Sóng ngang, sóng dọc và sự truyền năng lượng

Vật lí 11 · Chương 2: Sóng · Chủ đề 8

Phân biệt sóng ngang, sóng dọc và sự truyền năng lượng. Học công thức cường độ sóng qua hình minh họa, ví dụ và câu hỏi có lời giải.

Mục tiêu và kiến thức nền

Lắc đầu một sợi dây theo phương thẳng đứng rồi đẩy–kéo một lò xo dọc trục: hai nhiễu động đều lan đi nhưng các phần tử chuyển động theo hai cách khác nhau. Học xong bài này, em phân loại được sóng, mô tả truyền năng lượng và tính cường độ trong các mô hình đơn giản.

Hiểu khái niệm: sóng ngang và sóng dọc

Sóng ngang có phương dao động vuông góc phương truyền. Ví dụ rõ nhất là sóng trên dây căng. Sóng dọc có phương dao động trùng phương truyền; lò xo nén–dãn và âm trong không khí là ví dụ. Tên gọi không phụ thuộc sợi dây đang nằm ngang hay thẳng đứng.

Sóng cơ ngang truyền được trong môi trường có khả năng chống biến dạng trượt như chất rắn; sóng mặt chất lỏng thường được dùng làm mô hình gần đúng trong bài học. Chuyển động thực của phần tử nước có thể phức tạp hơn dao động thẳng đứng. Sóng dọc truyền được trong rắn, lỏng, khí. Sóng cơ không truyền qua chân không. Trong chất rắn, sóng đàn hồi có thể có cả dạng dọc và ngang.

Sóng mang năng lượng như thế nào?

Một phần tử đang dao động tác dụng lực lên phần tử lân cận, làm phần tử ấy dao động. Năng lượng được truyền dần. Một phao nhấp nhô khi sóng nước tới là dấu hiệu nhận năng lượng. Trong mô hình sóng lí tưởng không có dòng chảy, phao không trôi cùng vận tốc truyền sóng.

Nếu giữ tần số và các điều kiện môi trường như nhau, năng lượng dao động và cường độ thường tỉ lệ với A². Tăng biên độ gấp đôi làm cường độ gấp bốn, không phải gấp đôi. Điều này không có nghĩa ta luôn cảm thấy âm to gấp bốn.

Công thức và điều kiện áp dụng

I = ${\displaystyle \frac{E}{S\Delta t}}$ = ${\displaystyle \frac{P}{S}}$. E là năng lượng qua diện tích S vuông góc hướng truyền trong Δt; P là công suất qua diện tích đó. Đơn vị: E (J), Δt (s), P (W), S (m²), I (W/m²). Công thức ${\displaystyle \frac{P}{S}}$ cho cường độ trung bình khi phân bố trên S.

Với nguồn điểm phát đều mọi hướng trong môi trường đồng nhất, không hấp thụ hay phản xạ: I = ${\displaystyle \frac{P}{4\pi r^2}}$. Khi P không đổi, ${\displaystyle \frac{I_1}{I_2}}$ = ${\displaystyle \frac{{r_2}^2}{{r_1}^2}}$. Không áp công thức sóng cầu cho một chùm sóng được hội tụ hay ống dẫn âm.

Mô hình sóng âm

Màng loa dao động tạo những vùng không khí nén và dãn. Các vùng đó lan đi, làm màng nhĩ dao động. Tần số quyết định độ cao của âm đơn: f lớn hơn, âm cao hơn. Cường độ, tần số và đặc điểm tai cùng ảnh hưởng cảm nhận độ to. Âm sắc liên quan dạng tín hiệu và các thành phần tần số.

Trong mô hình phổ thông, âm nghe được có dải xấp xỉ 20 Hz–20 kHz; có tài liệu dùng mốc dưới 16 Hz. Giới hạn thực thay đổi giữa người và theo tuổi. Hạ âm ở dưới ngưỡng thấp, siêu âm trên 20 kHz. Trong bài tính, dùng đúng giới hạn đề cho.

Phần mở rộng: mức cường độ âm L = 10log₁₀(${\displaystyle \frac{I}{I_0}}$) tính bằng dB, với I₀ thường lấy 10⁻¹² W/m². Đây là đại lượng logarit; tăng I mười lần làm L tăng 10 dB. Không đồng nhất L với I hoặc với độ to cảm nhận.

Ví dụ có lời giải

1. Công suất qua mặt sóng

Trong 4 s có 0,12 J truyền qua S = 0,020 m². P = ${\displaystyle \frac{E}{\Delta t}}$ = 0,030 W; I = ${\displaystyle \frac{P}{S}}$ = 1,5 W/m². Diện tích phải vuông góc hướng truyền.

2. Lùi xa nguồn âm

Tại 2 m, I₁ = 8 × 10⁻⁴ W/m². Ở 6 m, I₂ = I₁(${\displaystyle \frac{2}{6}}$)² = 8,89 × 10⁻⁵ W/m². Cường độ còn ${\displaystyle \frac{1}{9}}$ vì khoảng cách tăng ba lần.

3. Âm cao hơn có truyền nhanh hơn?

Hai âm 500 Hz và 1000 Hz truyền trong cùng không khí, coi v = 340 m/s không đổi. λ₁ = 0,68 m; λ₂ = 0,34 m. Âm thứ hai cao hơn, bước sóng ngắn hơn; trong mô hình này tốc độ không đổi.

Lỗi thường gặp

• Gọi mọi sóng trên sợi dây nằm ngang là sóng ngang.
• Cho rằng không khí đi từ loa đến tai theo cả quãng đường truyền âm.
• Dùng I tỉ lệ ${\displaystyle \frac{1}{r}}$ thay vì ${\displaystyle \frac{1}{r^2}}$ cho nguồn cầu.
• Khẳng định âm cao luôn to hoặc luôn truyền nhanh hơn.

Tự kiểm tra