Bài giảng Vật lý 1: Phần 1 - Trường ĐH Võ Trường Toản

Chia sẻ: Lôi Vô Kiệt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của Bài giảng Vật lý 1 cung cấp cho sinh viên những nội dung, kiến thức về: các khái niệm đại cương về cơ học; động học chất điểm; động lực học chất điểm - năng lượng; cơ học chất lưu; các định luật thực nghiệm về chất khí;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý 1: Phần 1 - Trường ĐH Võ Trường Toản

TRÖÔØN G ÑAÏI HOÏC VOÕ TRÖÔØNG TOAÛN KHOA DƯỢC  BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ 1 Đơn vị biên soạn: KHOA DƯỢC XÁC NHẬN BCN KHOA DƯỢC Hậu Giang – Năm 2018
PHẦN THỨ NHẤT: CƠ HỌC BÀI MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1. Chuyển động cơ học: Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian. 2. Chất điểm: Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát. Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tập hợp của vô số chất điểm). Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên qũi đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. 3. Hệ qui chiếu: Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí của vật khác, gọi là hệ qui chiếu. 4. Phương trình chuyển động của chất điểm: Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 r toạ độ x, y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r , đều là những hàm của thời gian. x = x (t); y = y (t); z = z (t) r r r = r (t) Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. 5. Quỹ đạo chuyển động: Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) 9
6. Tính chất tương đối của chuyển động: Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể coi là đứng yên hay chuyển động. Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với cây bên đường. 7. Đơn vị đo lường: Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị. Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế Si (System International - Hệ quốc tế) Bảng 1: Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI Chiều dài L met m Khối lương M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10. Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9nm Bảng 2 Thừa số Tên tiền tố Kí hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 10-1 dexi d 109 Giga G 10-2 centi c 106 Mega M 10-3 mini m 103 Kilo K 10-6 micro μ 102 Hecto H 10-9 nano n 101 Deca D 10-12 pico p 10
8. Thứ nguyên Thứ nguyên của một đại lượng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của đại lượng đó vào các đại lượng cơ bản. Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài / Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LI-1 Đơn vị của vận tốc là: m/s. Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau . Ví dụ: Công thức chu kỳ của con lắc: Thứ nguyên của hai vế là: Như vậy về mặt thứ nguyên công thức trên là hợp lý. 9. Các đại lượng vật lý: Mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý (Một vật thể, một hiện tượng, một quá trình ...) được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, năng lượng ... Các đại lượng vật lí có thể là vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng) 9.1. Xác định một đại lượng vô hướng: Nghĩa là xác định giá trị của nó, có những đại lượng vô hướng không âm như: Thể tích, khối lượng ..., có những đại lượng vô hướng mà giá trị có thể âm hay dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện thế . 9.2. Xác định một đại lượng véc tơ . Nghĩa là xác định điểm đặt, phương, chiều, và độ lớn của véc tơ đặc trưng cho đại r r lượng đó. Ví dụ: lực F , cường độ điện trường E ... 11
