Bài 19: Điện từ trường và sóng điện từ
Sóng radio và ánh sáng đều truyền bằng điện từ trường biến thiên.
Lý thuyết · Ví dụ · Sơ đồ tư duy
Học xong bài này, em sẽ
- Mô tả quan hệ giữa điện trường và từ trường biến thiên
- Nhận biết tính chất ngang của sóng điện từ
- Đổi tần số, chu kì và bước sóng
Kiến thức và cách hiểu
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Bước sóng điện từ trong chân không
Chỉ dùng tốc độ c trong chân không; trong môi trường dùng v = λf.
Quan hệ biên độ điện – từ
Sóng điện từ phẳng trong chân không.
Điện từ trường biến thiên
Sự biến thiên từ trường tạo điện trường xoáy; điện trường biến thiên cũng gắn với từ trường. Mô tả đầy đủ cần phương trình Maxwell, còn ở chương trình phổ thông ta tập trung mối liên hệ và sự lan truyền điện từ trường trong không gian.
Sóng điện từ là sóng ngang
Trong sóng điện từ phẳng truyền trong chân không, vector điện trường E và cảm ứng từ B vuông góc nhau và vuông góc phương truyền. Chúng biến thiên đồng pha, có hướng truyền theo tích có hướng E×B.
Tốc độ và bước sóng
Trong chân không, sóng điện từ truyền với c≈3,0×10⁸ m/s. Bước sóng λ=c/f, tần số f được giữ không đổi khi sóng đi từ môi trường này sang môi trường khác, còn tốc độ và bước sóng có thể thay đổi.
Các vùng phổ và ứng dụng
Sóng vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, gamma đều là sóng điện từ khác nhau về tần số/bước sóng. Tần số cao không đồng nghĩa truyền xa hơn trong mọi môi trường: khả năng truyền còn phụ thuộc hấp thụ, tán xạ, địa hình và công suất nguồn.
Ví dụ có lời giải
Tín hiệu phát thanh 100 MHz trong chân không có bước sóng λ=3,0×10⁸/(100×10⁶)=3,0 m. Nhớ đổi 1 MHz = 10⁶ Hz; nếu bỏ tiền tố sẽ lệch một triệu lần.
Bài 19: Kiến thức nâng cao và hướng dẫn giải
Nội dung được viết lại theo tiến trình: khái niệm → điều kiện áp dụng → lập hệ thức → kiểm tra kết quả. Những mục sau mở rộng phần tổng kết hiện có, giúp em ôn đủ dạng trong Chương 3.
Nắm vững lý thuyết và điều kiện áp dụng
Điện từ trường là thể thống nhất
Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường; từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy theo các định luật Maxwell. Không nhất thiết phải có dây dẫn tại mọi điểm có điện trường xoáy. Trong quá trình lan truyền sóng, các trường biến thiên liên tục gắn liền và mang năng lượng đi xa nguồn.
Không mô tả sóng điện từ như hai hạt điện trường và từ trường luân phiên biến mất rồi xuất hiện; chúng là các thành phần trường đồng thời thay đổi theo không gian và thời gian.
Bản chất sóng ngang của sóng điện từ
Trong sóng điện từ phẳng lan truyền trong chân không, vectơ E vuông góc với vectơ B và cả hai vuông góc với hướng truyền. E và B tại cùng vị trí biến thiên cùng pha; hướng truyền năng lượng theo E×B. Sóng điện từ truyền được trong chân không, khác sóng âm cần môi trường vật chất.
Đối với sóng phẳng trong chân không, biên độ E₀=cB₀ với c≈3×10⁸ m/s. Công thức này là quan hệ biên độ đơn vị E(V/m), B(T), không phải hệ thức cho mọi trường điện từ bất kỳ.
Bước sóng, tần số và môi trường
Trong chân không, bước sóng λ=c/f=cT, với f(Hz), λ(m); ví dụ f=100 MHz → λ=3 m. Đi từ chân không vào môi trường vật chất, tần số thường không đổi qua mặt phân cách trong trường hợp môi trường không chuyển động, tốc độ v và bước sóng thay đổi theo λ=v/f.
Không dùng c để tính bước sóng trong môi trường mà vận tốc truyền đáng kể khác c. Năng lượng bức xạ điện từ có thể hấp thụ, phản xạ, tán xạ; không có quy luật “tần số càng cao luôn truyền xa” cho mọi môi trường.
