Trả lời nhanh
Có. Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền sóng (tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ…). Nó không phụ thuộc vào tần số hay biên độ của nguồn phát. Vì vậy cùng một sóng âm, khi đi từ không khí vào nước thì tốc độ tăng mạnh, còn tần số vẫn giữ nguyên.
Vì sao tốc độ sóng do môi trường quyết định?
Sóng cơ lan truyền được là nhờ các phần tử môi trường tác dụng lực lên nhau, kéo nhau dao động. Phần tử này dao động rồi “báo” cho phần tử bên cạnh. Tín hiệu đi nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào việc các phần tử liên kết với nhau chặt hay lỏng và “nặng” hay “nhẹ”.
Hai đại lượng quyết định chính là:
- Tính đàn hồi của môi trường: liên kết càng chặt, lực kéo về càng lớn thì sóng truyền càng nhanh.
- Mật độ (khối lượng riêng): phần tử càng “nặng”, càng khó bị kéo dao động thì sóng truyền càng chậm.
Nguồn sóng chỉ quyết định tần số (số lần dao động mỗi giây). Nguồn không “đẩy” sóng đi nhanh hơn bằng cách dao động mạnh hơn hay nhanh hơn.
Tốc độ truyền âm trong các môi trường
Các giá trị dưới đây là số liệu gần đúng để so sánh (ở nhiệt độ phòng):
| Môi trường | Tốc độ truyền âm gần đúng |
|---|---|
| Không khí | khoảng 340 m/s |
| Nước | khoảng 1500 m/s |
| Thép | khoảng 5000–6000 m/s |
Quy luật chung: vrắn > vlỏng > vkhí. Chất rắn có liên kết giữa các phân tử chặt nhất nên truyền sóng nhanh nhất. Trong chân không không có phần tử vật chất nên sóng cơ không truyền được.
Mối liên hệ v = λf khi sóng đổi môi trường
Công thức liên hệ: v = λ·f = λ/T.
Khi sóng đi từ môi trường này sang môi trường khác:
- Tần số f không đổi (do nguồn quyết định).
- Tốc độ v thay đổi (do môi trường quyết định).
- Bước sóng λ = v/f thay đổi theo v.
Ví dụ tự đặt: âm có f = 440 Hz. Trong không khí (v ≈ 340 m/s): λ = 340/440 ≈ 0,77 m. Trong nước (v ≈ 1500 m/s): λ = 1500/440 ≈ 3,41 m. Tần số giữ nguyên nên âm nghe vẫn “cùng nốt”, nhưng bước sóng dài hơn khoảng 4,4 lần.
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ sóng
- Nhiệt độ: không khí càng nóng, âm truyền càng nhanh một chút.
- Sóng trên dây: v = √(T/μ), với T là lực căng dây, μ là khối lượng trên một đơn vị chiều dài. Dây căng hơn thì sóng nhanh hơn; dây nặng hơn thì sóng chậm hơn.
- Sóng ánh sáng: trong chân không có tốc độ c, trong môi trường trong suốt có chiết suất n thì v = c/n, nhỏ hơn c. Đây cũng là một biểu hiện “tốc độ phụ thuộc môi trường”.
Lỗi sai thường gặp
- Nghĩ rằng tăng tần số nguồn thì sóng truyền nhanh hơn. Thực tế tăng f chỉ làm λ giảm (v không đổi trong cùng môi trường).
- Nghĩ rằng tăng biên độ làm sóng “chạy” nhanh hơn. Biên độ chỉ liên quan đến năng lượng sóng.
- Nhầm tốc độ truyền sóng với tốc độ dao động của phần tử. Phần tử chỉ dao động quanh vị trí cân bằng, còn tốc độ sóng là tốc độ lan truyền của pha dao động.
- Cho rằng khi sang môi trường mới thì tần số đổi. Tần số luôn do nguồn quyết định.
Mẹo nhớ: “Nguồn lo tần số, môi trường lo tốc độ, bước sóng là kết quả của hai bên: λ = v/f”.
Bài tập luyện tập
Bài 1. Một sóng âm tần số 200 Hz truyền từ không khí (v = 340 m/s) vào nước (v = 1500 m/s). Tính bước sóng trong mỗi môi trường.
Đáp án: trong không khí λ = 340/200 = 1,7 m; trong nước λ = 1500/200 = 7,5 m. Tần số vẫn là 200 Hz.
Bài 2. Dây đàn có lực căng T = 100 N, khối lượng trên mỗi mét dài μ = 0,01 kg/m. Tính tốc độ truyền sóng. Nếu tăng lực căng lên 4 lần thì tốc độ thay đổi thế nào?
Đáp án: v = √(100/0,01) = 100 m/s. Khi T tăng 4 lần, v tăng √4 = 2 lần, tức 200 m/s.
Bài 3. Đúng hay sai: “Nguồn dao động với tần số lớn hơn thì sóng truyền trong cùng một môi trường sẽ nhanh hơn.”
Đáp án: Sai. Trong cùng môi trường, v không đổi; tần số lớn hơn chỉ làm bước sóng nhỏ đi.
Câu hỏi thường gặp
Tốc độ truyền sóng có phụ thuộc vào tần số của nguồn không?
Không. Trong một môi trường xác định, tốc độ truyền sóng là không đổi. Tần số của nguồn chỉ quyết định bước sóng theo công thức λ = v/f.
Sóng truyền nhanh nhất trong môi trường nào: rắn, lỏng hay khí?
Nhìn chung sóng cơ truyền nhanh nhất trong chất rắn, chậm hơn trong chất lỏng và chậm nhất trong chất khí, vì liên kết giữa các phần tử ở chất rắn chặt nhất.
Khi sóng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác thì đại lượng nào không đổi?
Tần số (và chu kì) của sóng không đổi vì do nguồn quyết định. Tốc độ và bước sóng thay đổi theo môi trường.
Sóng cơ có truyền được trong chân không không?
Không. Sóng cơ cần môi trường vật chất đàn hồi để truyền dao động. Trong chân không chỉ có sóng điện từ (như ánh sáng) truyền được.