CHƯƠNG 1 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM Động học là một phần của cơ học nghiên cứu các qui luật vận động cơ, không chú ý đến nguyên nhân đã gây ra ảnh hưởng, tác động lên vận động cơ. 1. VÉC TƠ DỊCH CHUYỂN Giả thiết có một chất điểm vận động cơ. Sau thời gian t vạch ra qũi đạo cong AB. Người ta gọi độ dài của đoạn đường AB là đoạn đường dịch chuyển, ký hiệu là S. S là một hàm của thời gian: S = S (t) Nếu xét đoạn đường dịch chuyển AB từ A đến B hay từ B về A thì độ dài, tính chất, độ cong ... không khác gì nhau. Nếu lấy A làm gốc, B làm ngọn, vẽ véc tơ AB người ta gọi véc tơ AB là r véc tơ dịch chuyển, kí hiệu là L . Véc tơ dịch chuyển khác đoạn đường dịch chuyển S về độ dài về tính chất, véc tơ chỉ hướng chuyển động. Do vậy không thể dùng đoạn đường dịch chuyển S để thay cho véc tơ dịch chuyển r L và ngược lại. Nhưng xét trong thời gian vô cùng nhỏ dt, chất điểm đi được đoạn đường vô cùng nhỏ dS, véc tơ dịch chuyển tương ứng dL. Ta thấy về độ lớn dS = dL (dây cung chập lên cung vi phân). Khi chất điểm chuyển động thẳng, có quỹ đạo là một đoạn thẳng thì các véc tơ dịch chuyển vi phân dL trùng phương với đoạn đường dịch chuyển dS. Khi chất điểm chuyển động cong, có quỹ đạo là một đường cong, thì các véc tơ dịch chuyển dL có phương tiếp tuyến với đoạn đường dịch chuyển dS. 2. VẬN TỐC 2.1. Định nghĩa: Vận tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi của quãng đường dịch chuyển theo thời gian. Nó chỉ cường độ chuyển động. Kí hiệu: v Đơn vị: m/s (trong hệ SI) 12
2.1.1. Vận tốc trung bình Là tỉ số giữa đoạn đường dịch chuyển ΔS mà chất điểm đi được sau khoảng thời gian Δt với khoảng thời gian Δt đó: Trong một khoảng thời gian chuyển động Δt, chất điểm có thể có vận tốc không đều, khi nhanh, khi chậm. Do đó vận tốc trung bình v không đặc trưng cho cường độ chuyển động của chất điểm ở từng thời điểm, từng vị trí một trên quỹ đạo. Do đó người ta dùng khái niệm vận tốc tức thời. 2.1.2. Vận tốc tức thời: Là vận tốc của chất điểm ở một thời điểm xác định Vận tốc tức thời có độ lớn bằng đạo hàm bậc nhất của quãng đường theo thời gian. Ở mỗi thời điểm xác định, chất điểm có một giá trị vận tốc tức thời xác định. Vậy vận tốc tức thời cũng là một hàm số của thời gian chuyển động: 2.2. Véc tơ vận tốc: Khi chuyển động, chất điểm có vận tốc lúc nhanh, lúc chậm, khi đi theo hướng này, khi đi theo hướng khác. Do vậy để biểu thị vận tốc chuyển động của một chất điểm, chúng ta phải dùng một véc tơ để mô tả cả về độ lớn và phương chiều. r Ký hiệu: véc tơ vận tốc v 2.2.1. Véc tơ vận tốc trung bình: Sau một khoảng thời gian Δt chất điểm đi được đoạn đường ΔS, có véc tơ dịch chuyển tương ứng là ΔL . Véc tơ vận tốc trung bình: 2.2.2. Véc tơ vận tốc tức thời Véc tơ vận tốc trung bình không đặc trưng cho chuyển động của chất điểm ở từng thời điểm, ta dùng khái niệm véc tơ vận tốc tức thời (gọi tắt là véc tơ vận tốc). r v có phương chiều là phương chiều của dL (phương tiếp tuyến với quỹ đạo cong tại điểm xét) 13
Độ lớn: (bằng đạo hàm bậc nhất của quãng đường dịch chuyển theo thời gian) Chất điểm chuyển động trên mặt phẳng thì toạ độ của nó có hai thành phần (x, y). Nếu chất điểm chuyển động trong không gian vận tốc có ba thành phần. 2.3. Ý nghĩa: r + Véc tơ vận tốc v cho biết chuyển động là cong hay thẳng, biến đổi hay đều r - Nếu v có phương không đổi theo thời gian thì chuyển động không đổi phương, quỹ đạo là một đoạn thẳng. r - Nếu v có phương và độ lớn không đổi theo thời gian thì chuyển động là thẳng đều. r - Nếu v có phương và độ lớn luôn thay đổi theo thời gian thì chuyển động là cong, biến đổi, qũi đạo là một đường cong. + Biết độ lớn v suy ra quãng đường dịch chuyển 3. GIA TỐC 3.1. Định nghĩa: Gia tốc là một đại lượng vật lý đặc trưng tho sự biến đổi của véc tơ vận tốc theo thời gian. r Kí hiệu là a . Đơn vị trong hệ SI: m/s2. 3.2. Biểu thức: 3.2.1. Gia tốc trung bình: Gia tốc trung bình của chuyển động trong khoảng thời gian Δt là tỉ số giữa độ biến r thiên vận tốc Δ v với khoảng thời gian Δt xảy ra độ biến thiên vận tốc đó. 3.3.2. Gia tốc tức thời: Là đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi của vectơ vận tốc ở tại một thời điểm xác định (gọi là gia tốc). 14
