II. SÓNG C VÀ SÓNG ÂMƠ
A. TÓM T T LÝ THUY T
1. Sóng c và s truy n sóng cơ ơ.
* Sóng c : ơSóng c là dao đng c lan truy n trong môi tr ng v t ch t.ơ ơ ườ
+ Sóng ngang là sóng trong đó các ph n t c a môi tr ng dao đng theo ph ng vuông góc v i ph ng ườ ươ ươ
truy n sóng.
Tr tr ng h p sóng m t n c, sóng ngang ch truy n đc trong ch t r n. ườ ướ ượ
+ Sóng d c là sóng trong đó các ph n t c a môi tr ng dao đng theo ph ng trùng v i ph ng truy n ườ ươ ươ
sóng.
Sóng d c truy n đc c trong ch t khí, ch t l ng và ch t r n. ượ
Sóng c không truy n đc trong chân không.ơ ượ
+ B c sóng ướ : là kho ng cách gi a hai đi m g n nhau nh t trên ph ng truy n sóng dao đng cùng pha. ươ
B c sóng cũng là quãng đng sóng lan truy n trong m t chu k : ướ ườ = vT =
f
v
.
+ Kho ng cách gi a hai đi m g n nhau nh t trên ph ng truy n sóng mà dao đng ng c pha là ươ ượ
2
.
+ Năng l ng sóng: sóng truy n dao đng cho các ph n t c a môi tr ng, nghĩa là truy n cho chúng năngượ ườ
l ng. Quá trình truy n sóng là quá trình truy n năng l ng.ượ ượ
* Ph ng trình sóngươ
N u ph ng trình sóng t i ngu n O là uế ươ O = AOcos(t + ) thì ph ng trình sóng t i M trên ph ngươ ươ
truy n sóng là: uM = AMcos (t + - 2
OM
λ
) = AMcos (t + -
2x
π
λ
).
N u b qua m t mát năng l ng trong quá trình truy n sóng thì biên đ sóng t i O và t i M b ng nhauế ượ
(AO = AM = A).
Đ l ch pha c a hai dao đng gi a hai đi m cách nhau m t kho ng d trên ph ng truy n sóng: ươ =
d2
.
* Tính tu n hoàn c a sóng
T i m t đi m M xác đnh trong môi tr ng: u ườ M là m t hàm bi n thiên đi u hòa theo th i gian t v i chu ế
k T: ut = Acos(
2
T
π
t + M).
T i m t th i đi m t xác đnh: u M là m t hàm bi n thiên đi u hòa trong không gian theo bi n x v i chu k ế ế
: ux = Acos(
2
π
λ
x + t).
2. Giao thoa sóng.
+ Đi u ki n c n và đ đ hai sóng giao thoa đc v i nhau là hai sóng đó ph i là hai sóng k t h p, xu t ượ ế
phát t hai ngu n dao đng cùng ph ng, cùng t n s và có đ l ch pha không đi theo th i gian. Hai ươ
ngu n k t h p có cùng pha là hai ngu n đng b . ế
+ Hai sóng do hai ngu n k t h p phát ra là hai sóng k t h p. ế ế
+ Hi n t ng giao thoa là hi n t ng hai sóng k t h p khi g p nhau thì có nh ng đi m, đó chúng luôn ượ ượ ế
luôn tăng c ng l n nhau; có nh ng đi m đó chúng luôn luôn tri t tiêu nhau.ườ
+ N u t i hai ngu n Sế 1 và S2 cùng phát ra hai sóng gi ng h t nhau: u 1 = u2 = Acost và n u b qua m t mátế
năng l ng khi sóng truy n đi thì thì sóng t i M (v i Sượ 1M = d1; S2M = d2) là t ng h p hai sóng t S 1 và S2
truy n t i s có ph ng trình là: u ươ M = 2Acos
)( 12 dd
cos(t -
)( 12 dd
).
