Sóng dừng là gì? Điều kiện để có sóng dừng? Ứng dụng?

1. Khái niệm và ý nghĩa của Sóng dừng:

1.1. Sóng dừng là gì?

Trong vật lý, sóng dừng, hay còn được gọi là sóng đứng, sóng tĩnh là một loại sóng dao động theo thời gian nhưng có biên độ đỉnh sóng không di chuyển trong không gian. Biên độ đỉnh của dao động sóng tại bất kỳ điểm nào trong không gian là một hằng số không đổi với thời gian.

Sóng dừng được hình thành bởi sự giao thoa của hai sóng ngược chiều, hai loại sóng đó là sóng phản xạ và sóng tới, được xét trên cùng một phương truyền. Kết quả của quá trình giao thoa này sẽ tạo ra một hệ sóng đứng nếu truyền theo cùng một phương hướng.

Trong sóng dừng luôn có một điểm đứng yên gọi là nút và một số điểm luôn luôn dao động với biên độ cực đại gọi là bụng.

1.2. Các tính chất chung của sóng dừng:

Những tính chất chung của sóng dừng mà bạn đã liệt kê là chính xác và quan trọng để hiểu về hiện tượng sóng dừng. Dưới đây là một tóm tắt các tính chất này:

– Bụng sóng (Antinode): Đây là những điểm trên sóng nơi biên độ của dao động đạt giá trị cực đại. Tại bụng sóng, biên độ của sóng là 2A, và bề rộng của bụng sóng là 4A. Điều này có nghĩa là biên độ tại bụng sóng lớn gấp đôi so với biên độ tại các điểm bình thường trên sóng.

– Nút sóng (Node): Đây là những điểm trên sóng nơi không có sự dao động, tức là biên độ đạt giá trị bằng không. Tại các nút sóng, không có biên độ dao động và sóng có thể được coi như đứng yên.

– Bó sóng (Wavefront): Đây là tập hợp những điểm dao động giữa hai nút liên tiếp. Trong mỗi bó sóng, các điểm dao động luôn có cùng pha. Điều này có nghĩa là tại một thời điểm nhất định, các điểm trong một bó sóng đều đạt cực đại hoặc đạt cực tiểu cùng một lúc.

– Khoảng thời gian ngắn nhất (Δt): Đây là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần liên tiếp mà dây (hoặc sóng) duỗi thẳng. Khoảng thời gian này được tính là 0,5 lần chu kỳ của sóng (Δt = 0,5T), trong đó T là chu kỳ của sóng. Trong khoảng thời gian này, dây trở lại định hình ban đầu sau khi đã trải qua một chu kỳ đầy đủ của dao động.

Những tính chất này cung cấp cái nhìn sâu hơn về cách sóng dừng hoạt động và cách chúng tạo ra các điểm nút, bụng sóng và bó sóng trên một sợi dây hoặc trong một môi trường dao động khác.

Các lưu ý mà bạn đã đưa ra bổ sung thêm thông tin quan trọng về sóng dừng và cách nó hoạt động:

– Tần số sóng và tần số dòng điện: Sóng dừng được tạo ra bởi sự rung của nam châm điện với tần số dòng điện f, nhưng tần số của sóng dừng là 2f. Điều này liên quan đến cách sóng dừng được tạo ra từ sự giao thoa của hai sóng trùng hợp trái chiều, và khi tần số dòng điện là f, hai sóng trùng hợp này có pha trình động trái chiều và tạo ra sóng dừng với tần số là 2f.

– Sự đặt dây kim loại giữa 2 cực nam châm: Khi dòng điện có tần số f chạy trong dây kim loại và dây được đặt giữa 2 cực của nam châm, sóng dừng trên dây sẽ có tần số là f. Điều này phản ánh sự tương tác giữa dòng điện và nam châm trong việc tạo ra sóng dừng.

– Pha và biên độ của các điểm giữa nút: Các điểm nằm giữa hai nút liên tiếp của sóng dừng đều dao động cùng pha và có biên độ không đổi khác nhau. Điều này đúng với tính chất của sóng dừng, trong đó các điểm trong một bó sóng (giữa hai nút) dao động cùng pha và có biên độ khác nhau.

– Ngược pha của các điểm nằm hai bên của một nút: Các điểm nằm hai bên của một nút của sóng dừng dao động ngược pha. Điều này nghĩa là khi một điểm nằm ở một nút đạt cực đại trong một hướng, thì điểm nằm ở vị trí đối diện (khoảng cách bằng một nửa bước sóng) đạt cực tiểu trong hướng đó.

– Điều kiện âm thoa và nút sóng: Nếu đầu sợi dây được nối với âm thoa, thì đầu sợi dây đóng vai trò là nút sóng. Điều này có thể ảnh hưởng đến biên độ và pha của sóng dừng trên sợi dây.

– Sự lan truyền năng lượng và trạng thái dao động: Sóng dừng không lan truyền năng lượng và không lan truyền trạng thái dao động. Điều này có nghĩa là khi sóng dừng di chuyển qua một điểm, nó không chuyển điện năng hoặc vật chất, và các điểm trên sóng dừng không thay đổi trạng thái dao động của họ trong quá trình sóng đi qua.