Khoảng thời gian Δt càng nhỏ thì gia tốc trung bình càng đặc trưng chính xác cho sự biến thiên của vận tốc. Vậy: Gia tốc là đại lượng véc tơ bằng đạo hàm bậc nhất của véc tơ vận tốc theo thời gian. 3.3. Các thành phần của gia tốc: Gia tốc là một đại lượng véc tơ nên ta có thể phân chia gia tốc ra làm 2 thành phần: gia tốc tiếp tuyến at và gia tốc pháp tuyến a n . Mỗi thành phần của gia tốc đặc trưng cho sự biến đổi của véc tơ vận tốc về mọi phương diện: độ lớn và phương chiều. Xét một chất điểm chuyển động cong, giả sử sau thời gian Δt rất nhỏ, sao cho quỹ đạo MM1 có thể coi như một cung trên đường tròn tâm O, bán kính R: Tại điểm M: chất điểm có vận tốc v biểu diễn bằng véc tơ MA r r - Sau thời gian Δt, chất điểm ở vị trí M1 có véc tơ vận tốc v1 = v + Δv biểu diễn bởi véc tơ MA . - Từ điểm M vẽ véc tơ MB = v1 . Nối A và B ta được vectơ - Từ điểm M trên phương v, ta đặt đoạn MC = v1. Nối C và B, theo hình vẽ ta có: r Vậy gia tốc a được phân tích thành hai thành phần. Ta hãy tìm ý nghĩa của từng thành phần. 3.3.1. Gia tốc tiếp tuyến r - Phương của at : là phương của Δ vt , khi Δt - > 0. Nghĩa là phương tiếp tuyến với quỹ đạo cong lại M. Do đó at được coi là gia tốc tiếp tuyến. 15
r - Chiều của at : là chiều của Δ vt , cùng chiều V nếu v1 > v và ngược lại (nghĩa là cùng chiều chuyển động, nếu chuyển động nhanh dần, at ngược chiều chuyển động nếu chuyển động chậm dần v1 < v) Vậy gia tốc tiếp tuyến có độ lớn bằng đạo hàm bậc nhất độ lớn của vận tốc theo thời gian. Độ lớn của vận tốc biến đổi càng nhiều, at càng lớn . Vì vậy ta nói: gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự biến đổi của véc tơ vận tốc về mặt độ lớn. 3.3.2. Gia tốc pháp tuyến: Phương của a n : là phương của Δ vn khi Δt - > 0. Véc tơ Δ vn hợp với phương tiếp tuyến MC một góc: Trong đó: Khi Δt - > 0; điểm M1 tiến tới trùng M; Δα - > 0 do đó Nghĩa là a n có phương trùng với pháp tuyến của quỹ đạo cong tại điểm M. Vì thế a n được coi là gia tốc pháp tuyến. Chiều của a n : là chiều của Δ vn luôn hướng về phía tâm của quỹ đạo, nghĩa là hướng về tâm 0 của đường tròn, do đó a n còn được gọi là gia tốc hướng tâm. + Độ lớn của a n : Từ hình vẽ ta thấy ΔMCB đồng dạng với ΔOMM1. Do đó: Khi Δt - > 0; MM1 ≈ ΔS nên 16
do đó Từ công thức trên ta suy ra: gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho sự thay đổi phương của véc tơ vận tốc. Thực vậy: với một giá trị v xác định, bán kính R của quỹ đạo càng nhỏ, an càng lớn quỹ đạo càng cong, nghĩa là phương của v thay đổi càng nhiều và ngược lại. 3.3.3. Kết luận: Véc tơ gia tốc có thể phân tích thành hai thành phần: - Gia tốc tiếp tuyến at đặc trưng cho sự biến đổi của vec tơ vận tốc về độ lớn. - Gia tốc pháp tuyến an đặc trưng cho sự biến đổi của véc tơ vận tốc về phương. Về độ lớn: 17
4. MỘT SỐ DẠNG CHUYỂN ĐỘNG ĐẶC BIỆT 4.1. Chuyển động thẳng biến đổi đều: Chuyển động thẳng có v không đổi phương, do đó an = 0. Chuyển động biến đổi nên a # 0. Chuyển động thẳng biến đổi đều có Do đó: Ở thời điểm đầu t = 0; thì v = v0 Ta có: Ở t = 0 thì chất điểm đi được quãng đường S0; nghĩa là c = S0 * Nếu vật rơi tự do từ độ cao h xuống đất, ta có: g: gia tốc trọng trường. v = g.t v2 = 2gh. 4.2. Chuyển động tròn: 4.2.1. Định nghĩa: Chuyển động tròn là chuyển động mà sự biến đổi về phương của véc tơ vận tốc ở 18
