II.1. ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG
Trong phần đầu học về sóng cơ học sinh cần phải có cái nhìn cơ bản nhất về sóng, quá trình truyền sóng cơ và nhận ra điểm giống nhau và khác nhau giữa sóng cơ và dao động cơ các em đã học ở chuyên đề dao động cơ. Trong phần đại cương về sóng học sinh cần hiểu rõ về các đại lượng của sóng: tần số, tốc độ truyền sóng, bước sóng.
A. LÝ THUYẾT VỀ ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG
1. Định nghĩa và đặc đỉểm của sóng cơ học
– Sóng cơ học là các dao động cơ học lan truyền theo thời gian trong một môi trường vật chất.
– Một đặc điểm quan trọng của sóng là khi sóng truyền trong một môi trường thì các phần tử môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của chúng mà không chuyển dời theo sóng, chỉ có pha dao động của chúng được truyền đi.
2. Phân loại
Gồm sóng dọc và sóng ngang:
– Sóng ngang: là sóng có phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng.
Ví dụ: Sóng trên mặt nước.
– Sóng dọc: là sóng có phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng.
Ví dụ: Sóng âm, sóng trong lòng nước, sóng nén dãn dọc theo một lò xo.
3. Các đại lượng đặc trưng cho sóng
a. Tần số và chu kì sóng
* Định nghĩa:
– Chu kì T của sóng là chu kì dao động chung của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua và bằng chu kì dao động của nguồn sóng.
– Tần số f của sóng là tần số dao động chung của các phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.
Chú ý: Đặc điểm tần số sóng chỉ phụ thuộc vào nguồn
b. Biên độ sóng:
– Biên độ sóng a tại một điểm là biên độ dao động của phần tử vật chất tại điểm đó khi sóng truyền qua.
asóng = adaođộng
– Trong quá trình truyền sóng coi như biên độ sóng là không đổi .
c. Tốc độ truyền sóng:
– Tốc độ truyền sóng v là vận tốc truyền pha dao động (khác với vận tốc của các phần tử dao động). Chính là quãng đường sóng truyền đi được trong một đơn vị thời gian. Trong một môi trường xác định v = const.
– Tốc độ truyền sóng cơ chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng cụ thể:
+Phụ thuộc vào lực liên kết đàn hồi, nhiệt độ môi trường
+ Phụ thuộc vào mật độ môi trường: vR>vl>vkhí
d. Bước sóng:
– Định nghĩa:
+ Cách 1: Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm gần nhất trên cùng một phương truyền sóng dao động cùng pha.
+ Bước sóng cũng là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kì.
– Công thức liên hệ giữa chu kì T (hoặc lần số f), vận tốc v và bước sóng λ
4. Phương trình sóng
Giả sử phương trình sóng tại nguồn O có dạng uo = acos(ωt+φ) thì phương trình sóng tại một điểm M cách O một khoảng dM là: uM=a.cos(ωt+φ-2πdλ)
Ý nghĩa của phương trình sóng uM:
– Tại một điểm xác định trong môi trường ⇒ dM = const. Lúc đó uM là một hàm biến thiên điều hoà theo thời gian t với chu kì T.
– Tại một thời điểm xác định ⇒ t = const, dM = x. Lúc đó uM là một hàm biến thiên điều hoà trong không gian theo biến x với chu kì λ.
5. Độ lệch pha
Độ lệch pha dao động giữa hai điếm M, N bất kì trong môi trường truyền sóng cách nguồn O lần lượt là dM và dN:
– Hai dao động cùng pha ⇔ Δφ = k2
(k ∈ Z)
– Hai dao động ngược pha ⇔ Δφ = (k.2 + 1) (k ∈ Z)
– Hai dao động vuông pha ⇔ Δφ = (k.2 + 1)
(k ∈ Z)
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG:
1/ Xác định các đại lượng đặc trưng λ, v, f
+ Chu kì T=tN=tn-1 (t là thời gian nhìn thấy n đỉnh sóng)
+ Bước sóng: λ =v. T = v/f (l là khỏang cách giữa n đỉnh sóng)
+ Tốc độ truyền sóng: v =S∆t
2/ Độ lệch pha:
– Độ lệch pha tại hai điểm trên cùng một phương truyền sóng ở cùng một thời điểm:
¨Công thức:
¨Điều kiện: + Cùng pha: d= k.λ + Ngược pha: d=(k+0,5)λ + Vuông pha: d=(k+0,5)λ/2
¨Chú ý: Bài toán chuyển giới hạn: cho giới hạn của v, T, l ; d chuyển về giới hạn của k
– Độ lệch pha tại một điểm vào hai thời điểm t1 và t2: Dj(t) = w.Dt
3. Phương trình truyền sóng:
a. Lập phương trình:
– Lập u0 (như lập phương trình dao động)
=> Lập uM => uM=a.cos(ωt+φ-2πdλ) với điều kiện dv.t
b. Khai thác phương trình:
– Tìm uM tại thời điểm t; tại vị trí d
– Cho uM tìm v, λ, f
– Xác định li độ hoặc vận tốc của một phần tử tại một thời điểm tại vị trí d
4. Tính tuần hoàn của hàm sóng (Có thể giải bằng cách vẽ hình ảnh sóng)
a. Tuần hoàn theo thời gian: Xét 1 phần tử vật chất
– Bài toán Δt (T); (uM1; uM2)
b. Tuần hoàn theo không gian: Xét tại một thời điểm khi đó t không đổi:
Cho uM tại thời để t tìm uN tại thời điểm đó biết M cách N một đoạn d
cụ thể d (λ); uM; uN
làm như bài toán khoảng thời gian: có thể sử dụng trục có thể sử dụng đường tròn
5. Chiều truyền sóng và chiều dao động của các phần tử
– Quá trình truyền sóng là quá trình lan truyền của dao động (Phần tử M sẽ nhận trạng thái của phần tử N (khi sóng truyền từ N tới M và MN (với MN <λ/4)