+ C c đi giao thoa n m t i các đi m có hi u đng đi c a hai sóng t i đó b ng m t s nguyên l n b c ườ ướ
sóng: d2 – d1 = k; (k Z)
+ C c ti u giao thoa n m t i các đi m có hi u đng đi c a hai sóng t i đó b ng m t s nguyên l n a ườ
b c sóng: dướ 2 – d1 = (k +
2
1
); (k Z).
+ T i đi m cách đu hai ngu n s có c c đi n u sóng t hai ngu n phát ra cùng pha, có c c ti u n u ế ế
sóng t hai ngu n phát ra ng c pha nhau. ượ
II
+ Trên đo n th ng S 1S2 n i hai ngu n, kho ng cách gi a hai c c đi ho c hai c c ti u liên ti p (g i là ế
kho ng vân i) là: i =
2
.
+ Hi n t ng giao thoa là m t hi n t ng đc tr ng c a sóng, t c là m i quá trình sóng đu có th gây ra ượ ượ ư
hi n t ng giao thoa. Ng c l i, quá trình v t lí nào gây đc hi n t ng giao thoa cũng t t y u là m t ượ ượ ượ ượ ế
quá trình sóng.
+ M t hi n t ng đc tr ng n a c a sóng là hi n t ng nhi u x . Đó là hi n t ng sóng khi g p v t c n ượ ư ượ ượ
thì sóng đi l ch kh i ph ng truy n th ng và đi vòng ra phía sau v t c n. ươ
3. Sóng d ng.
* S ph n x sóng: Khi sóng truy n đi n u g p v t c n thì nó có th b ph n x . Sóng ph n x cùng t n ế
s và cùng b c sóng v i sóng t i. ướ
+ N u đu ph n x c đnh thì sóng ph n x ng c pha v i sóng t i.ế ượ
+ N u v t c n t do thì sóng ph n x cùng pha v i sóng t i.ế
* Sóng d ng
+ Sóng t i và sóng ph n x n u truy n theo cùng m t ph ng, thì có th giao thoa v i nhau, và t o ra m t ế ươ
h sóng d ng.
+ Trong sóng d ng có m t s đi m luôn luôn đng yên g i là nút, và m t s đi m luôn luôn dao đng v i
biên đ c c đi g i là b ng.
Kho ng cách gi a hai nút liên ti p ho c hai b ng liên ti p b ng n a b c sóng. ế ế ướ
+ Đ có sóng d ng trên s i dây v i hai nút hai đu (hai đu c đnh) thì chi u dài c a dây ph i b ng
m t s nguyên n a b c sóng. ướ
+ Đ có sóng d ng trên s i dây v i m t đu là nút m t đu là b ng (m t đu c đnh, m t đu t do) thì
chi u dài c a s i dây ph i b ng m t s nguyên l m t ph n t b c sóng. ư ướ
4. Sóng âm.
* Đc tr ng v t lí c a âm ư
+ Sóng âm là nh ng sóng c h c d c truy n trong các môi tr ng khí, l ng, r n. ơ ườ
+ Ngu n âm là các v t dao đng phát ra âm.
+ T n s dao đng c a ngu n cũng là t n s c a sóng âm.
+ Âm nghe đc (âm thanh) có t n s t 16 Hz đn 20000 Hz.ượ ế
+ Âm có t n s d i 16 Hz g i h âm. ướ
+ Âm có t n s trên 20000 Hz g i là siêu âm.
+ Nh c âm là âm có t n s xác đnh, t p âm là âm không có m t t n s xác đnh.
+ Âm không truy n đc trong chân không. ượ
+ Trong m t môi tr ng, âm truy n v i m t t c đ xác đnh. V n t c truy n âm ph thu c vào tính đàn ườ
h i, m t đ c a môi tr ng và nhi t đ c a môi tr ng. Khi âm truy n t môi tr ng này sang môi ườ ườ ườ
tr ng khác thì v n t c truy n âm thay đi, b c sóng c a sóng âm thay đi còn t n s c a âm thì khôngườ ướ
thay đi.
+ Âm h u nh không truy n đc qua các ch t x p nh bông, len, ..., nh ng ch t đó đc g i là ch t ư ượ ư ượ
cách âm.