tại mọi điểm trên qũi đạo, tại mọi thời điểm là bằng nhau. Qũi đạo là một đường tròn. Đối với chất điểm chuyển động tròn, ngoài các đại lượng vận tốc dài, gia tốc dài người ta còn dùng các đại lượng đặc trưng khác là vận tốc góc, gia tốc góc để mô tả chuyển động. 4.2.2. Vận tốc góc (ω) Sau thời gian Δt chất điểm đi từ M đến M1. Bán kính quĩ đạo quét được một góc Δθ. Vận tốc góc trung bình: - Vận tốc góc tức thời: Vậy: vận tốc góc tức thời (gọi lắt là vận tốc góc) có độ lớn bằng đạo hàm bậc nhất của góc quay đối với thời gian. Quy ước vẽ véc tơ vận tốc góc ω như sau: + Có gốc tại tâm O dθ + Có độ lớn bằng dt + Có phương vuông góc với quỹ gạo tròn + Có chiều được xác định theo quy tắc vặn nút chai: nếu quay cán vặn nút chai theo chiều chuyển động của chất điểm thì chiều tiến hay lùi của thân vặn nút chai là chiều của véc tơ vận tốc góc. + Đơn vị đo: rad/s 4.2.3 Gia tốc góc: Là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi của véc tơ vận tốc góc theo thời gian. - Gia tốc góc trung bình: - Gia tốc góc tức thời: 19
r Gia tốc góc β là một véc tơ bằng đạo hàm bậc nhất của véc tơ vận tốc góc đối với thời gian. + Có phương: là phương của ω , nghĩa là phương vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo tròn. + Chiều: Có chiều cùng chiều với vận tốc góc ω , nếu chuyển động là nhanh dần và ngược chiều ω nếu chuyển động là chậm dần (ω2 < ω1) + Độ lớn: + Đơn vị đo: rad/s2. 4.2.4. Sự liên hệ (Giữa vận tốc dài v , gia tốc tiếp r tuyến at , với vận tốc góc ω và gia tốc góc β ) Sau thời gian dt, chất điểm đi được đoạn đường dS, r véc tơ bán kính R quét được một góc dθ. Vì dS = R.d.θ: r Xét cả về mặt phương chiều của 3 véc tơ v , R , ω ta thấy: r R : véc tơ bán kính quỹ đạo. - Độ lớn của gia tốc pháp tuyến: - Gia tốc tiếv tuyển và gia tốc góc: r Xét cả về phương chiều của 3 véc tơ β , r at , R , ta có: 20
5. CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG 5.1. Dao động là gì? Chuyển động dao động là sự chuyển động lặp đi lặp tại vị trí cân bằng sau những khoảng thời gian nhất định, dưới tác dụng của lực đàn hồi hay lực chuẩn đàn hồi. + Ví dụ: - Dao động của lò xo: Ở trạng thái cân bằng: Fhl = 0. Dùng ngoại (lò xo lệch khỏi VTCB một đoạn x rồi thả ra, vật nặng chuyển động về vị trí cân bằng O do tác dụng của một lực đàn hồi Fdh . Lực đàn hồi bằng nhưng ngược chiều với ngoại lực. r Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngược chiều với véc tơ dịch chuyển x K: hệ số đàn hồi của lò xo. Phụ thuộc bản chất của lò xo Đến vị trí cân bằng Fah = 0. Nhưng do quán tính, vật tiếp tục chuyển động sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí). Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua vị trí cân bằng rồi sang phải. Quá trình cứ lặp lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau. Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động dao động. - Con lắc đơn Lấy một sợi dây mảnh, không co giãn, chiều dài 1. Một đầu dây buộc vào vật nặng khối lượng m, đầu kia buộc vào bản cố định. Ta có một con lắc đơn. Thoạt đầu dưới tác dụng của trọng lực P con lắc đứng yên. Tác dụng một ngoại lực làm cho con lắc lệch ra khỏi phương thẳng đứng một góc lệch α. Sau đó thôi tác dụng ngoại lực ở vị trí mới, trọng lực của vật nặng được phân chia ra 2 thành phần: Pt : theo phương kéo dài của dây treo Pn : có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng Ở vị trí cần bằng Pn = 0. Nhưng do còn quán tính nó lại tiếp tục sang trái (giả thiết 21
như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của không khí). Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó Pn lại xuất hiện kéo vật về vị trí cân bằng. Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại sau những khoảng thời gian như nhau. Lực Pn là lực gây ra chuyển động dao động: Vì α nhỏ ⇒ sinα ≈ α . Ta có: Tương tự công thức của định luật Hook Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi 5.1.2 Phương trình dao động điều hoà Trong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi trường, thì độ dịch chuyển x và góc lệch α về 2 phía đối với vị trí cân bằng là bằng nhau. Dao động sẽ thực hiện trong một thời gian dài. Dao động như vậy ta gọi là dao động điều hoà. Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thời gian. Ngược lại nếu có ma sát của môi trường, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm dần, sau một thời gian sẽ ngừng chuyển động. Ta gọi là dao động tắt dần. * Thiết lập phương trình Ta lấy ví dụ về dao động của lò xo để thiết lập phương trình dao động điều hoà. Lực đàn hồi gây ra gia tốc cho chuyển động dao động. Theo định luật Hooke: Theo Định luật Newtơn II: 22