Phổ điện từ và đặc điểm ứng dụng
Các vùng phổ theo tần số tăng gần theo thứ tự: sóng vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, tia gamma. Ranh giới vùng phổ có thể chồng lấn theo quy ước; không xếp dựa duy nhất vào một ứng dụng cụ thể.
Thông tin vô tuyến dùng anten phát/thu; lò vi sóng làm nóng nhờ hấp thụ của vật liệu phù hợp; tia X dùng trong chẩn đoán hình ảnh có kiểm soát liều. Mức an toàn phụ thuộc năng lượng photon, cường độ, thời gian và biện pháp che chắn.
Đọc đồ thị và biểu diễn E, B
Nếu đề cho E(t)=E₀cos(ωt+φ) và sóng lan theo trục +Ox, xác định B cùng pha, vuông góc E và sao cho E×B hướng +Ox. Khi E đổi dấu, B cũng đổi dấu trong trường sóng phẳng đơn sắc, nhưng hướng truyền trung bình không đổi.
Đổi đơn vị: 1 MHz = 10⁶ Hz; 1 GHz = 10⁹ Hz; 1 nm = 10⁻⁹ m. Nếu tính c/f nhưng nhập f=100 thay vì 100×10⁶ Hz, bước sóng sai một triệu lần.
Tám dạng bài tính có lời giải từng bước
Em nên tự xác định công thức và làm trên giấy trước khi bấm mở lời giải.
λ=c/f
Sóng điện từ có tần số 200 MHz trong chân không. Bước sóng là bao nhiêu m?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị m, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: λ=c/f; λ(m)=300/f(MHz).
- Dữ kiện để thế số: f = 200.
- Kết luận: 1.5 m. Soát lại đơn vị.
f(MHz)=300/λ(m)
Sóng điện từ trong chân không có λ=4 m. Tần số là bao nhiêu MHz?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị MHz, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: f(MHz)=300/λ(m).
- Dữ kiện để thế số: lam = 4.
- Kết luận: 75 MHz. Soát lại đơn vị.
T=1/f, f(MHz) → T(ns)=1000/f
Sóng điện từ trong chân không có f=250 MHz. Chu kì T bằng bao nhiêu ns?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị ns, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: T=1/f, f(MHz) → T(ns)=1000/f.
- Dữ kiện để thế số: f = 250.
- Kết luận: 4 ns. Soát lại đơn vị.
λ=v/f, v đơn vị 10⁸ và f MHz
Một sóng điện từ truyền trong môi trường với tốc độ v=2.8×10⁸ m/s và f=140 MHz. Bước sóng là bao nhiêu m?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị m, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: λ=v/f, v đơn vị 10⁸ và f MHz.
- Dữ kiện để thế số: v = 2.8; f = 140.
- Kết luận: 2 m. Soát lại đơn vị.
E₀=cB₀, μT=10⁻⁶ T
Trong chân không, sóng điện từ phẳng có B₀=0.5 μT. Biên độ E₀ theo V/m bằng bao nhiêu? c=3×10⁸ m/s.
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị V/m, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: E₀=cB₀, μT=10⁻⁶ T.
- Dữ kiện để thế số: b = 0.5.
- Kết luận: 150 V/m. Soát lại đơn vị.
B₀=E₀/c
Trong chân không, sóng điện từ phẳng có E₀=150 V/m. B₀ theo μT bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị μT, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: B₀=E₀/c; đổi T sang μT.
- Dữ kiện để thế số: e = 150.
- Kết luận: 0.5 μT. Soát lại đơn vị.
N=ft
Tần số sóng là f=150 MHz. Số chu kì thực hiện trong t=6 μs là bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị chu kì, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: N=ft; MHz×μs triệt tiêu 10⁶.
- Dữ kiện để thế số: f = 150; t = 6.
- Kết luận: 900 chu kì. Soát lại đơn vị.
λ=λ₀/n nếu v=c/n và f không đổi
Sóng điện từ có λ₀=5 m trong chân không, môi trường chiết suất n=4. Bước sóng trong môi trường là bao nhiêu (môi trường không tán sắc)?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị m, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: λ=λ₀/n nếu v=c/n và f không đổi.
- Dữ kiện để thế số: lam = 5; n = 4.
