Sóng: năng lượng di chuyển
Sóng gợn lan qua hồ, ánh sáng xuyên qua phòng, âm thanh lan qua không khí — sóng mang năng lượng và thông tin mà không vận chuyển vật chất. Phần này cung cấp từ vựng và phương trình của bạn, quang phổ điện từ với các ứng dụng và nguy cơ, cũng như hành vi của ánh sáng và (P) âm thanh: phản xạ, khúc xạ và phản xạ toàn phần.
Edexcel International GCSE Vật lý 4PH1, Mục 3 (phát biểu 3.1–3.29P). Đơn vị: độ (°), hertz (Hz), mét (m), m/s, giây (s).
Tính chất của sóng
Sóng ngang dao động vuông góc với hướng truyền (ánh sáng, nước). Sóng dọc dao động dọc theo hướng truyền dưới dạng các vùng nén và giãn (âm thanh). Từ vựng: biên độ (vị trí lệch cực đại), bước sóng λ (từ đỉnh sóng này đến đỉnh sóng kế tiếp), tần số f (sóng mỗi giây, Hz), chu kỳ T (thời gian cho một chu kỳ sóng), mặt sóng (một đường nối các điểm cùng pha tại đỉnh sóng).
Kiểm tra đã giải. Một sóng âm 340 Hz với tốc độ 340 m/s: bước sóng $\lambda = 340/340 = 1$ m; chu kỳ $= 1/340 \approx 2.9$ ms. Hiệu ứng Doppler: nguồn phát chuyển động về phía người quan sát khiến các mặt sóng bó lại — tần số quan sát được cao hơn; chuyển động ra xa kéo dài chúng — tần số thấp hơn.
Quang phổ điện từ
Cùng một họ, cùng tốc độ trong chân không, sắp xếp theo thứ tự bước sóng giảm dần (tần số tăng): radio → vi sóng → hồng ngoại → ánh sáng nhìn thấy (đỏ đến tím) → tử ngoại → tia X → tia gamma.
| Bức xạ | Ứng dụng | Nguy hiểm |
|---|---|---|
| vô tuyến | phát thanh, liên lạc | — |
| vi sóng | nấu ăn, truyền hình vệ tinh | làm nóng mô bên trong |
| hồng ngoại | máy sưởi, nhìn đêm | bỏng da |
| ánh sáng nhìn thấy | cáp quang, nhiếp ảnh | — |
| tử ngoại | đèn huỳnh quang | tổn thương tế bào bề mặt, mù lòa |
| tia X | chụp ảnh bên trong vật thể/cơ thể | ung thư, đột biến (bị ion hóa) |
| tia gamma | tiệt trùng thực phẩm và thiết bị | ung thư, đột biến |
Bảo vệ: giới hạn thời gian tiếp xúc, dùng vật chắn, kem chống nắng (tử ngoại).
Ánh sáng và âm thanh
Ánh sáng là sóng ngang và phản xạ, khúc xạ. Định luật phản xạ: góc tới = góc phản xạ. Khúc xạ: khi vào kính (môi trường quang học dày đặc hơn), ánh sáng chậm lại và bẻ cong về phía pháp tuyến; khi ra ngoài, nó bẻ lệch xa hơn.
Ví dụ minh họa (định luật Snell). Tia sáng trong không khí gặp mặt phẳng kính ở góc tới 50°; góc khúc xạ là 30°. Chiết suất $n = \dfrac{\sin 50°}{\sin 30°} = \dfrac{0.766}{0.500} = 1.53$. Cả hai góc đều được đo từ pháp tuyến: tia sáng tạo góc 50° với bề mặt thì góc tới thực tế chỉ là 40°.
Phản xạ toàn phần xảy ra tại ranh giới từ môi trường có chiết suất cao sang thấp khi góc tới (đo từ pháp tuyến) vượt quá góc tới hạn — nguyên lý của sợi quang (viễn thông, nội soi) và lăng kính trong kính thiên văn quan sát (periscope).
Ví dụ hướng dẫn. Thủy tinh có $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, nên $c \approx 41.8°$. Tia sáng bên trong thủy tinh va chạm bề mặt tại góc 45° vượt quá 41.8° — phản xạ toàn phần.
