3.3 · Waves

Sóng: mang năng lượng và thông tin

Sóng di chuyển năng lượng từ nguồn phát đến máy thu mà không di chuyển vật chất — ánh sáng đến mắt, âm thanh đến tai, sóng vô tuyến đến điện thoại. Chủ đề này xây dựng mô hình sóng (tần số, bước sóng, tốc độ), sau đó áp dụng vào toàn bộ phổ điện từ, âm thanh và (P) siêu âm, phản xạ, khúc xạ với phản xạ toàn phần, và (P) thấu kính và mắt.

OxfordAQA International GCSE Vật lý 9203, chủ đề 3.3 (Phiên bản 5.1). Các phát biểu được đánh dấu (P) chỉ nằm trong Bài kiểm tra-2.

Tính chất chung của sóng

Sóng ngang: dao động vuông góc với hướng truyền — sóng điện từ và sóng nước. Sóng dọc: dao động song song, như sự nén và giãn — âm thanh; sóng cơ có thể là cả hai loại. Tại ranh giới, sóng bị phản xạ, truyền qua hoặc hấp thụ; khúc xạ xảy ra do sự thay đổi vận tốc giữa các môi trường, và nhiễu xạ lan tỏa sóng qua khe hở — mạnh khi khe hở tương đương bước sóng.

Biên độ, bước sóng, tần số, chu kỳ và mặt sóng xác định bất kỳ sóng nào, và:

Ví dụ minh họa. Một sóng nước có tần số 2 Hz và bước sóng 1.5 m truyền đi với vận tốc $2 \times 1.5 = 3$ m/s.

Quang phổ điện từ

Một họ liên tục, tất cả đều là sóng ngang, tất cả lan truyền với cùng tốc độ trong chân không, sắp xếp từ sóng vô tuyến (10⁴ m và xa hơn) xuống tia gamma (10⁻¹⁵ m). Ánh sáng nhìn thấy là dải hẹp mà mắt chúng ta phát hiện — các bước sóng khác nhau là các màu sắc khác nhau. Mọi vật đều phát ra và hấp thụ tia hồng ngoại; (P) vật nóng hơn bức xạ nhiều hơn và ở tần số cao hơn (bức xạ vật đen), bề mặt sẫm màu nhám hấp thụ và phát tốt nhất, bề mặt sáng bóng phản xạ tốt.

Ứng dụng: sóng vô tuyến — TV và radio bao gồm Bluetooth; sóng vi ba — điện thoại, TV vệ tinh; tia hồng ngoại — điều khiển từ xa, quan sát ban đêm, làm nóng; ánh sáng khả kiến — nhiếp ảnh, cáp quang; tia UV — đánh dấu an ninh; tia X — chụp ảnh y tế; tia gamma — tiệt trùng dụng cụ và thực phẩm. Nguy hiểm: sóng vi ba làm nóng mô; tia hồng ngoại gây bỏng; tia UV gây ung thư da và mù lòa; tia X giết chết tế bào ở liều lượng cao; tia gamma gây đột biến — hạn chế thời gian tiếp xúc và khoảng cách, và sử dụng lớp chắn.

Tia X: bước sóng rất ngắn, năng lượng cao, ion hóa; chúng tác động lên phim ảnh, bị hấp thụ bởi kim loại và xương, và truyền qua mô mềm — đây là cơ sở của CT, chẩn đoán gãy xương, nha khoa và điều trị ung thư (kèm theo theo dõi chặt chẽ liều lượng cho nhân viên).

Âm thanh và siêu âm

Âm thanh là sóng dọc, làm rung môi trường, được nghe thấy trong khoảng 20 Hz đến 20 000 Hz; cao độ phụ thuộc vào tần số, độ to phụ thuộc vào biên độ. Âm thanh phản xạ (tạo tiếng vang) và nhiễu xạ. (P) Siêu âm nằm trên 20 kHz: tại ranh giới giữa các môi trường nó bị phản xạ một phần, và thời gian echo giúp xác định vị trí ranh giới:

Ví dụ minh họa. Một xung siêu âm trở lại từ ranh giới thai nhi sau $6.0 \times 10^{-5}$ s (vận tốc 1500 m/s trong mô): độ sâu ranh giới $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — chia đôi để tính hành trình khứ hồi. Ứng dụng: siêu âm tiền sản, phá sỏi thận.