+ C ng đ âm I t i m t đi m là đi l ng đo b ng năng l ng mà sóng âm t i qua m t đn v di n tíchườ ượ ượ ơ
đt t i đi m đó, vuông góc v i ph ng truy n sóng trong m t đn v th i gian; đn v W/m ươ ơ ơ 2: I =
S
P
St
W
.
V i ngu n âm có công su t P và âm phát ra nh nhau theo m i h ng thì c ng đ âm t i đi m cách ư ướ ườ
ngu n âm m t kho ng R là: I =
2
4R
P
; v i 4R2 là di n tích m t c u bán kính R.
+ Ng ng nghe: là c ng đ âm nh nh t mà tai ng i còn có th nghe r . Ng ng nghe ph thu c vàoưỡ ườ ườ ưỡ
t n s âm. Âm có t n s 1000 Hz đn 5000 Hz, ng ng nghe kho ng 10 ế ưỡ -12 W/m2.
+ Ng ng đau: là c ng đ âm c c đi mà tai ng i còn có th nghe đc nh ng có c m giác đau nh c.ưỡ ườ ườ ượ ư
Đi v i m i t n s âm ng ng đau ng v i c ng đ âm 10 W/m ưỡ ườ 2.
+ Mi n nghe đc: là mi n n m gi a ng ng nghe và ng ng đau. ượ ưỡ ưỡ
+ Đi l ng L = lg ượ
0
I
I
v i I0 là chu n c ng đ âm (âm r t nh v a đ nghe, th ng l y chu n c ng đ ườ ườ ườ
âm I0 = 10-12 W/m2 v i âm có t n s 1000 Hz) g i là m c c ng đ âm c a âm có c ng đ I. ườ ườ
II
13
Đn v c a m c c ng đ âm là ben (B). Trong th c t ng i ta th ng dùng c s c a ben làơ ườ ế ườ ườ ướ
đêxiben (dB): 1dB = 0,1 B.
+ Khi m t nh c c phát ra m t âm có t n s f 0 thì bao gi nh c c đó cũng đng th i phát ra m t lo t âm
có t n s 2f 0, 3f0, ... có c ng đ khác nhau. Âm có t n s fườ 0 g i là âm c b n hay h a âm th nh t, các âm ơ
có t n s 2f 0, 3f0, … g i là các h a âm th 2, th 3, Biên đ c a các h a âm l n, nh không nh nhau, ư
tùy thu c vào chính nh c c đó. T p h p các h a âm t o thành ph c a nh c âm.
T ng h p đ th dao đng c a t t c các h a âm trong m t nh c âm ta đc đ th dao đng c a nh c ượ
âm đó.
+ V ph ng di n v t lí, âm đc đc tr ng b ng t n s , c ng đ (ho c m c c ng đ âm) và đ th ươ ượ ư ườ ườ
dao đng c a âm.
* Đc tr ng sinh lí c a sóng âm: ư Đ cao, đ to, âm s c.
+ Đ cao: là m t đc tr ng sinh lí ph thu c vào t n s âm, không ph thu c vào năng l ng âm. ư ượ
+ Đ to: là 1 đc tr ng sinh lí ph thu c vào t n s âm và m c c ng đ âm. ư ườ
+ Âm s c: là đc tr ng c a âm giúp ta phân bi t đc các âm phát ra t các ngu n khác nhau. Âm s c liên ư ượ
quan đn đ th dao đng âm.ế
Âm s c ph thu c vào t n s và biên đ c a các ho âm.
5. Hi u ng Đp-ple .
Hi u ng Đp-ple là s thay đi t n s sóng thu đc máy thu so v i t n s sóng phát ra t ngu n ượ
khi có s chuy n đng t ng đi gi a ngu n sóng v i máy thu. ươ
* Ngu n âm đng yên, máy thu chuy n đng v i v n t c v M:
+ Máy thu chuy n đng l i g n ngu n âm thì thu đc âm có t n s : ượ
'
M
v v
f f
v
+
=
.
