Bài 6: Các đặc trưng vật lí của sóng

Để thực hiện những mô phỏng, dự báo chính xác nhất về sóng thần, ta cần có những kiến thức vật lí liên quan đến hiện tượng sóng như: chu kì, tần số, tốc độ truyền sóng, năng lượng, cường độ sóng.

a) Sóng trên sợi dây là sóng ngang.

b) Khi có sóng truyền qua, các điểm trên dây dao động lên xuống quanh một vị trí cân bằng xác định. Xuất hiện những điểm dao động cực đại, gọi là đỉnh sóng.

a) Tại thời điểm \(\mathrm{t}<\mathrm{T}\) thì không có điểm nào dao động cùng trạng thái
Tại thời điểm \(\mathrm{t}=\mathrm{T}\) thì \(\mathrm{O}\) và \(\mathrm{D}\) có cùng trạng thái dao động
Tại thời điểm \(t=\frac{5 T}{4}\), ngoài \(\mathrm{O}\) và \(\mathrm{D}\) thì có có thêm cặp \(\mathrm{A}\) và \(\mathrm{E}\) cùng trạng thái dao động
Tại thời điểm \(t=\frac{6 T}{4}\), có thêm cặp \(\mathrm{B}\) và \(\mathrm{G}\).
Tại thời điểm \(t=\frac{7 T}{4}\), có thêm cặp \(\mathrm{C}\) và \(\mathrm{H}\).
Tại thời điểm \(t=2 T\), có thêm cặp \(D\) và \(K\).
Tóm lại những điểm cách nhau một khoảng bằng 1 bước sóng thì dao động cùng pha.
b) Trạng thái dao động của điểm D với trạng thái dao động của nguồn \(\mathrm{O}\) khi \(\mathrm{t} \geq \mathrm{T}\) luôn luôn cùng pha.

- Tốc độ truyền sóng trong môi trường nhanh hay chậm không phụ thuộc tốc độ dao động tại chỗ của các phần tử môi trường.
- Tốc độ truyền sóng trong môi trường xác định thường là hằng số: \(v=\frac{\lambda}{T}=\lambda f\)
Tốc độ dao động của phần tử môi trường là đại lượng biến thiên điều hoà theo thời gian: \(v=\omega A \cos \left(\omega t+\varphi_0+\frac{\pi}{2}\right)\)

- Tốc độ truyền sóng trong các môi trường tăng dần từ không khí, lỏng, rắn.

- Giải thích: sóng là sự lan truyền dao động trong không gian, môi trường có nhiều phần tử vật chất hơn, khoảng cách giữa các phần tử gần nhau hơn thì sẽ lan truyền dao động nhanh hơn. Môi trường không khí có các phần tử cách xa nhau hơn so với môi trường chất lỏng, môi trường chất lỏng có các phân tử cách nhau xa hơn so với các phân tử trong môi trường chất rắn.

Phao câu cá nhô lên 6 lần tương ứng với 5 chu kì.
Chu kì \(T=\frac{\Delta t}{N}=\frac{4}{5}=0,8 \mathrm{~s}\)
Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp tương ứng với 1 bước sóng:
\(\lambda=v . T=0,5 . 0,8=0,4 m\)

Công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời:

\(\mathrm{P}=I . S=I .4 \pi r^2=1,37.10^3 .4 \pi .\left(1,5 . 10^{11}\right)^2=3,87.10^{26} \mathrm{~W} \)

Phương trình (6.6): \(u=A \cos \left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x\right)\)
Gọi \(\mathrm{M}\) và \(\mathrm{N}\) là hai điểm gần nhau nhất cách nguồn sóng khoảng cách lần lượt là \(\mathrm{x}_{\mathrm{M}}\) và \(\mathrm{x}_{\mathrm{N}}\).
- Trường hợp \(\mathrm{M}\) và \(\mathrm{N}\) dao động cùng pha:
\(\left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x_M\right)-\left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x_N\right)=2 k \pi \Rightarrow \frac{2 \pi}{\lambda}\left(x_N-x_M\right)=2 k \pi \Rightarrow x_N-x_M=k \lambda\)
Tức là khoảng cách giữa hai điểm gần nhất dao động cùng pha bằng một số nguyên lần bước sóng.
- Trường hợp \(\mathrm{M}\) và \(\mathrm{N}\) dao động ngược pha:
\(\begin{aligned}& \left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x_M\right)-\left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x_N\right)=(2 k+1) \pi \\& \Rightarrow \frac{2 \pi}{\lambda}\left(x_N-x_M\right)=(2 k+1) \pi \Rightarrow x_N-x_M=(2 k+1) \frac{\lambda}{2}=(k+0,5) \lambda\end{aligned}\)
Tức là khoảng cách giữa hai điểm gần nhất dao động ngược pha bằng một số bán nguyên lần bước sóng.