Đây là phương trình vi phân cấp hai có vế phải bằn go. Vì m > 0 nên ta có thể chia cho m: (K, m > 0, K: hệ số đàn hồi của lò xo) Giải ra ta được 2 nghiệm Trong đó: a, α, α' là những hằng số phụ thuộc vào điều điện ban đầu của bài toán. x: ly độ dao động a: ly độ dao động cực đại hay biên độ của dao động. a = xmax ứng với cos (ω.t+ α) = ± 1 (ω.t + α): là một góc, gọi là pha của dao động ω: tần số góc (tốc độ góc của véc tơ biên độ dao động) t: Thời gian dao động. T: Chu kỳ dao động. Là thời gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần. α: là góc, là pha đầu của dao động, ứng với t = 0 6. CHUYỀN ĐỘNG SÓNG 6.1. Định nghĩa Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử). 6.2. Sự truyền sóng Giả sử có một môi trường đàn hồi các phân tử liên kết với nhau bằng những lực đàn hồi, (môi trường rắn, lỏng, khí). Do ngoại lực tác dụng, các phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu dao động. Các dao động này do các liên kết phân tử, được lan truyền sang các phân tử xung quanh. Như vậy khi có sóng truyền qua trong môi trường các vùng dãn, nén liên tiếp tuần hoàn trong không gian và theo thời gian (Hình 1.12). 23
Giả sử vì một lý do gì đấy, một phân tử O của môi trường bị lệch khỏi vị trí cân bằng. Phân tử A sẽ tác đụng lên O một lực kéo, phân tử B sẽ tác dụng lên O một lực đẩy. O sẽ dịch chuyển sang trái. Lúc tới trạng thái lực kéo (c) thì A lại đẩy O và B lại kéo. Kết quả phân tử O sẽ thực hiện được một dao động toàn phần. Do đặc điểm của môi trường đàn hồi, phân tử O cũng tác dụng vào phân tử A và B, dao động này sẽ lan truyền trong môi trường tạo thành sóng cơ học. O gọi là nguồn phát sóng. 6.3. Các loại sóng Khi truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, dao động sẽ lan truyền về mọi phía với vận tốc như nhau. Để đơn giản ta chọn một phương nào đó, gọi là phương truyền sóng. Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng, gọi là sóng ngang. Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nước ... Nếu các phần tử của môi trường dao động song song với phương truyền sóng thì đó là sóng dọc. Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm. Các môi trường chất rắn tồn tại đồng thời cả sóng dọc và sóng ngang. Môi trường lỏng và khí truyền được sóng dọc. 6.4. Các thông số cơ bản 6.4.1. Bước sóng (λ) Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi trường dao động đồng pha hoặc là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì. VD: Khoảng cách từ A → E (Hình 1.14) . Đơn vị đo: m, cm, μm, nm. 24
6.4.2. Chu kỳ dao động lực kéo (T) Thời gian cần thiết để một điểm của môi trường thực hiện một dao động toàn phần. 6.4.3. Vận tốc truyền sóng lực ké (c) Quãng đường truyền sóng truyền được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: m/s xét trường hợp bước sóng dọc. Giả sử 2 phân tử của một trường 1 và 2 cách nhau một khoảng ấy theo phương truyền sóng y (Hình 1.15) khi chúng ở vị trí cân bằng 6.4.4. Tần số (f) Là số lần dao động trong một giây. Đơn vị đo: Hezt (Hz): 1 Hz = 1/s 6.4.5. Tần số góc (ω) Tần số góc bằng tần số quay nhân với 2π. Đơn vị đo: rad/s 6.4.6. Phương trình sóng Do bị khích động các phân tử 1 và 2 lệch khỏi vị trí cân bằng một khoảng x và x+dx. Khoảng cách giữa hai phân tử bây giờ là (dx + dy). Khi đó vận tốc dao động của phân tử trong môi trường là Và độ biến dạng tương đối: Lấy đạo hàm của v theo t và S theo y ta có: 25