(P) Sound is longitudinal, 20–20 000 Hz for human hearing; pitch rises with frequency, loudness with amplitude. An oscilloscope with a microphone displays the wave; practicals time echoes or resonances to find the speed of sound in air.
Ví dụ mẫu (P) (đọc máy dao động đồ). Một sóng âm trên màn hình máy dao động đồ hiển thị đúng 4 sóng hoàn chỉnh qua 10 ô vuông; thiết lập thời gian là 1 ms mỗi ô. Một sóng bao phủ 2.5 ô, nên chu kỳ $T = 2.5 \times 1\ \text{ms} = 2.5\ \text{ms} = 0.0025$ s và $f = 1/T = 400$ Hz. Nếu âm thanh được tạo ra lớn hơn cùng độ cao, các sóng sẽ cao hơn (biên độ lớn hơn) nhưng vẫn chiếm 2.5 ô mỗi cái.
Ví dụ minh họa (P) (vọng âm). Một học sinh vỗ tay cách tường 165 m và nghe thấy tiếng vọng 1.0 s sau. Âm thanh đi đến và quay lại, $2 \times 165 = 330$ m, nên $v = 330 \div 1.0 = 330$ m/s.
Lỗi thường gặp
- Đo góc từ bề mặt. Góc tới, góc phản xạ và góc khúc xạ đều được đo từ pháp tuyến.
- Nói rằng phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng đi vào thủy tinh. Nó chỉ xảy ra bên trong môi trường dày đặc hơn, ở góc lớn hơn góc tới hạn.
- Nhầm lẫn loại sóng nào là sóng ngang. Ánh sáng và tất cả các sóng điện từ đều là sóng ngang; âm thanh là sóng dọc.
- Đếm số ô máy hiện sóng cho toàn bộ màn hình là một chu kỳ. Hãy đếm số ô cho một sóng hoàn chỉnh, sau đó nhân với cơ sở thời gian.
- Un quên rằng tiếng vọng đi đến và quay lại. Nhân đôi khoảng cách (hoặc chia đôi thời gian).
- Nói rằng sóng điện từ có tần số cao hơn truyền nhanh hơn. Tất cả chúng đều truyền với cùng tốc độ trong chân không.
Tự kiểm tra
- Nêu một điểm giống nhau và một điểm khác nhau giữa sóng ngang và sóng dọc.
- Định nghĩa biên độ, bước sóng và tần số.
- A wave of frequency 500 Hz travels at 340 m/s. Calculate its wavelength.
- Nêu thứ tự của phổ điện từ theo tần số tăng dần.
- Nêu một ứng dụng của sóng vi ba, tia hồng ngoại và tia gamma, cùng một nguy hại của tia UV.
- Phát biểu định luật phản xạ.
- Ánh sáng bị bẻ cong theo hướng nào khi đi vào kính và khi rời khỏi kính?
- Kính có n = 1.5. Tính góc tới hạn.
- (P) Phát biểu dải tần số nghe được của tai người, và yếu tố nào làm tăng độ cao và độ to của âm.
- (P) How does an oscilloscope trace change when a sound gets louder at the same pitch?
Đáp án: 1 cả hai đều truyền năng lượng mà không truyền vật chất; dao động ngang vuông góc với phương truyền (ánh sáng), dao động dọc theo phương truyền dưới dạng nén (âm thanh); 2 biên độ — độ dịch chuyển cực đại so với vị trí cân bằng; bước sóng — khoảng cách giữa các điểm giống nhau liên tiếp; tần số — số sóng đi qua mỗi giây; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m; 4 vô tuyến, vi ba, hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại, tia X, tia gamma; 5 vi ba — nấu ăn/tin vệ tinh; hồng ngoại — bộ sưởi/mắt nhìn đêm; gamma — tiệt trùng; UV gây tổn thương tế bào bề mặt và có thể gây mù; 6 góc tới = góc phản xạ; 7 về phía pháp tuyến khi vào, ra xa pháp tuyến khi ra; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 9 (P) 20–20 000 Hz; tần số cao hơn làm tăng độ cao, biên độ lớn hơn làm tăng độ to; 10 (P) các đỉnh của vết sóng cao lên (biên độ) trong khi số chu kỳ mỗi giây (tần số) giữ nguyên.