+ Máy thu chuy n đng ra xa ngu n âm thì thu đc âm có t n s : ượ
"
M
v v
f f
v
=
.
* Ngu n âm chuy n đng v i v n t c v S, máy thu đng yên:
+ Máy thu chuy n đng l i g n ngu n âm v i v n t c v M thì thu đc âm có t n s : ượ
'
S
v
f f
v v
=
.
+ Máy thu chuy n đng ra xa ngu n âm thì thu đc âm có t n s : ượ
"
S
v
f f
v v
=+
.
V i v là v n t c truy n âm trong môi tr ng, v ườ M là v n t c c a máy thu trong môi tr ng, v ườ S là v n t c
c a ngu n âm trong môi tr ng và f là t n s c a âm. ườ
Nh v y:ư T n s c a âm s tăng khi ngu n và máy thu chuy n đng l i g n nhau và t n s âm s
gi m đi khi ngu n và máy thu chuy n đng ra xa nhau.
B. CÁC D NG BÀI T P
1. Tìm các đi l ng đc tr ng c a sóng – Vi t ph ng trình sóng ượ ư ế ươ .
* Các công th c:
+ V n t c truy n sóng: v =
t
s
=
T
= f.
+ Hai đi m trên ph ng truy n sóng cách nhau m t s nguyên l n b c sóng (d = k ươ ướ ) thì dao đng cùng
pha, cách nhau m t s nguyên l n a b c sóng (d = (2k + 1) ướ
2
) thì dao đng ng c pha. ượ
+ Năng l ng sóng: W = ượ
2
1
m2A2.
+ T i ngu n phát O ph ng trình sóng là u ươ O = acos(t + ) thì ph ng trình sóng t i M trên ph ng truy nươ ươ
sóng là: uM = acos(t + - 2
OM
) = acos(t + - 2
x
).
+ Đ l ch pha c a hai dao đng gi a hai đi m cách nhau kho ng d trên ph ng truy n sóng là: ươ =
d2
.
* Ph ng pháp gi i:ươ
II
14
+ Đ tìm các đi l ng đc tr ng c a sóng ượ ư ta vi t bi u th c liên quan đn các đi l ng đã bi t và điế ế ượ ế
l ng c n tìm t đó suy ra và tính đi l ng c n tìm.ượ ượ
L u ýư: Các đn v trong các đi l ng ph i t ng thích: n u b c sóng, kho ng cách tính b ng cm thì v nơ ượ ươ ế ướ
t c ph i dùng đn v là cm/s; n u b c sóng, kho ng cách tính b ng m thì v n t c ph i dùng đn v là ơ ế ướ ơ
m/s.
+ Đ vi t ph ng trình sóng t i đi m M khi bi t ph ng trình sóng t i ngu n O thì ch y u là ta tìm pha ế ươ ế ươ ế
ban đu c a sóng t i M: M = - 2
OM
= - 2
x
L u ýư: - N u M tr c O theo chi u truy n sóng thì x < 0; M sau O theo chi u truy n sóng thì x > 0.ế ướ
- Hàm cos và hàm sin là hàm tu n hoàn v i chu kì 2 nên trong pha ban đu c a ph ng trình sóng ươ
ta có th c ng vào ho c tr đi m t s ch n c a đ pha ban đu trong ph ng trình có tr tuy t đi nh ươ
h n 2ơ.
II
15
* Bài t p minh h a:
1. M t ng i áp tai vào đng ray tàu h a nhe ti ng búa g vào đng ray cách đó 1 km. Sau 2,83 s ng i ườ ườ ế ườ ườ
đó nghe ti ng búa g truy n qua không khí. Tính t c đ truy n âm trong thép làm đng ray. Cho bi t t cế ườ ế
đ âm trong không khí là 330 m/s.
2. Trên m t m t ch t l ng có m t sóng c , ng i ta quan sát đc kho ng cách gi a 15 đnh sóng liên ti p ơ ườ ượ ế
là 3,5 m và th i gian sóng truy n đc kho ng cách đó là 7 s. Xác đnh b c sóng, chu kì và t n s c a ượ ướ
sóng đó.
