Trả lời nhanh
Câu “luôn ngược pha” chỉ đúng khi sóng phản xạ ở vật cản cố định (đầu dây cố định): sóng phản xạ ngược pha với sóng tới, nên đầu cố định là một nút sóng. Nếu vật cản tự do, sóng phản xạ cùng pha với sóng tới và đầu tự do là một bụng sóng. Vì vậy từ “luôn” khiến phát biểu trở thành sai khi không nêu điều kiện về vật cản.
Hiểu bài toán qua hình vẽ
Em hãy tưởng tượng một xung sóng truyền trên sợi dây đến đầu dây rồi phản xạ trở lại. Có hai tình huống: đầu dây bị giữ chặt (cố định) và đầu dây tự do cử động được.
Phản xạ ở đầu cố định: sóng ngược pha
Đầu dây cố định không thể dao động. Khi xung đi lên chạm đầu cố định, dây tác dụng lên vật cản một lực, vật cản tác dụng lại một phản lực làm xung quay lại ngược hướng, nghĩa là bị “lật” xuống. Tại điểm phản xạ, li độ của sóng tới và sóng phản xạ luôn trái dấu, cộng lại bằng 0, vì vậy điểm đó đứng yên và là nút.
Phản xạ ở đầu tự do: sóng cùng pha
Đầu dây tự do (ví dụ buộc vào một vòng nhẹ trượt không ma sát trên thanh) dao động được. Xung phản xạ vẫn giữ nguyên chiều lên hay xuống như xung tới. Tại điểm phản xạ, li độ hai sóng cùng dấu, cộng lại gấp đôi, nên đó là bụng với biên độ lớn nhất.
| Tiêu chí | Đầu cố định | Đầu tự do |
|---|---|---|
| Pha sóng phản xạ so với sóng tới | Ngược pha (lệch π) | Cùng pha |
| Điểm phản xạ trên sóng dừng | Nút | Bụng |
| Biên độ dao động tại đầu | Bằng 0 | Cực đại (2A) |
Liên hệ với điều kiện có sóng dừng
Sóng dừng là kết quả giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ. Hai trường hợp cho hai điều kiện chiều dài dây l:
- Hai đầu cố định: l = k·λ/2 (k = 1, 2, 3…), số bụng bằng k, số nút bằng k + 1.
- Một đầu cố định, một đầu tự do: l = (2k + 1)·λ/4 (k = 0, 1, 2…), số bụng bằng số nút bằng k + 1.
Em nhớ nhanh: đầu cố định luôn là nút, đầu tự do luôn là bụng; khoảng cách giữa hai nút hoặc hai bụng liên tiếp bằng λ/2, giữa nút và bụng liền kề bằng λ/4.
Phân tích phát biểu “luôn ngược pha”
- Nếu đề ghi: “Tại điểm phản xạ, sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới” mà không nêu vật cản, phát biểu sai.
- Nếu đề ghi: “…khi phản xạ trên vật cản cố định thì sóng phản xạ ngược pha với sóng tới”, phát biểu đúng.
- Nếu đề ghi: “…khi phản xạ trên vật cản tự do thì sóng phản xạ cùng pha với sóng tới”, phát biểu đúng.
Lỗi sai thường gặp
- Nhớ “phản xạ thì đảo pha” cho mọi trường hợp. Thực tế chỉ đảo pha ở đầu cố định.
- Nhầm đầu cố định là bụng vì thấy dây bị giữ chặt mà không chú ý rằng điểm bị giữ chặt không dao động.
- Đếm nhầm số bụng, số nút trong trường hợp một đầu tự do.
Luyện tập
- Sợi dây dài 1,2 m, hai đầu cố định, có sóng dừng với 4 bụng, tốc độ truyền sóng 24 m/s. Tính tần số. Đáp án: l = 4·λ/2 nên λ = 0,6 m; f = v/λ = 24/0,6 = 40 Hz.
- Dây dài 0,9 m, một đầu cố định, một đầu tự do, bước sóng 1,2 m. Có bao nhiêu bụng? Đáp án: 0,9 = (2k + 1)·1,2/4 nên 2k + 1 = 3, k = 1, vậy có 2 bụng (và 2 nút, tính cả nút ở đầu cố định).
- Tại đầu tự do, biên độ dao động bằng bao nhiêu so với biên độ sóng tới A? Đáp án: 2A, vì hai sóng cùng pha cộng lại.
Câu hỏi thường gặp
Khi nào sóng phản xạ ngược pha với sóng tới?
Khi sóng phản xạ trên vật cản cố định (đầu dây cố định). Khi đó điểm phản xạ là nút sóng.
Khi nào sóng phản xạ cùng pha với sóng tới?
Khi vật cản tự do (đầu dây tự do). Khi đó điểm phản xạ là bụng sóng và có biên độ gấp đôi biên độ sóng tới.
Điều kiện để có sóng dừng trên dây hai đầu cố định là gì?
Chiều dài dây bằng một số nguyên lần nửa bước sóng: l = k·λ/2 với k = 1, 2, 3...