Sóng là sự lan truyền dao động cơ học (năng lượng, trạng thái dao động) trong môi trường vật chất đàn hồi theo thời gian. Vậy Sóng dọc, sóng ngang là gì? Ví dụ sóng ngang và sóng dọc? Mời bạn đọc cùng tìm hiểu để làm rõ.
Mục lục bài viết
1. Sóng dọc là gì?
Sóng dọc là một loại sóng trong đó hướng dao động của phần tử chuyển động của sóng diễn ra vuông góc với hướng lan truyền của sóng. Điều này có nghĩa là các phần tử dao động lên và xuống (hoặc lùi và tiến) theo một đường thẳng, trong khi hướng truyền của sóng lại là ngang.
Ví dụ phổ biến về sóng dọc là sóng âm trong không khí. Khi một người nói, tiếng nói của họ tạo ra sóng âm với các phần tử không khí dao động lên và xuống, trong khi sóng âm truyền đi theo hướng ngang.
Sóng dọc cũng có thể áp dụng trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, bao gồm sóng trong nước (nước lên và xuống), sóng trên dây đàn (dây dao động lên và xuống), và nhiều trường hợp khác.
2. Sóng ngang là gì?
Sóng ngang là một loại sóng trong đó hướng dao động của các phần tử chuyển động của sóng diễn ra theo hướng chung của sự lan truyền của sóng. Điều này có nghĩa là các phần tử dao động theo một đường thẳng ngang (hoặc theo hướng vuông góc so với hướng truyền của sóng).
Một ví dụ phổ biến về sóng ngang là sóng trên mặt nước, như sóng biển. Khi sóng biển truyền qua một khu vực, các phần tử nước dao động lên và xuống theo hướng ngang, theo hướng mà sóng đang di chuyển.
Sóng ngang cũng có thể áp dụng trong nhiều ngữ cảnh khác, bao gồm sóng trên dây đàn (dây dao động ngang), sóng âm trong rắn (đất dao động ngang), và nhiều trường hợp khác.
3. Ví dụ sóng ngang, sóng dọc:
Sóng Ngang:
Sóng Biển: Khi gió mạnh hoặc sự di chuyển của các yếu tố tự nhiên khác tạo ra dao động trên mặt nước biển, chúng tạo thành sóng biển.
Sóng Trên Dây Đàn: Khi bạn đánh vào dây đàn guitar, dây sẽ dao động ngang để tạo ra âm thanh.
Sóng Trên Bề Mặt Nước: Khi bạn đá vào mặt nước, sóng sẽ lan truyền ra xa từ điểm tiếp xúc ban đầu.
Sóng Trên Mặt Nước Hồ: Khi một viên đá rơi vào mặt nước hồ, nó tạo ra các vòng sóng ngang.
Sóng Âm Trong Chất Lỏng: Khi một người nói vào nước, tiếng nói tạo ra các sóng ngang trên bề mặt nước.
Sóng Dọc:
Sóng Âm Trong Không Khí: Khi một loa phát ra âm thanh, các phân tử khí dao động lên và xuống theo hướng dọc để tạo ra sóng âm.
Sóng Trong Dây Đàn Đứt Tóc: Khi bạn kéo dây đàn và thả ra, dây sẽ dao động dọc để tạo ra âm thanh.
Sóng Trong Lò Soong: Trong các loại lò soong, sóng nhiệt độ dao động theo hướng dọc để tạo ra cảm giác nóng lên hoặc lạnh đi.
Sóng Động Đất: Khi có một trận động đất, các phần tử đất dao động lên và xuống theo hướng dọc.
Sóng Âm Trong Chất Rắn: Khi bạn gõ vào một tấm kim loại, các nguyên tử trong kim loại sẽ dao động lên và xuống theo hướng dọc.
4. Các đại lượng đặc trưng của sóng:
Sóng là một hiện tượng vật lý quan trọng, xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau như âm thanh, ánh sáng, nước biển, và nhiều hơn nữa. Để nghiên cứu và mô tả sóng, người ta sử dụng một loạt các đại lượng đặc trưng. Dưới đây là một phân tích chi tiết về các đại lượng này:
Bước sóng (Wavelength): Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm liên tiếp trên cùng một chu kỳ của sóng. Nó được ký hiệu bằng λ (lambda) và đo bằng mét (m) hoặc các đơn vị dài khác tùy vào quy mô của sóng. Bước sóng quyết định tần số và năng lượng của sóng.
Tần số (Frequency): Tần số là số lần dao động của sóng xảy ra trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo tần số thường được sử dụng là Hz (Hertz), tương đương với một dao động trong một giây. Tần số đảm bảo tính chất âm thanh và tần số của ánh sáng.
Biên độ (Amplitude): Biên độ của sóng là khoảng cách tối đa mà các phần tử dao động lên và xuống từ vị trí cân bằng trong quá trình dao động. Biên độ quyết định độ lớn của dao động.