Ở thời điểm \(t=\frac{7 T}{4}\) thì điểm \(\mathrm{A}\) đang ở VTCB, điểm \(\mathrm{B}\) đang ở biên dương. Nghĩa là sau khoảng thời gian ngắn nhất \(\Delta t=\frac{T}{4}\) thì hai điểm có trạng thái giống nhau, nên hai điểm \(\mathrm{A}\) và \(\mathrm{B}\) dao động lệch pha nhau góc \(\Delta \varphi=\frac{2 \pi}{T} \cdot \frac{T}{4}=\frac{\pi}{2}\).

Ở đồ thị a có đường nằm ngang sau vị trí có toạ độ \(x_1\) là vì tại sau điểm đó chưa có sóng truyền tới.

Ở đồ thị b có đường nằm ngang trước thời điểm \(t_1\) là vì thời điểm trước đó sóng chưa truyền tới điểm M.

- Dụng cụ: Máy phát âm tần, bộ rung, dây đàn hồi, khớp nối, lò xo, lực kế 5 N, ròng rọc, đế ba chân, trụ thép, dây nối.

- Kĩ thuật sonar sử dụng tính chất phản xạ của sóng âm. Khi sóng tới gặp vật cản (hoặc con mồi) thì hình thành sóng phản xạ, máy thu sẽ thu được tín hiệu của sóng phản xạ và từ đó phân tích định vị được vị trí của đá ngầm hoặc đàn cá.

- Theo em, sóng siêu âm do các tàu thuyền phát ra có ảnh hưởng nhất định đối với loài cá heo và cá voi, về cơ bản các loài cá này cũng phát ra sóng siêu âm để di chuyển, tìm kiếm con mồi, nếu bị ảnh hưởng bởi sóng siêu âm do các tàu thuyền phát ra thì chúng có thể bị mất phương hướng di chuyển, khó tìm được con mồi.

Độ lệch pha giữa hai điểm trên phương truyền sóng cách nhau một khoảng \(\mathrm{d}\) là: \(\Delta \varphi=\frac{2 \pi d}{\lambda}\)
Thay số: \(\frac{\pi}{2}=\frac{2 \pi . 0,6}{\lambda} \Rightarrow \lambda=2,4 m\)
Chu kì \(T=\frac{\lambda}{v}=\frac{2,4}{330}=\frac{2}{275}(s)\)
a) Độ lệch pha giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng, cách nhau \(360 \mathrm{~cm}\) tại cùng một thời điểm: \(\Delta \varphi=\frac{2 \pi d}{\lambda}=\frac{2 \pi . 3,6}{2,4}=3 \pi(\mathrm{rad})\). Hai điểm này dao động ngược pha.
b) Độ lệch pha tại cùng một điểm trên phương truyền sóng sau một khoảng thời gian là 0,1 s là: \(\Delta \varphi=\frac{2 \pi}{T} . \Delta t=\frac{2 \pi}{\frac{2}{275}} .0,1=27,5 \pi=26 \pi+\frac{3 \pi}{2}\), cùng một điểm nhưng ở hai thời điểm khác nhau nó dao động vuông pha.

a) Từ phương trình đã cho đối chiếu với phương trình tổng quát \(u=A \cos \left(\frac{2 \pi}{T} t-\frac{2 \pi}{\lambda} x\right)\) ta có thể rút ra được các đại lượng sau:
\(\left\{\begin{array}{l}A=10 \mathrm{~cm} \\\frac{2 \pi}{T}=2 \pi \Rightarrow T=1 \mathrm{~s} \Rightarrow f=1 \mathrm{~Hz}\end{array}\right.\)
b) \(\frac{2 \pi}{\lambda}=0,01 \pi \Rightarrow \lambda=200 \mathrm{~cm}=2 m \Rightarrow v=\lambda f=2.1=2 \mathrm{~m} / \mathrm{s}\)
c) Giá trị của li độ \(\mathrm{u}\), tại điểm có \(\mathrm{x}=50 \mathrm{~cm}\) vào thời điểm \(\mathrm{t}=4 \mathrm{~s}\) :
\(u=10 \cos (2 \pi .4+0,01 \pi .50)=0\)