Sóng cơ là gì ? Sóng dọc, sóng ngang, phương trình sóng hay, chi tiết - Vật Lí lớp 12

Sóng cơ là gì ? Sóng dọc, sóng ngang, phương trình sóng hay, chi tiết

Tài liệu Sóng cơ là gì ? Sóng dọc, sóng ngang, phương trình sóng hay, chi tiết Vật Lí lớp 12 sẽ tóm tắt kiến thức trọng tâm về Sóng, Sóng dọc, sóng ngang, phương trình sóng từ đó giúp học sinh ôn tập để nắm vứng kiến thức môn Vật Lí lớp 12.

1. Định nghĩa: Sóng cơ học là sự lan truyền dao động cơ học (năng lượng, trạng thái dao động) trong môi trường vật chất đàn hồi theo thời gian.

Nhận xét:

* Sóng cơ học là sự lan truyền dao động, lan truyền năng lượng, lan truyền pha dao động (trạng thái dao động) chứ không phải quá trình lan truyển vật chất (các phần tử sóng).

Ví dụ: Trên mặt nước cánh bèo hay chiếc phao chỉ dao động tại chỗ khi sóng truyền qua.

* Sóng cơ chỉ lan truyền được trong môi trường vật chất đàn hồi, không lan truyền được trong chân không. Đây là khác biệt cơ bản giữa sóng cơ và sóng điện từ (sóng điện từ lan truyền rất tốt trong chân không).

Ví dụ: Ngoài không gian vũ trụ các phi hành gia phải liên lạc với nhau bằng bộ đàm hoặc kí hiệu.

* Tốc độ và mức độ lan truyền của sóng cơ phụ thuộc rất nhiều vào tính đàn hồi của môi trường, môi trường có tính đàn hồi càng cao tốc độ sóng cơ càng lớn và khả năng lan truyền càng xa, bởi vậy tốc độ và mức độ lan truyền sóng cơ giảm theo thứ tự môi trường: Rắn > lỏng > khí. Các vật liệu như bông, xốp, nhung… có tính đàn hồi nhỏ nên khả năng lan truyền sóng cơ rất kém bởi vậy các vật liệu này thường được dùng để cách âm, cách rung (chống rung)…

Ví dụ: Áp tai xuống đường ray ta có thể nghe thấy tiếng tàu hỏa từ xa mà ngay lúc đó ta không thể nghe thấy trong không khí.

* Sóng cơ 2 là quá trình lan truyền theo thời gian chứ không phải hiện tượng tức thời, trong môi trường vật chất đồng tính và đẳng hướng các phần tử gần nguồn sóng sẽ nhận được sóng sớm hơn các phần tử ở xa nguồn.

2. Phân loại sóng: Dựa vào phương dao động của các phần tử và phương lan truyền của sóng người ta phân sóng thành hai loại là sóng dọc và sóng ngang.

a) Sóng dọc: Là sóng có phương dao động của các phần tử trùng với phương truyền sóng. Sóng dọc có khả năng lan truyền trong cả 3 trạng thái của môi trường vật chất là Rắn, lỏng, khí.

Nguyên nhân: Trong môi trường lực đàn hồi xuất hiện khi có biến dạng nén, giãn.

Ví dụ: Sóng âm khi truyền trong không khí hay trong chất lỏng là sóng dọc.

b) Sóng ngang: Là sóng có phương dao động của các phần tử vuông góc với phương truyền sóng. Sóng ngang chỉ có thể lan truyền trong chất rắn và bề mặt chất lỏng, sóng ngang không lan truyền được trong chất lỏng và chất khí.

Nguyên nhân: Trong môi trường lực đàn hồi xuất hiện khi có biến dạng lệch.

Ví dụ: Sóng truyền trên mặt nước là sóng ngang.

Lưu ý:

- Sóng có vận tốc lớn nhất trong chất rắn và nhỏ nhất trong chất khí.

- Các tính chất đặc trưng của sóng: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa.

II. Các đại lượng đặc trưng của sóng:

1. Vận tốc truyền sóng (v): Vận tốc truyền sóng là: v = ΔS/Δt (ΔS là quãng đường sóng truyền trong thời gian Δt).

(Chú ý: Vận tốc sóng là vận tốc lan truyền của sóng trong không gian chứ không phải là vận tốc dao động của các phần tử).

2. Chu kì sóng: T = 2π/ω = 1/f (N là số lần nhô lên của 1 điểm hay số đỉnh sóng đi qua một vị trí hoặc số lần sóng dập vào bờ trong thời gian t(s)).