- Kết luận: 1.25 m. Soát lại đơn vị.
Cách xử lí hiện tượng và lỗi sai thường gặp
Radio FM
Tần số khoảng 100 MHz cho bước sóng khoảng 3 m trong không khí gần chân không.
Ánh sáng và tia X
Cả hai là sóng điện từ, khác vùng tần số và năng lượng photon; cách bảo vệ khác nhau.
Ba câu hỏi tự soát trước khi nộp
- Em có mắc lỗi: Đồng nhất sóng điện từ với sóng cơ cần môi trường.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Cho E và B dao động ngược pha trong chân không.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Nhầm MHz với Hz hoặc dùng c khi môi trường có v khác.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
Tám câu mẫu tự kiểm trước khi vào Học & Thi
Các câu dưới đây chỉ để kiểm tra nhanh sau khi đọc; bộ Học & Thi đầy đủ có thêm các câu vận dụng và tự luận.
Sóng điện từ có thể truyền trong môi trường nào?
Đáp án và lời giải
C. Sóng điện từ truyền được trong chân không.
Trong sóng điện từ phẳng, E và B có quan hệ nào?
Đáp án và lời giải
B. E và B vuông góc, đồng pha.
Sóng điện từ là sóng gì?
Đáp án và lời giải
B. E,B vuông góc phương truyền nên sóng điện từ là sóng ngang.
Sóng điện từ có λ₀=2 m trong chân không, môi trường chiết suất n=1.5. Bước sóng trong môi trường là bao nhiêu (môi trường không tán sắc)? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.)
Đáp án và lời giải
B. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: λ=λ₀/n nếu v=c/n và f không đổi. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: lam = 2; n = 1.5. Bước 3 – Thế số: (2 ÷ 1.5) = 1.333 m. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Xét nhóm nhận định 5 về Điện từ trường và sóng điện từ, chú ý điều kiện mô hình và đơn vị. Chọn Đúng/Sai cho từng ý.
Đáp án và lời giải
a: Sai; b: Sai; c: Đúng; d: Đúng. a) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Trong sóng phẳng chân không, E vuông góc B và hướng truyền.
b) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Trong sóng điện từ phẳng đơn sắc chân không, E và B tại cùng điểm đồng pha.
c) Đúng — Trong sóng điện từ phẳng đơn sắc chân không, E và B tại cùng điểm đồng pha. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
d) Đúng — Trong sóng phẳng chân không, E vuông góc B và hướng truyền. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
Trong chân không, sóng điện từ phẳng có B₀=0.3 μT. Biên độ E₀ theo V/m bằng bao nhiêu? c=3×10⁸ m/s. (Làm tròn đến 2 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
90. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: E₀=cB₀, μT=10⁻⁶ T. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: b = 0.3. Bước 3 – Thế số: (300 × 0.3) = 90 V/m. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Trong chân không, sóng điện từ phẳng có B₀=0.4 μT. Biên độ E₀ theo V/m bằng bao nhiêu? c=3×10⁸ m/s. (Làm tròn đến 2 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
120. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: E₀=cB₀, μT=10⁻⁶ T. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: b = 0.4. Bước 3 – Thế số: (300 × 0.4) = 120 V/m. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Trong chân không, sóng điện từ phẳng có B₀=0.5 μT. Biên độ E₀ theo V/m bằng bao nhiêu? c=3×10⁸ m/s. (Làm tròn đến 2 chữ số thập phân nếu cần.) Trình bày rõ các bước, công thức, đổi đơn vị và kết luận.
Đáp án và lời giải
Tự luận – chấm theo các bước trình bày. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: E₀=cB₀, μT=10⁻⁶ T. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: b = 0.5. Bước 3 – Thế số: (300 × 0.5) = 150 V/m. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Sơ đồ tư duy đầy đủ 6 nhánh
Sơ đồ SVG được biên soạn theo các ý trọng tâm của bài, phóng to vẫn sắc nét, có thể mở xem riêng.
Điểm dễ nhầm và cách tránh
- Nhầm điện từ trường với một trường chỉ có E
- Quên đổi MHz sang Hz
- Cho rằng sóng điện từ cần môi trường vật chất
Ôn tập sau khi học
Ghi nhớ công thức trong điều kiện áp dụng, thử tự giải ví dụ và kiểm tra câu chưa chắc trước khi mở lời giải.