Lý thuyết Vật lý 12 Bài 7. Sóng cơ và sự truyền sóng cơ
I. Sóng cơ
1. Thí nghiệm
Một cần rung, tạo bởi một thanh thép mỏng, đàn hồi, một đầu được kẹp chặt bằng êtô, đầu kia có gắn một mũi nhọn S. Dưới cần rung có một chậu nước rộng.
- Đặt cần rung cho mũi S cao hơn mặt nước. Gõ nhẹ cho cần rung dao động nhưng mũi S không chạm mặt nước, mẩu nút chai nhỏ ở M vẫn bất động.
- Hạ cần rung thấp xuống, cho mũi S vừa chạm vào mặt nước tại O. Lại gõ nhẹ cho cần rung dao động, ta thấy sau một thời gian ngắn, mẩu nút chai cũng dao động.
Vậy, dao động từ O đã truyền qua nước tới M. Ta nói, đã có sóng trên mặt nước và O là nguồn sóng.
2. Định nghĩa
Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường.
3. Sóng ngang
Sóng ngang là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng.
4. Sóng dọc
Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng.
II. Các đặc trưng của một sóng hình sin
1. Sự truyền của một sóng hình sin
Dùng một sợi dây mềm, dài, căng ngang, đầu Q gắn vào tường, còn đầu P gắn vào một cần rung có tần số thấp mà ta không vẽ trên hình a. Cho cần rung dao động, làm đầu P của dây dao động điều hòa theo phương thẳng đứng. Trên dây xuất hiện một sóng cơ có dạng hình sin lan truyền về đầu Q gọi là một sóng hình sin. Biểu diễn hình dạng của sợi dây tại các thời điểm:
Với T là chu kì dao động của P.
Sau thời gian T, dao động của điểm P đã truyền tới điểm P1, ở cách P một đoạn: PP1= λ = vT và P1bắt đầu dao động hoàn toàn giống như P. Dao động từ P1lại tiếp tục truyền xa hơn nên dây có dạng một đường hình sin, với các đỉnh không cố định mà dịch chuyển theo phương truyền sóng với tốc độ v.
2. Các đặc trưng của một sóng hình sin
a] Biên độ A của sóng: là biên độ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua.
b] Chu kì T [hoặc tần số] của sóng: là chu kì dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua.
gọi là tần số của sóng.
c] Tốc độ truyền sóng v: là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường. Đối với mỗi môi trường, tốc độ truyền sóng v có một giá trị không đổi.
d] Bước sóng λ: là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kì.
Hai phần tử cách nhau một bước sóng thì dao động đồng pha với nhau.
e] Năng lượng sóng: là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường có sóng truyền qua.
III. Phương trình sóng
Phương trình của một sóng hình sin truyền theo trục x:
trong đó uMlà li độ tại điểm M có tọa độ x vào thời điểm t.
Xem thêm Giải bài tập Vật lý 12: Bài 7. Sóng cơ và sự truyền sóng cơ
Xem thêm các sách tham khảo liên quan:
Giải Bài Tập Vật Lí 12 – Bài 7: Sóng cơ và sự truyền sóng cơ giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:
C1 trang 36 SGK: Khi O dao động, mặt nước có hình dạng như thế nào? Có thấy mẫu nút chai bị đẩy ra xa O không?
Trả lời:
Khi O dao động, ta thấy các gợn sóng hình tròn đồng tâm O lan dần ra trên mặt nước.
Mẫu nút chai không bị đẩy ra xa O mà chỉ dao động lên xuống tại chổ.
C2 trang 38 SGK: Hãy vẽ mũi tên chỉ chuyển động của phần tử M khi sóng truyền từ trái sang phải [H.7.4 SGK].
Trả lời:
Xét thêm điểm A có li độ cực đại như hình vẽ.
Theo giả thiết, sóng truyền từ trái sang phải nên điểm M sẽ dao động trễ pha hơn điểm A, ta thấy rằng dao động sẽ truyền từ A đến M, do đó điểm M đang có hướng dao động đi lên như hình vẽ.
Để thấy rõ được chuyển động đi lên của điểm M ta có thể dùng vòng tròn biểu thị dao động điều hòa cho cả điểm A và điểm M.
– Dao động của điểm M được thể hiện bằng hình chiếu của vectơ quay OM’→, điểm A được thể hiện băng hình chiếu của vectơ OA→ lên trục nằm ngang Ou thể hiện li độ của các phần tử vật chất.
– M dao động trễ pha hơn A nên vectơ OM’→ và OA→ được thể hiện như hình vẽ. Từ đó ta thấy hình chiếu M đang đi về biên dương → M đang đi lên.
C3 trang 39 SGK: Dựa vào hình 7.5 SGK, hãy tìm những điểm dao động đồng pha với nhau.
Trả lời:
Những điểm dao động đồng pha
– A, E
– B, F
– C, G
– D, H
Lời giải:
Sóng cơ học là sự lan truyền dao động cơ học trong môi trường vật chất đàn hồi theo thời gian.
Từ định nghĩa trên ta có thể rút ra một số nhận xét sau:
+ 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].
Lời giải:
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.
+ 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.
VD. Sóng âm khi truyền trong không khí hay trong chất lỏng là sóng dọc.
+ 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.
VD. Sóng truyền trên mặt nước là sóng ngang.
Lời giải:
Bước sóng là quãng đường sóng truyền trong một chu kì và là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha trên phương truyền sóng. λ = v.T = v/f [m]
Lời giải:
Phương trình sóng trên trục Ox.
Nguồn sóng tại gốc tọa độ O có phương trình dao động: u = a.cos[2πf.t + φ]
– Phương trình sóng truyền theo chiều dương trục Ox đến điểm M có tọa độ x là:
uM = acos[2πft + φ – 2πx/λ]
– Phương trình sóng truyền theo chiều âm trục Ox đến điểm N có tọa độ x là:
u = acos[ωt + φ + 2πx/λ] [t ≥ |x|/v]
Lời giải:
Vì phương trình có dạng
phụ thuộc vào t và x, nên sóng vừa có tính tuần hoàn theo thời gian t vừa có tính tuần hoàn theo không gian x.
A. Là dao động lan truyền trong một môi trường.
B. Là dao động của mọi điểm trong một môi trường.
C. Là một dạng chuyển động đặc biệt của môi trường.
D. Là sự truyền chuyển động của các phần tử trong một môi trường.
Lời giải:
Chọn đáp án A
Sóng cơ học là sự lan truyền dao động cơ học trong môi trường vật chất đàn hồi theo thời gian.
A. Sóng dọc là sóng truyền dọc theo một sợi dây.
B. Sóng dọc là sóng truyền theo phương thẳng đứng, còn sóng ngang là sóng truyền theo phương nằm ngang.
C. Sóng dọc là sóng trong đó phương dao động [của các phần tử của môi trường] trùng với phương truyền.
D. Sóng dọc là sóng truyền theo trục tung, còn sóng ngang là sóng truyền theo trục hoành.
Lời giải:
Chọn đáp án C.
Lời giải:
Bước sóng được tính là khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp λ = R2 – R1 [với R là bán kính của sóng]