm) ở Hình 1.3.

Lời giải:

Biên độ sóng A = 6 cm

Ta thấy từ gốc x = 0 đến vị trí x = 56 có 7 khoảng, từ đó xác định được độ dài mỗi khoảng là 8 cm.

Bước sóng ứng với 8 khoảng nên λ = 64cm.

Câu hỏi 2: Chứng tỏ rằng từ định nghĩa về bước sóng, tốc độ sóng, tần số sóng, có thể rút ra công thức (1.2). $v= f\lambda$

Lời giải:

Từ định nghĩa, bước sóng $\lambda$ là khoảng cách giữa hai điểm trên đường truyền sóng có pha giống nhau và tần số $f$ là số lần dao động của sóng trong một giây.

Để tìm tốc độ sóng, ta sẽ tính được quãng đường mà sóng đi được trong một giây. Với tần số $f$, mỗi dao động của sóng sẽ di chuyển một khoảng $\lambda$ trong một chu kì $T$ của sóng, do đó, tốc độ sóng $v$ sẽ là khoảng cách $\lambda$ đi được trong một giây, tức là:

$v = \frac{\lambda}{T} = \lambda f$

Từ đó ta có công thức:

$v = f\lambda$

Đây chính là công thức tốc độ sóng dựa trên định nghĩa về bước sóng và tần số sóng.

5. Cường độ sóng 

Câu hỏi 3: Lấy ví dụ chứng tỏ sóng truyền năng lượng.

Lời giải:

Khi một người nói chuyện, cơ quan phát âm của họ tạo ra sóng âm, tạo ra các áp suất khác nhau trong không khí.

Luyện tập 3: Cường độ của một sóng sẽ bị suy giảm khi truyền đi trong không gian. Khi sóng lan truyền, biên độ sóng giảm dần. Biết rằng cường độ sóng tỉ lệ với bình phương của biên độ sóng. Tại vị trí mà biên độ sóng giảm còn một nửa so với nguồn phát thì cường độ sóng tại đó thay đổi như thế nào so với tại nguồn

Lời giải:

Cường độ sóng tại vị trí mà biên độ giảm còn một nửa so với nguồn

II. LIÊN HỆ GIỮA SÓNG VÀ DAO ĐỘNG CỦA ĐIỂM

Câu hỏi 4: Mô tả chuyển động của phần tử số 0 trên Hình 1.4 trong thời gian từ t = 0  t=T. Từ đó, chỉ ra mối liên hệ giữa khoảng thời gian T biểu diễn trong Hình 1.4 với chu kì dao động của phần tử số 0 và với chu kì sóng trên dây.

Lời giải:

Chu kì là thời gian cần để hoàn thành một chu kì dao động hoặc một chu kì sóng. Trong trường hợp sóng trên dây, chu kì là khoảng thời gian cần để một điểm trên dây thực hiện một dao động hoàn chỉnh. Trong trường hợp phần tử số 0 trên Hình 1.4, chu kì là khoảng thời gian cần để phần tử số 0 thực hiện một dao động hoàn chỉnh.

Như đã mô tả trong câu trả lời trước, trong khoảng thời gian T trên Hình 1.4, phần tử số 0 thực hiện một dao động hoàn chỉnh. Do đó, khoảng thời gian T này tương đương với chu kì dao động của phần tử số 0. Ngoài ra, trong khoảng thời gian T, sóng trên dây đã lan truyền một khoảng đường bằng với bước sóng λ. Do vậy, khoảng thời gian T cũng tương đương với chu kì sóng trên dây. Từ đó, ta có thể suy ra công thức liên hệ giữa chu kì sóng, bước sóng và vận tốc truyền sóng trên dây: T = λ/v.

Câu hỏi 5: Hãy chỉ ra hướng chuyển động của phần tử số 6 ở thời điểm $\frac{T}{4}$, phần tử số 12 ở thời điểm $\frac{5T}{4}$ , phần tử số 18 ở thời điểm $\frac{6T}{4}$ và so sánh với hướng truyền sóng. Phân biệt phương dao động với phương truyền sóng. Từ đó, phân biệt tốc độ của phần tử môi trường đang dao động với tốc độ sóng.