3. T i m t đi m trên m t ch t l ng có m t ngu n dao đng v i t n s 120 Hz, t o ra sóng n đnh trên
m t ch t l ng. Xét 5 g n l i liên ti p trên m t ph ng truy n sóng, v m t phía so v i ngu n, g n th ế ươ
nh t cách g n th năm 0,5 m. Tính t c đ truy n sóng trên m t ch t l ng.
4. M t sóng có t n s 500 Hz và t c đ lan truy n 350 m/s. H i hai đi m g n nh t trên ph ng truy n ươ
sóng cách nhau m t kho ng bao nhiêu đ gi a chúng có đ l ch pha
4
π
?
5. M t sóng âm truy n trong thép v i t c đ 5000 m/s. Bi t đ l ch pha c a sóng âm đó hai đi m g n ế
nhau nh t cách nhau 2 m trên cùng m t ph ng truy n sóng là ươ
2
π
. Tính b c sóng và t n s c a sóng âmướ
đó.
6. M t ngu n phát sóng c dao đng theo ph ng trình ơ ươ
4cos 4 ( )
4
u t cm
π
π
=
. Bi t dao đng t i haiế
đi m g n nhau nh t trên cùng m t ph ng truy n sóng cách nhau 0,5 m có đ l ch pha là ươ
3
π
. Xác đnh chu
kì, t n s và t c đ truy n c a sóng đó.
7. M t sóng ngang truy n trên s i dây r t dài có ph ng trình sóng là: u = 6cos(4 ươ t 0,02x). Trong đó u
và x đc tính b ng cm và t tính b ng giây. Hãy xác đnh: Biên đ, t n s , b c sóng và v n t c truy nượ ướ
sóng.
8. M t s i dây đàn h i, m nh, r t dài, có đu O dao đng v i t n s f thay đi trong kho ng t 40 Hz đn ế
53 Hz, theo ph ng vuông góc v i s i dây. Sóng t o thành lan truy n trên dây v i v n t c v = 5 m/s.ươ
a) Cho f = 40 Hz. Tính chu k và b c sóng c a sóng trên dây. ướ
b) Tính t n s f đ đi m M cách O m t kho ng 20 cm luôn luôn dao đng cùng pha v i dao đng t i
O.
9. M t mũi nh n S đc g n vào đu m t lá thép n m ngang và ch m nh vào m t n c. Khi lá thép dao ượ ướ
đng v i t n s f = 120 Hz, t o ra trên m t n c m t sóng có biên đ 0,6 cm. Bi t kho ng cách gi a 9 ướ ế
g n l i liên ti p là 4 cm. Vi t ph ng trình sóng c a ph n t t i đi m M trên m t n c cách S m t ế ế ươ ướ
kho ng 12 cm. Ch n g c th i gian lúc mũi nh n ch m vào m t thoáng và đi xu ng, chi u d ng h ng ươ ướ
lên.
10. M t sóng ngang truy n t M đn O r i đn N trên cùng m t ph ng truy n sóng v i v n t c v = 18 ế ế ươ
m/s. Bi t MN = 3 m và MO = ON. Ph ng trình sóng t i O là uế ươ O = 5cos(4 t -
6
) (cm). Vi t ph ng trìnhế ươ
sóng t i M và t i N.
* H ng d n gi i và đáp s :ướ
1. Ta có: t =
kk
v
d
-
th
v
d
vth =
tvd
dv
kk
kk
= 4992 m/s.
2. Kho ng cách gi a 15 đnh sóng là 14 =
14
5,3
= 0,25 m; v =
7
5,3
= 0,5 m/s; T =
v
= 0,5 s; f =
v
= 2
Hz.
3. Kho ng cách gi a 5 g n l i liên ti p là ế 4 =
4
5,0
= 0,125 m; v = f = 15 m/s.
4. Ta có: =
f
v
= 0,7 m; =
d2
=
4
d =
8
= 0,0875 m = 8,75 cm.
5. Ta có: =
d2
=
2
= 4d = 8 m; f =
v
= 625 Hz.
II
16