2. Điều kiện để có sóng dừng:

Để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu cố định, chiều dài của sợi dây phải tương ứng với một số nguyên lần nửa bước sóng của sóng trên sợi dây đó. Điều này dựa trên nguyên tắc của hiện tượng giao thoa và tạo ra các nút sóng và bụng sóng trên sợi dây. Cụ thể:

– Sự giao thoa của hai sóng: Sóng dừng xảy ra khi hai sóng trùng hợp với nhau, nghĩa là chúng có cùng tần số, cùng hướng và có pha trình động trái chiều. Khi hai sóng này gặp nhau, sự giao thoa xảy ra và tạo ra một sóng mới.

– Điều kiện cận biên: Để có sóng dừng, hai đầu của môi trường dao động phải có điều kiện cận biên (boundary conditions). Điều này có nghĩa là các điểm biên của môi trường không thể tự do dao động theo hướng của sóng hoặc phải thỏa mãn điều kiện cụ thể tùy thuộc vào loại sóng. Ví dụ, trong sóng âm thanh, nếu bạn có một ống đóng cực (đầu đóng cực) và một đầu mở cực (đầu mở cực), thì có thể xảy ra sóng dừng tại các điểm nút và bụng sóng.

– Chiều dài sóng và kích thước của môi trường: Chiều dài của sóng (đặc biệt là trong sóng cơ học như sóng âm thanh và sóng trên dây) phải tương xứng với kích thước của môi trường dao động. Nếu không, sự giao thoa và sóng dừng không thể xảy ra một cách hiệu quả.

– Sự tương đồng của hai sóng: Hai sóng phải có tần số giống nhau hoặc gần nhau đủ để tạo ra hiện tượng giao thoa. Nếu tần số của chúng quá khác biệt, sự giao thoa sẽ không thể quan sát thấy và sóng dừng không xảy ra.

– Pha trình động trái chiều: Sự giao thoa hiệu quả xảy ra khi hai sóng có pha trình động trái chiều, tức là khi một sóng đạt cực đại thì sóng kia đạt giá trị tối thiểu và ngược lại.

Để có sóng dừng trên một sợi dây có một đầu cố định và một đầu tự do, chiều dài của sợi dây phải bằng một số lẻ lần 1/4 bước sóng (λ/4) của sóng trên sợi dây. Điều này dựa trên nguyên tắc của sóng dừng và hiện tượng giao thoa.

3. Biểu thức sóng dừng trên dây: 

Biểu thức sóng dừng trên dây AB được xem xét như sau: Sợi dây AB có chiều dài l và đầu A được kết nối với nguồn dao động. Phương trình dao động tại A là uA = acos(ωt + Φ). Điểm M là một điểm bất kỳ trên đoạn AB cách A một khoảng d.

a) Trường hợp đầu B cố định:

– Sóng từ A truyền đến M có biểu thức là: uAM = acos(ωt + Φ – 2πd/λ).

– Sóng từ A truyền đến B có biểu thức là: uAB = acos(ωt + Φ – 2πL/λ).

– Sóng phản xạ tại B có biểu thức là: uB = – uAB = – acos(ωt + Φ – 2πL/λ), hoặc uB = acos (ωt + Φ – 2πL/λ – π).

– Sóng phản xạ từ B truyền đến M có biểu thức là: uBM = acos(ωt + Φ – 2π(L-d)/λ – π).

– Phương trình sóng dừng tại M là:

uM = uAM + uBM = 2a cos (ωt + Φ – 2π(L-d)/λ – π/2) cos (ωt + Φ – 2πL/λ – π).

Biên độ sóng dừng tại M được tính bằng cách đo khoảng cách từ điểm cần xét đến một nút cụ thể của sóng dừng, với x = (d – l).

Sóng dừng là hiện tượng mà chúng ta đang nghiên cứu, và biểu thức trên giúp xác định biên độ của sóng dừng tại điểm M dựa trên vị trí của nó trên sợi dây.

b) Trường hợp đầu B tự do.

Trong trường hợp đầu B tự do, các biểu thức sóng dừng được mô tả như sau:

– Sóng từ A truyền tới M có phương trình: uAM = acos(ωt + Φ – 2πd/λ).

– Sóng từ A truyền tới B có phương trình: uAB = acos(ωt + Φ – 2πL/λ).

– Sóng phản xạ tại B có phương trình: uB = uAB = acos(ωt + Φ – 2πL/λ) (do sóng tới B cùng pha với sóng phản xạ khi B tự do).

– Sóng phản xạ từ B truyền đến M có phương trình: uBM = acos(ωt + Φ – 2π(L-d)/λ – π).

– Phương trình sóng dừng tại M là:

uM = uAM + uBM = 2a cos (ωt + Φ – 2π(L-d)/λ – π)cos (ωt + Φ – 2πL/λ – π).

Biên độ sóng dừng tại điểm M được tính dựa trên khoảng cách từ điểm đó đến một bụng cụ thể của sóng dừng, với x = (d – l) là khoảng cách từ điểm cần xét đến một bụng nào đó của sóng dừng.

Tóm lại, để tính biên độ sóng dừng tại một điểm, ta cần xác định vị trí của điểm đó liên quan đến nút hoặc bụng sóng gần nhất và sau đó áp dụng các công thức tương ứng:

– Nếu điểm cách nút sóng gần nhất, sử dụng công thức A = 2a|sin(2πx/λ)|.

– Nếu điểm cách bụng sóng gần nhất, sử dụng công thức A = 2a|cos(2πx/λ)|.

Biên độ của sóng dừng có biên độ bụng sóng là 2a, và các điểm nằm giữa bụng sóng liên tiếp (trừ nút và bụng) cách nhau λ/4 và có cùng biên độ là a√2.