Phương trình này được gọi là phương trình truyền sóng. Trong đó vận tốc truyền sóng tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường và vào loại sóng. Chú ý: Vận tốc dao động của phân tử khác hẳn vận tốc lan truyền sóng. 7. SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM 1. Định nghĩa Sóng âm và siêu âm là những dao động truyền trong các môi trường vật chất đàn hồi rắn, lỏng, khí dưới dạng sóng dọc. Sóng âm không truyền trong chân không. 2. Sự khác nhau giữa sóng âm và siêu âm Tiêu chuẩn để phân biệt sóng âm và siêu âm là tần số Với tần số 0 → 16 Hz: Vùng hạ âm: sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão truyền trong nước biển . Với tần số 16 Hz → 20 KHz: Sóng âm: Tai người bình thường nghe được. Với tần số 20KHz → 109 Hz: Siêu âm: Tai người không nghe được (một số loài vật như dơi, chó có thể nghe được). Với tần số 109Hz → 1013 Hz: Siêu siêu âm.1013 Hz là giới hạn trên vì bước sóng ở tần số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất rắn. Siêu âm có mang năng lượng. Năng lượng siêu âm, chính là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử môi trường. - Cường độ siêu âm (I): được tính là năng lượng siêu âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt thẳng góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo của cường độ siêu âm là: W/m2. Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi của môi trường. Trong quá trình truyền âm, cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm mau vì các lí do sau: - Các phần tử của môi trường dao động, ma sát với môi trường do đó có một phần năng lượng dao động phải dùng để thắng ma sát và biến thành nhiệt năng làm nóng môi trường. - Âm trong khi truyền gặp mặt phân cách 2 môi trường cũng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tương tự ánh sáng. Chính hiện tượng phản xạ làm giảm rất nhiều cường độ sóng âm đi tới. 26
3. Nguồn phát siêu âm Siêu âm phát ra từ các nguồn thiên nhiên thường là tần số thấp, năng lượng nhỏ và phân tán. Trong kỹ thuật dùng các máy phát đặc biệt, biến năng lượng điện thành năng lượng siêu âm. Siêu âm phát ra có tần số ổn định, có thể thay đổi được theo ý muốn. Năng lượng lớn, tập trung và thay đổi được. Muốn thu siêu âm người ta dùng bộ phận cảm biến. Biến đổi tín hiệu siêu âm thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện qua các mạch khuyếch đại đặc biệt và được ghi giữ bằng màn hình huỳnh quang hay phim ảnh. Nguồn phát siêu âm dựa trên hiện tượng điện áp nghịch: một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với trục quang tạo thành bản thạch anh áp điện. Người ta mạ hai mặt để tạo thành một tụ điện, hoặc kẹp nó vào giữa 2 bản của một tụ điện phẳng. Khi tác dụng một hiệu điện thế U giữa hai bản tụ điện, bản thạch anh bị tác dụng một lực nén (hay giãn tuỳ dấu của điện tích) làm biến thiên chiều dài của bản. Thay U bằng một nguồn điện xoay chiều tần số V, bản thạch anh bị dao động cưỡng bức phát ra siêu âm. Ở đây năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan truyền vào môi trường xung quanh với tần số có thể đến 50MHz. Nguồn phát siêu âm dựa trên hiện tượng từ giảo: Một thanh sắt từ khi bị từ hoá thì độ dài của nó sẽ ngắn đi chút ít. Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với một nguồn điện xoay chiều tần số cao. Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều. Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động với tần số như tần số của nguồn điện, trở thành nguồn phát siêu âm khi tần số > 20.000Hz. Nguồn phát siêu âm loại này có thể đạt tới tần số 109Hz. 4. Sự hấp thụ sóng âm và siêu âm Khi truyền qua môi trường, năng lượng siêu âm bị giảm đi do hiện tượng hấp thụ. Hiện tượng hấp thụ tuân theo quy luật: x: Bề dày lớp chất. I: Cường độ siêu âm truyền qua. I0: Cường độ siêu âm tới. α: Hệ số hấp thụ. 27