Tốc độ lan truyền (Propagation Speed): Tốc độ lan truyền của sóng là tốc độ mà sóng di chuyển qua không gian. Nó liên quan đến bước sóng và tần số thông qua công thức v = λf.
Pha (Phase): Pha của sóng chỉ ra vị trí tương đối của một điểm trên sóng tại một thời điểm cụ thể. Nó được đo bằng radian hoặc độ. Pha quyết định vị trí và hình dạng của sóng tại một thời điểm nhất định.
Hướng dao động (Polarization): Hướng dao động chỉ ra hướng mà các phần tử dao động của sóng chuyển động. Có thể là ngang-trên, ngang-dưới (cho sóng ngang) hoặc lên-xuống, trái-phải (cho sóng dọc).
Cường độ (Intensity): Cường độ của sóng chỉ ra năng lượng truyền tải qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Điều này thường liên quan đến độ sáng trong trường hợp ánh sáng.
Năng lượng (Energy): Năng lượng của sóng liên quan đến cường độ và thời gian tồn tại của sóng. Nó cũng liên quan mật thiết với tính chất của sóng và cách nó tương tác với các vật thể khác.
Độ pha (Phase Velocity): Độ pha của sóng là tốc độ mà một điểm trên sóng dao động qua một điểm cố định trong không gian. Độ pha liên quan chặt chẽ với tốc độ lan truyền.
Độ dài sóng biểu thị (Waveform Representation): Độ dài sóng biểu thị một cách diễn đạt các biến thiên của sóng theo thời gian. Điều này quan trọng trong việc biểu diễn sóng và phân tích sự biến đổi của nó.
Tóm lại, các đại lượng đặc trưng của sóng đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và hiểu hiện tượng sóng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của vật lý và kỹ thuật. Chúng giúp chúng ta phân tích và ứng dụng sóng một cách hiệu quả, từ âm thanh, ánh sáng đến các loại sóng khác
5. Phường trình của sóng:
5.1. 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: uo = Aocos( 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: Ao = AM = A thì:
Chú ý: Phương trình sóng truyền theo chiều âm trục Ox đến điểm N có tọa độ x là:
5.2. Tổng quát:
Tại điểm O: uo = 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 < |xM|/v thì li độ dao động điểm M luôn bằng 0 (uM = 0) vì sóng chưa truyền đến M.
5.3. 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: u1M = a.cos(ωt + Φ – 2πd1/λ) với t ≥ d1/v
– Phương trình dao động của nguồn truyền đến M2: u2M = 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.
6. Bài tập vận dụng:
Câu 1: Sóng dọc lan truyền trong một môi trường với bước sóng 15 cm với biên độ không đổi A = 5√3 cm . Gọi M và N là hai điểm cùng nằm trên một phương truyền sóng mà khi chưa có sóng truyền đến lần lượt cách nguồn các khoảng 20 cm và 30 cm. Khoảng cách xa nhất và gần nhất giữa 2 phần tử môi trường tại M và N khi có sóng truyền qua là bao nhiêu?
A. lmax = 11,5cm, lmin = 8,5cm B. lmax = 20cm, lmin = 0cm
C. lmax = 15cm, lmin = 5cm D. lmax = 14cm, lmin = 5cm
Lời giải:
Chọn A
Giả sử sóng truyền qua M rồi đến N thì dao động tại M sớm pha hơn dao động tại N: Δφ = 2πMN/λ = 4π/3
Chọn lại gốc thời gian để phương trình dao động tại M là: u1 = 5√3 cos ωt (mm) thì phương trình dao động tại N là u2 = 5√3 cos (ωt – 4π/3) mm .
Độ lệch li độ của hai phần tử tại M và tại N:
Δu = u2 – u1 = 5√3cos(ωt – 4π/3) – 5√3 cos(ωt) = 15 cos (ωt + 5π/6) cm
→ ∆umax = 15mm = 1,5cm < MN.
Vì đây là sóng dọc nên khoảng cách xa nhất và gần nhất giữa hai phần tử tại M và N:
Câu 2: Một sóng hình sin truyền theo phương Ox từ nguồn O với tần số 20 Hz, biên độ 4cm có tốc độ 12 m/s. Gọi A và B là hai điểm nằm trên Ox, ở cùng một phía so với O và cách nhau 15cm. Nếu là sóng ngang thì hai phần tử môi trường tại A và B cách nhau đoạn lớn nhất là
A. 26cm. B. 15cm C. √257 cm D. 10√5 .
Lời giải:
Chọn C
Bước sóng: λ = v/f = 12/20 = 0,6m = 60cm.
Giả sử sóng truyền qua A rồi mới đến B thì dao động tại A sớm hơn dao động tại B: Δφ = 2πAB/λ = π/2
Độ lệch li độ của hai phần tử tại M và tại N:
Δu = uB – uA = 4cos(40πt) – 4cos(40πt + π/2) = 4√2 cos (20πt – π/4) cm
=> Δumax = 4√2 cm
Khoảng cách xa nhất giữa hai phần tử tại A và B:
