Trả lời nhanh
Sóng dọc là sóng có phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng, truyền được trong chất rắn, lỏng và khí. Sóng ngang có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng. Cả hai loại sóng cơ đều chỉ truyền năng lượng và trạng thái dao động, các phần tử môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng chứ không bị sóng cuốn đi.
Bài 9 là bước tiếp nối của bài “Mô tả sóng” (xem lại lý thuyết Bài 8 nếu cần: Lý thuyết Bài 8: Mô tả sóng). Nếu bài trước dạy em các đại lượng như biên độ, chu kì, bước sóng thì bài này trả lời câu hỏi: các phần tử dao động theo hướng nào so với hướng sóng chạy, và năng lượng đi đâu khi sóng lan truyền?
1. Sóng ngang
Định nghĩa: sóng ngang là sóng mà các phần tử của môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng.
- Ví dụ: sóng truyền trên sợi dây đàn hồi căng ngang khi ta giật nhẹ một đầu lên xuống; sóng trên mặt nước khi nút chai nhấp nhô lên xuống còn sóng chạy ra xa theo phương ngang.
- Môi trường truyền: sóng ngang truyền được trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng. Nó không truyền được bên trong chất khí và bên trong chất lỏng, vì ở đó không có lực đàn hồi giữa các lớp theo phương “trượt”.
- Bước sóng: là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (hoặc hai đáy sóng) liên tiếp.
2. Sóng dọc
Định nghĩa: sóng dọc là sóng mà các phần tử của môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng.
- Ví dụ: sóng truyền trên lò xo khi ta đẩy – kéo một đầu dọc theo trục lò xo; sóng âm trong không khí.
- Hình dạng: trên lò xo xuất hiện xen kẽ các vùng nén (vòng lò xo sít lại) và vùng giãn (vòng lò xo thưa ra). Các vùng này chạy dọc theo lò xo.
- Môi trường truyền: chất rắn, chất lỏng và chất khí. Đây là lý do âm thanh nghe được cả trong không khí lẫn dưới nước.
- Bước sóng: là khoảng cách giữa hai tâm vùng nén (hoặc hai tâm vùng giãn) liên tiếp.
3. Bảng so sánh sóng ngang và sóng dọc
| Tiêu chí | Sóng ngang | Sóng dọc |
|---|---|---|
| Phương dao động so với phương truyền | Vuông góc | Trùng nhau |
| Hình ảnh đặc trưng | Đỉnh sóng, đáy sóng | Vùng nén, vùng giãn |
| Môi trường truyền | Rắn; mặt thoáng chất lỏng | Rắn, lỏng, khí |
| Ví dụ | Sóng trên dây căng, sóng trên mặt nước | Sóng trên lò xo, sóng âm trong không khí |
| Truyền được trong chân không? | Không (mọi sóng cơ đều cần môi trường vật chất) | |
Mẹo nhớ: “ngang” thì dao động chéo góc với đường đi (vuông góc), “dọc” thì dao động cùng đường với đường đi. Muốn nhận ra loại sóng, hãy tự hỏi: một phần tử đánh dấu trong môi trường đang chuyển động theo hướng nào so với hướng sóng chạy?
4. Sự truyền năng lượng của sóng cơ
Thả một nút chai lên mặt hồ rồi tạo sóng ở đầu bên kia. Khi sóng tới, nút chai nhấp nhô lên xuống nhưng gần như không trôi theo sóng. Từ quan sát này ta rút ra các ý chính:
- Sóng lan đến đâu, các phần tử môi trường ở đó bắt đầu dao động. Năng lượng dao động của chúng là năng lượng do sóng mang từ nguồn đến.
- Mỗi phần tử chỉ dao động tại chỗ quanh vị trí cân bằng. Vậy sóng mang năng lượng đi xa nhưng không mang theo các phần tử vật chất.
- Với sóng dọc trên lò xo, năng lượng được truyền đi nhờ sự nén – giãn liên tiếp của các vòng lò xo. Sóng âm và các sóng cơ khác truyền năng lượng theo cách tương tự.
- Nguồn dao động càng mạnh (biên độ lớn) thì sóng mang càng nhiều năng lượng. Khi sóng lan ra xa, năng lượng bị phân tán và một phần chuyển thành nhiệt do ma sát trong môi trường nên dao động xa nguồn yếu dần.
Hai đại lượng liên hệ với nhau qua công thức quen thuộc ở Bài 8: v = λf = λ/T, trong đó f = 1/T. Trong đúng một chu kì T, sóng lan được đúng một bước sóng λ. Cần phân biệt rõ tốc độ truyền sóng v (phụ thuộc môi trường) với tốc độ dao động của phần tử (thay đổi theo thời gian, phụ thuộc biên độ và tần số).
5. Dùng mô hình sóng để giải thích tính chất của âm
Âm thanh là sóng dọc trong không khí. Ta có thể “dịch” mô hình lò xo sang không khí như sau:
- Nguồn âm dao động (dây đàn, màng loa…) làm các lớp không khí kề nó dao động dọc theo phương truyền âm. Các lớp dao động lệch pha nhau nên tạo thành những lớp không khí nén và giãn xen kẽ, giống các vòng lò xo sít – thưa.
- Các vùng nén – giãn này lan ra mọi hướng, ta thường chỉ xét một hướng Ox.