Phản xạ và khúc xạ

Định luật phản xạ: góc tới = góc phản xạ, đo từ pháp tuyến. Gương phẳng tạo ra ảnh ảo, thẳng đứng, đảo chiều ngang; vẽ sơ đồ tia với pháp tuyến đã vẽ sẵn. (P) Ánh sáng đi vào môi trường đặc hơn sẽ chậm lại và bẻ cong về phía pháp tuyến; đi vào môi trường loãng hơn thì lệch ra xa; lăng kính tán sắc ánh sáng trắng thành quang phổ. Chỉ số khúc xạ so sánh tốc độ:

Vượt quá góc tới hạn trong môi trường đậm đặc hơn, ánh sáng bị phản xạ toàn phần — cách sợi quang truyền ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại cho y học (nội soi) và truyền thông. Thực hành bắt buộc: khúc xạ ánh sáng qua các chất khác nhau.

Thấu kính và mắt (P)

Thấu kính hội tụ (thấu kính lồi) hội tụ các tia song song về tiêu điểm chính (độ tiêu cự từ thấu kính); thấu kính phân kỳ (thấu kính lõm) làm tán chúng như thể xuất phát từ tiêu điểm. Ảnh được mô tả là lớn hơn/nhỏ hơn, thẳng/đảo ngược, thật/ảo — sơ đồ tia trên giấy kẻ ô thể hiện chúng, và độ phóng đại = chiều cao ảnh ÷ chiều cao vật. Thấu kính hội tụ đặt gần đóng vai như kính lúp (ảnh ảo, thẳng, phóng đại).

Mắt: màng nhạy cảm (cảm biến), giác mạc (khúc xạ chính), thấu kính thay đổi tiêu cự, con ngươi/mống mắt (khẩu độ), cơ miem và dây chằng giữ (thay đổi hình dạng thấu kính). Điểm cận ≈ 25 cm; điểm viễn vô cực. Viễn thị (trái cầu mắt quá ngắn) được điều chỉnh bằng thấu kính hội tụ; cận thị (quá dài) dùng thấu kính phân kỳ; laser có thể định hình lại giác mạc trong phẫu thuật. So với máy ảnh: mắt lấy nét bằng cách thay đổi hình dạng thấu kính, máy ảnh thay đổi khoảng cách thấu kính-film; màng nhạy cảm đóng vai trò như CCD.

Tự kiểm tra

1. Nêu phương hướng dao động của sóng ngang và sóng dọc, kèm một ví dụ cho mỗi loại.
2. Phát biểu v = fλ và tính tốc độ của một sóng 500 Hz có bước sóng 0.68 m.
3. Khi nào hiện tượng nhiễu xạ mạnh nhất qua khe hở?
4. Sắp xếp phổ điện từ theo tần số tăng dần.
5. Bề mặt nào hấp thụ tia hồng ngoại tốt nhất?
6. Phát biểu dải tần số nghe được của tai người.
7. (P) Một phản xạ siêu âm trở về sau 0.0001 s từ độ sâu 15 cm. Tốc độ là bao nhiêu?
8. Phát biểu định luật phản xạ và đặc điểm ảnh qua gương phẳng.
9. (P) Thủy tinh có n = 1.5. Tính góc tới giới hạn.
10. (P) Thấu kính nào điều chỉnh cận thị, và tại sao?

Đáp án: 1 vuông góc — ánh sáng; song song, vùng nén — âm thanh; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s; 3 khe ≈ một bước sóng; 4 vô tuyến → vi ba → hồng ngoại → khả kiến → tử ngoại → tia X → tia gamma; 5 tối, mờ; 6 20 Hz–20 kHz; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (chuyến đi khứ hồi).

Đáp án tiếp: 8 i = r; ảo, thẳng đứng, đảo ngược ngang; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 10 (P) thấu kính lồi — nó làm phân tán ánh sáng để mắt quá dài hội tụ chúng lên võng mạc.