Sóng dừng là gì? Định nghĩa, điều kiện và cách chọn đáp án đúng

1. Sóng dừng hình thành như thế nào?

Em hãy tưởng tượng một sợi dây được buộc chặt một đầu vào tường. Người cầm đầu kia rung nhẹ để tạo sóng chạy dọc dây. Khi sóng đến chỗ buộc, nó bị phản xạ trở lại. Sóng tới và sóng phản xạ cùng tần số, cùng biên độ, truyền ngược chiều nhau nên chúng giao thoa.

Kết quả là trên dây xuất hiện những điểm không dao động (nút) xen kẽ với những điểm dao động mạnh nhất (bụng). Hình ảnh sóng không "chạy" dọc dây nữa mà chỉ có các phần tử dây dao động tại chỗ, nên ta gọi là sóng dừng.

2. Đặc điểm cần nhớ

• Khoảng cách giữa hai nút liên tiếp, hoặc hai bụng liên tiếp, là λ/2.
• Khoảng cách giữa một nút và một bụng liền kề là λ/4.
• Các phần tử trong cùng một bó sóng dao động cùng pha; hai bó sóng liền kề dao động ngược pha.
• Năng lượng không truyền đi qua các nút.

3. Điều kiện để có sóng dừng trên dây

Gọi l là chiều dài sợi dây, λ là bước sóng, k là số nguyên dương.

Trường hợp	Điều kiện	Số bụng
Hai đầu cố định (hai đầu là nút)	l = k·λ/2	k
Một đầu cố định, một đầu tự do	l = (2k + 1)·λ/4	k + 1 (với k bắt đầu từ 0)

Đầu cố định luôn là nút vì dây ở đó không thể dao động. Đầu tự do là bụng vì dây dao động mạnh nhất ở đó.

4. Loại trừ các phương án sai thường gặp

• "Sóng không lan truyền được nữa do bị vật cản chặn lại": đây là cách nói mô tả hiện tượng, không nêu được bản chất. Sóng bị chặn vẫn phản xạ lại, và chính sự chồng chập mới tạo ra sóng dừng.
• "Sóng được tạo thành giữa hai điểm cố định": thiếu điều kiện giao thoa, nên chưa đủ.
• "Sóng trên sợi dây có hai đầu cố định": chỉ là một trường hợp của sóng dừng, không phải mọi sóng dừng.

Phương án đúng luôn có hai ý: sóng tới + sóng phản xạ và cùng phương truyền (giao thoa).

5. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1. Dây dài 90 cm, hai đầu cố định, có 3 bụng sóng. Tính bước sóng.

Giải: l = k·λ/2 với k = 3 nên λ = 2l/k = 2·90/3 = 60 cm.

Ví dụ 2. Trên dây dài 1,2 m có sóng dừng, hai đầu là nút, tần số 50 Hz, có 4 bó sóng. Tính tốc độ truyền sóng.

Giải: λ = 2l/k = 2·1,2/4 = 0,6 m. Tốc độ v = λ·f = 0,6·50 = 30 m/s.

6. Lỗi sai thường gặp

• Nhầm khoảng cách hai nút liên tiếp là λ thay vì λ/2.
• Dùng công thức hai đầu cố định cho trường hợp một đầu tự do.
• Đếm số nút mà quên rằng số bụng bằng số bó sóng, còn số nút bằng số bụng cộng 1 (khi hai đầu cố định).

7. Tự luyện

Câu 1. Hai nút liền kề cách nhau 15 cm. Bước sóng bằng bao nhiêu?

Đáp án: λ/2 = 15 cm nên λ = 30 cm.

Câu 2. Dây một đầu cố định, một đầu tự do dài 45 cm, bước sóng 60 cm. Có sóng dừng không?

Đáp án: Điều kiện l = (2k + 1)λ/4 = (2k + 1)·15 cm. Với k = 1: 45 cm. Vậy có sóng dừng, với k = 1.

Câu hỏi thường gặp

Sóng dừng là gì?

Sóng dừng là sóng có các nút và bụng cố định trong không gian, tạo ra do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ truyền theo cùng một phương.

Khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp bằng bao nhiêu?

Bằng nửa bước sóng, tức λ/2. Khoảng cách giữa một nút và một bụng liền kề là λ/4.

Điều kiện có sóng dừng trên dây hai đầu cố định là gì?

Chiều dài dây phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng: l = kλ/2, với k là số nguyên dương.

Đầu tự do của dây là nút hay bụng?

Là bụng sóng, vì đầu tự do dao động với biên độ cực đại. Còn đầu cố định là nút sóng.

Bài học liên quan

• Giao thoa sóng trên mặt nước: khoảng cách hai cực đại liên tiếp
• Thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước với hai nguồn kết hợp cùng pha
• Tại điểm phản xạ thì sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới: đúng hay sai?
• Sóng điện từ khi truyền từ không khí vào nước thì tốc độ, bước sóng thế nào?