- Khi sóng âm tới tai, màng nhĩ bị buộc dao động theo, não nhận tín hiệu và ta nghe được âm.
- Biên độ sóng âm càng lớn thì màng nhĩ dao động càng mạnh, âm nghe càng to.
- Tần số sóng âm càng lớn thì màng nhĩ dao động càng nhanh, âm nghe càng cao (thanh); tần số nhỏ thì âm trầm.
Thêm kiến thức hay gặp trong trắc nghiệm: âm nghe được có tần số khoảng từ 16 Hz đến 20 000 Hz; hạ âm có tần số dưới 16 Hz; siêu âm có tần số trên 20 000 Hz. Tốc độ truyền âm phụ thuộc tính chất của môi trường (tính đàn hồi, khối lượng riêng, nhiệt độ), thường lớn nhất trong chất rắn rồi đến chất lỏng, nhỏ nhất trong chất khí; nó không phụ thuộc vào việc không gian rộng hay hẹp.
6. Một ví dụ thực tế: sóng địa chấn
Khi động đất xảy ra, có hai loại sóng khối đi trong lòng Trái Đất: sóng P là sóng dọc, sóng S là sóng ngang. Sóng P đi qua được cả phần lỏng, còn sóng S không truyền qua được lớp chất lỏng. Nhờ đó các nhà khoa học suy ra có một lớp lõi ngoài ở thể lỏng. Ví dụ này khớp hoàn toàn với bảng so sánh ở trên.
7. Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng sóng ngang truyền được trong không khí. Sai: trong khí chỉ có sóng dọc.
- Nghĩ rằng phần tử môi trường “chạy theo sóng”. Thực tế chúng chỉ dao động tại chỗ.
- Nhầm bước sóng ở sóng dọc với “độ dài một vùng nén”. Bước sóng là khoảng cách giữa hai tâm vùng nén liên tiếp.
- Quên đổi đơn vị: 34 cm phải đổi thành 0,34 m trước khi áp dụng v = λf với v tính bằng m/s; chu kì tính bằng ms phải đổi ra s.
- Nhầm “âm to” với “âm cao”: to liên quan biên độ, cao liên quan tần số.
8. Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Một sóng âm trong không khí có tốc độ 340 m/s và tần số 425 Hz. Tính bước sóng.
Giải: λ = v/f = 340/425 = 0,8 m.
Bài 2. Một nút chai trên mặt hồ thực hiện 10 lần nhấp nhô (10 dao động toàn phần) trong 20 s. Hai đỉnh sóng liên tiếp cách nhau 1,5 m. Tính tốc độ truyền sóng.
Giải: T = 20/10 = 2 s ⇒ f = 0,5 Hz. Bước sóng λ = 1,5 m nên v = λf = 1,5 × 0,5 = 0,75 m/s.
Bài 3. Xác định loại sóng: (a) sóng âm trong không khí; (b) sóng trên sợi dây đàn hồi khi giật ngang một đầu; (c) sóng khi đẩy – kéo đầu lò xo dọc theo trục lò xo.
Đáp án: (a) sóng dọc; (b) sóng ngang; (c) sóng dọc.
Bài 4. Một âm có chu kì 2,5 ms. Tính tần số và cho biết tai người có nghe được không.
Giải: f = 1/T = 1/(2,5.10-3) = 400 Hz, nằm trong khoảng 16 Hz – 20 000 Hz nên tai người nghe được (âm khá trầm).
Học tiếp và luyện đề
Sau khi nắm lý thuyết, em làm bài tập trong sách tại Giải SGK Vật lí 11 Bài 9, rồi luyện thêm với 20 câu trắc nghiệm Bài 9 và Giải SBT Bài 9. Bài kế tiếp là Bài 10: Thực hành đo tần số của sóng âm và Bài 11: Sóng điện từ.
Tóm tắt cần nhớ
- Sóng ngang: dao động vuông góc phương truyền; sóng dọc: dao động trùng phương truyền.
- Sóng dọc truyền được trong rắn, lỏng, khí; sóng ngang chỉ truyền trong rắn và trên mặt chất lỏng; sóng cơ không truyền trong chân không.
- Sóng truyền năng lượng, không truyền vật chất; phần tử chỉ dao động quanh vị trí cân bằng.
- Âm to hay nhỏ do biên độ, cao hay trầm do tần số.
Cùng chuyên đề: Bài nằm trong mục lục Lý thuyết Vật lí 11 Kết nối tri thức: kiến thức trọng tâm cả năm.
Câu hỏi thường gặp
Sóng dọc là gì? Cho ví dụ.
Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng. Ví dụ: sóng nén – giãn trên lò xo và sóng âm trong không khí.
Sóng ngang và sóng dọc khác nhau ở điểm nào?
Khác ở phương dao động của phần tử so với phương truyền: sóng ngang dao động vuông góc, sóng dọc dao động trùng phương truyền. Ngoài ra sóng dọc truyền được trong rắn, lỏng, khí còn sóng ngang chỉ truyền trong rắn và trên mặt chất lỏng.
Sóng có mang các phần tử vật chất đi theo không?
Không. Các phần tử chỉ dao động quanh vị trí cân bằng; sóng chỉ truyền năng lượng và trạng thái dao động từ nguồn ra xa.
Sóng cơ có truyền được trong chân không không?
Không. Sóng cơ cần môi trường vật chất đàn hồi như chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí để lan truyền.