Lời giải:

Phần tử số 6 ở thời điểm $\frac{T}{4}$ và phần tử số 18 ở thời điểm $\frac{6T}{4}$ sẽ dao động cùng với sóng, tuy nhiên, phần tử số 12 ở thời điểm $\frac{5T}{4}$ sẽ không dao động cùng với sóng. Hướng chuyển động của phần tử số 6 ở thời điểm $\frac{T}{4}$ và phần tử số 18 ở thời điểm $\frac{T}{4}$ sẽ tương tự nhau và vuông góc với hướng truyền sóng của sóng.

Tốc độ sóng và tốc độ dao động của môi trường là hai đại lượng khác nhau và có thể được phân biệt bằng cách quan sát phương chuyển động của các phân tử trong môi trường khi sóng truyền qua. Tốc độ sóng là tốc độ di chuyển của sóng qua môi trường, được tính bằng độ dài sóng chia cho thời gian mà sóng di chuyển qua một vị trí cố định. Trong khi đó, tốc độ dao động của môi trường là tốc độ chuyển động của các phân tử trong môi trường khi sóng truyền qua. Tốc độ dao động của môi trường có thể được đo đạt bằng cách theo dõi phương chuyển động của các phân tử trong môi trường.

III. MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN CỦA ÂM THANH VÀ ÁNH SÁNG

1. Sự phản xạ và khúc xạ sóng

Vận dụng 1: Hãy giải thích vì sao về đêm và sáng sớm, ta có thể nghe rõ tiếng chuông chùa hoặc chuông nhà thờ từ rất xa.

Lời giải:
Vào ban đêm và sáng sớm, các nguồn tiếng ồn từ các phương tiện giao thông, công trình xây dựng, nhà máy sản xuất và các hoạt động con người khác sẽ giảm đáng kể. Do đó, môi trường âm thanh sẽ trở nên yên tĩnh hơn, giúp cho các âm thanh khác như tiếng chuông chùa hay chuông nhà thờ được truyền tải xa hơn mà không bị giảm độ rõ. Thêm vào đó, độ ẩm và nhiệt độ của không khí vào ban đêm thường thấp hơn so với ban ngày, điều này làm cho tốc độ truyền âm thanh trong không khí giảm chậm hơn, giúp các âm thanh có thể truyền xa hơn.

2. Hiệu ứng Doppler  

Vận dụng 2: Bạn sẽ nghe được âm thanh bổng hơn hay trầm hơn của còi xe dẫn đường khi xe đó chạy lại gần bạn?

Lời giải:

Khi một xe dẫn đường chạy tới gần bạn, âm thanh của còi xe sẽ bị kéo dài vì hiệu ứng Doppler. Điều này có nghĩa là âm thanh sẽ có bước sóng ngắn hơn khi xe đang tiếp cận bạn, và bước sóng dài hơn khi xe đang di chuyển xa khỏi bạn.

Do đó, nếu bạn đứng yên và nghe tiếng còi xe, bạn sẽ nghe được âm thanh bổng hơn khi xe tiếp cận gần với bạn, và âm thanh trầm hơn khi xe di chuyển xa khỏi bạn. Điều này được gọi là hiệu ứng Doppler âm thanh và được giải thích bằng cách thay đổi tần số của âm thanh khi nguồn âm thanh (còi xe) và người nghe đang di chuyển liên quan đến nhau.

Nếu bạn đang di chuyển theo cùng hướng với xe, thì hiệu ứng Doppler sẽ ít rõ ràng hơn do tần số của âm thanh được thay đổi ở mức độ thấp hơn. Tuy nhiên, nếu bạn đang di chuyển ngược lại với xe, hiệu ứng Doppler sẽ trở nên rõ ràng hơn và âm thanh sẽ nghe rõ hơn khi xe tiếp cận gần bạn và trầm hơn khi xe di chuyển xa khỏi bạn.