3. Tần số sóng f: Tất cả các phân tử vật chất trong tất cả các môi trường mà sóng truyền qua đều dao độngcùng một tần số v chu kì, bằng tần số và chu kì của nguồn sóng, gọi là tần số (chu kì) sóng: f = 1/T = ω/2π (Hz)

4. Bước sóng: Bước sóng là quãng đường sóng truyền trong một chu kì. Hoặc là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha trên phương truyền sóng: λ = v.T = v/f (m)

Chú ý: Bất kì sóng nào (với nguồn sóng đứng yên so với máy thu) khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì bước sóng, năng lượng, vận tốc, biên độ, phương truyền có thể thay đổi nhưng tần số và chu kì thì không đổi và luôn bằng tần số f, chu kì T dao động của nguồn sóng: f = v₁/λ₁ = v₂/λ₂ => v₁/v₂= λ₁/λ₂ bước sóng trong 1 môi trường tỉ lệ với vận tốc sóng trong môi trường đó.

5. Biên độ sóng: Biên độ sóng tại mỗi điểm là biên độ dao động của phần tử sóng tại điểm đó nói chung trong thực tế biên độ sóng giảm dần khi sóng truyền xa nguồn.

6. Năng lượng sóng E_i: Năng lượng sóng tại mỗi điểm Ei là năng lượng dao động của phần tử sóng tại điểm đó nói chung trong thực tế năng lượng sóng luôn giảm dần khi sóng truyền xa nguồn: E_i = D. ω².A_i²/2 trong đó D là khối lượng riêng của môi trường sóng, Ai là biên độ sóng tại đó.

Nhận xét: Trong môi trường truyền sóng lý tưởng, ta có bảng nhận xét sau:

III. Phương trình sóng

1. Phương trình sóng tại một điểm.

* Xét một sóng hình sin đang lan truyền trong một môi trường theo trục Ox, sóng này phát ra từ gốc tọa độ O với phương trình dao động là: u_o = A_ocos( ωt + φ).

Điểm M cách O một khoảng x. Sóng từ O truyền đến M mất khoảng thời gian ∆t = x/v.

Phương trình dao động của M là:

Nếu bỏ qua mất mát năng lượng trong quá trình truyền sóng thì biên độ sóng tại O và M bằng nhau: A_o = A_M = A thì:

Chú ý: Phương trình sóng truyền theo chiều âm trục Ox đến điểm N có tọa độ x là:

2.Tổng quát.

Tại điểm O: u_o = Acos( ωt + j) (ở đây O là gốc tọa độ nhưng không phải là nguồn sóng)

* Tại điểm M cách O một đoạn x trên phương truyền sóng.

+ Nếu sóng truyền theo chiều dương của trục Ox thì:

+ Sóng truyền theo chiều âm của trục Ox thì:

+ Tại một điểm M xác định trong môi trường sóng: x = const; uM là hàm điều hòa theo t với chu kỳ T.

+ Tại một thời điểm xác định t = const ; uM là hàm biến thiên điều hòa theo không gian x với chu kỳ λ.

Chú ý:

+ Tập hợp các điểm cùng khoảng cách đến nguồn sóng đều dao động cùng pha!

+ Nếu tại thời điểm t < |x_M|/v thì li độ dao động điểm M luôn bằng 0 (u_M = 0) vì sóng chưa truyền đến M.

3. Độ lệch pha 2 điểm M₁, M₂ do cùng 1 nguồn truyền đến:

Phương trình dao động tại nguồn là: u = a.cos(ωt + Φ).

- Phương trình dao động của nguồn truyền đến M₁: u_1M = a.cos(ωt + Φ - 2πd₁/λ) với t ≥ d₁/v

- Phương trình dao động của nguồn truyền đến M₂: u_2M = a.cos(ωt + Φ - 2πd₂/λ) với t ≥ d₂/v

- Độ lệch pha giữa M₁ và M₂ là: ΔΦ = 2π/λ.(d₂ - d₁)

- Để hai dao động cùng pha thì ΔΦ = 2kπ => (d₂ - d₁) = 2kπ => (d₂ - d₁) = k.λ

- Để hai dao động ngược thì ΔΦ = (2k+1)π

=> .(d₂ - d₁) = (2k + 1)π => (d₂ - d₁) = (k + 0,5)λ

Vậy khoảng cách giữa hai điểm trên phương truyền sóng lệch pha nhau góc ΔΦ (rad) là: L = ΔΦ/2π.λ

=> Trong hiện tượng truyền sóng, khoảng cách ngắn nhất trên phương truyền sóng giữa hai điểm dao động cùng phaa là 1λ, dao động ngược pha là λ/2, dao động vuông pha là λ/4 và dao động lệch pha nhau π/4 là λ/8.

Lưu ý:

+ Đơn vị của x, x₁, x₂, d, l và v phải tương ứng với nhau.

+ Trong hiện tượng truyền sóng trên sợi dây thép, dây được kích thích dao động bởi nam châm điện với tần số dòng điện là f thì tần số dao động của dây là 2f → fsóng = 2f.