Trả lời nhanh
Hai nguồn kết hợp là hai nguồn phát sóng có độ lệch pha không đổi theo thời gian (kéo theo cùng tần số và dao động cùng phương). Vì chỉ khi hiệu pha của hai nguồn ổn định thì tại mỗi điểm trong vùng gặp nhau, hai sóng mới cho kết quả tăng cường hoặc triệt tiêu cố định, tạo ra hình ảnh giao thoa ổn định.
Điều kiện của hai nguồn kết hợp
Muốn có giao thoa sóng ổn định, hai nguồn phải thoả mãn các điều kiện sau:
- Dao động cùng phương (với sóng ngang trên mặt nước thì thường là cùng phương thẳng đứng).
- Dao động cùng tần số (cùng chu kì).
- Có hiệu số pha không đổi theo thời gian.
Biên độ hai nguồn không cần bằng nhau. Hai nguồn cũng không cần đồng pha: chỉ cần độ lệch pha giữ nguyên. Trường hợp đặc biệt hay gặp là hai nguồn đồng pha (độ lệch pha bằng 0) hoặc ngược pha (độ lệch pha bằng π).
Vì sao phải có độ lệch pha không đổi?
Gọi pha dao động của hai nguồn là φ1 = ω1t + α1 và φ2 = ω2t + α2. Hiệu pha của chúng là:
Δφ = (ω2 − ω1)t + (α2 − α1).
Để Δφ không phụ thuộc t thì bắt buộc ω1 = ω2, tức là cùng tần số. Vậy “cùng tần số” là hệ quả của “độ lệch pha không đổi”. Đây là lí do một mệnh đề nói “độ lệch pha không đổi theo thời gian” vẫn đúng dù không nhắc tới tần số.
Nếu hiệu pha thay đổi liên tục, tại một điểm M lúc thì hai sóng cùng pha (mạnh lên), lúc thì ngược pha (yếu đi). Mắt hay dụng cụ đo chỉ thấy một mức dao động trung bình, không thấy vân giao thoa cố định.
Cách đánh giá các mệnh đề hay gặp trong trắc nghiệm
Đề thường cho 4 mệnh đề bắt đầu bằng “Hai nguồn kết hợp là hai nguồn phát sóng…”. Hãy đối chiếu từng mệnh đề với bảng dưới đây:
| Mệnh đề | Đúng hay sai? | Lí do |
|---|---|---|
| có độ lệch pha không đổi theo thời gian | Đúng | Đúng định nghĩa, kéo theo cùng tần số. |
| có cùng tần số và hiệu pha không đổi | Đúng | Phát biểu đầy đủ của định nghĩa. |
| chỉ cần cùng biên độ | Sai | Biên độ không quyết định tính kết hợp. |
| chỉ cần cùng tần số | Thiếu | Cùng tần số mà pha ban đầu thay đổi bất kì thì không ổn định. |
| luôn phải đồng pha | Sai | Đồng pha chỉ là một trường hợp riêng. |
| có tần số khác nhau nhưng gần nhau | Sai | Hiệu pha biến thiên theo thời gian. |
Nếu trong đề có mệnh đề “độ lệch pha không đổi theo thời gian”, đó chính là đáp án cần chọn. Khi đề có cả mệnh đề “cùng tần số và độ lệch pha không đổi”, hãy ưu tiên mệnh đề đầy đủ hơn.
Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp
- Mẹo nhớ: “Kết hợp” = cùng nhịp, lệch đều. Hai người đi bộ cùng tốc độ thì khoảng cách giữa họ giữ nguyên; hai nguồn cùng tần số thì độ lệch pha giữ nguyên.
- Lỗi 1: nhầm “kết hợp” với “đồng pha”. Hai nguồn lệch pha π/3 mãi mãi vẫn là kết hợp.
- Lỗi 2: nghĩ phải cùng biên độ. Biên độ chỉ ảnh hưởng độ sâu của cực tiểu.
- Lỗi 3: cho rằng hai đèn dây tóc giống hệt nhau là hai nguồn sáng kết hợp. Thực tế pha mỗi nguyên tử phát ra thay đổi ngẫu nhiên nên không kết hợp; muốn có giao thoa ánh sáng, người ta tách một chùm sáng thành hai (khe Y-âng).
Ứng dụng: đếm cực đại, cực tiểu giữa hai nguồn kết hợp
Với hai nguồn A, B cách nhau AB, bước sóng λ, cùng pha:
- Cực đại: d2 − d1 = kλ, với −AB/λ < k < AB/λ.
- Cực tiểu: d2 − d1 = (k + 1/2)λ, với −AB/λ − 1/2 < k < AB/λ − 1/2.
Nếu hai nguồn ngược pha, vai trò của hai điều kiện này đổi chỗ cho nhau.
Bài luyện tập (ví dụ tự đặt)
Bài 1. Hai nguồn sóng trên mặt nước dao động với tần số 50 Hz và 60 Hz. Hai nguồn này có phải nguồn kết hợp không?
Đáp án: Không. Tần số khác nhau nên hiệu pha biến thiên theo thời gian.
Bài 2. Hai nguồn A, B cùng tần số, nguồn A luôn sớm pha hơn B một góc π/3. Có phải nguồn kết hợp không?
Đáp án: Có, vì cùng tần số và độ lệch pha π/3 không đổi.
Bài 3. Hai nguồn đồng pha A, B cách nhau 10 cm, bước sóng 2 cm. Tìm số cực đại và số cực tiểu trên đoạn AB.
Lời giải:
- Cực đại: −10/2 < k < 10/2 tức −5 < k < 5, suy ra k = −4, …, 4: có 9 cực đại.
- Cực tiểu: −5,5 < k < 4,5, suy ra k = −5, …, 4: có 10 cực tiểu.
Kiểm tra nhanh: giữa 9 cực đại liên tiếp có 8 khoảng, cộng thêm hai đầu về phía hai nguồn, ta được 10 cực tiểu, khớp với kết quả.
Câu hỏi thường gặp
Hai nguồn kết hợp có nhất thiết phải cùng biên độ không?
Không. Điều kiện chỉ gồm cùng phương, cùng tần số và hiệu pha không đổi theo thời gian. Biên độ khác nhau chỉ làm cực tiểu không triệt tiêu hoàn toàn.
Hai nguồn kết hợp có phải luôn đồng pha không?
Không. Đồng pha hoặc ngược pha chỉ là những trường hợp riêng; miễn độ lệch pha không đổi theo thời gian thì hai nguồn vẫn là kết hợp.
Vì sao hai nguồn kết hợp thì cùng tần số?
Hiệu pha hai nguồn bằng (ω2 − ω1)t cộng một hằng số. Để hiệu pha không đổi theo t thì ω2 phải bằng ω1, tức hai nguồn cùng tần số.
Hai bóng đèn giống nhau có cho giao thoa ánh sáng được không?
Không, vì pha của ánh sáng do các nguyên tử phát ra thay đổi ngẫu nhiên, hai đèn không phải nguồn kết hợp. Muốn có giao thoa, phải tách một chùm sáng thành hai chùm kết hợp.