Bước sóng, chu kì, tần số và tốc độ truyền sóng

Sau bài này, em nêu được ý nghĩa của bước sóng $\lambda$, chu kì $T$, tần số $f$ và biên độ sóng, viết đúng công thức liên hệ $v=\lambda f=\lambda/T$, và vận dụng công thức này để tính một đại lượng khi biết hai đại lượng còn lại, kể cả khi dữ kiện được cho qua đồ thị.

Bài trước đã khẳng định mỗi phần tử môi trường dao động điều hoà tại chỗ với chu kì $T$ và biên độ $A$ riêng của nó — hai đại lượng em đã quen từ dao động cơ (prior-grade review về mặt khái niệm chu kì, biên độ). Bài này gắn thêm cho sóng một đại lượng hoàn toàn mới: bước sóng $\lambda$, mô tả sóng 'trải dài' trong không gian ra sao tại một thời điểm, khác với chu kì vốn chỉ mô tả sự lặp lại theo thời gian tại một điểm.

**Chu kì sóng** $T$ là khoảng thời gian để một phần tử môi trường thực hiện đúng một dao động toàn phần — cũng chính là chu kì dao động chung của nguồn sóng, vì mọi phần tử trên đường truyền đều lặp lại đúng kiểu dao động của nguồn, chỉ trễ pha khác nhau. **Tần số sóng** $f=1/T$ là số dao động toàn phần thực hiện được trong một giây. **Bước sóng** $\lambda$ là quãng đường sóng truyền được trong đúng một chu kì, và cũng chính là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên phương truyền sóng dao động cùng pha với nhau (ví dụ khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp trên mặt nước). Cần phân biệt rõ hai bức tranh: chu kì $T$ mô tả sự lặp lại của MỘT điểm theo thời gian; bước sóng $\lambda$ mô tả hình dạng sóng trải ra trong không gian tại MỘT thời điểm. Hai bức tranh khác nhau nhưng gắn liền với nhau qua tốc độ truyền sóng. **Tốc độ truyền sóng** $v$ là tốc độ mà dạng sóng (và cùng với nó là pha dao động) lan đi trong môi trường. Vì trong một chu kì $T$, sóng truyền đi được đúng một bước sóng $\lambda$, ta có ngay công thức liên hệ ba đại lượng: $$v=\frac{\lambda}{T}=\lambda f$$ Tốc độ truyền sóng do bản chất môi trường (độ đàn hồi, mật độ...) quyết định, không phụ thuộc vào tần số nguồn phát; khi đổi nguồn phát tần số khác trên cùng một môi trường, $v$ giữ nguyên còn $\lambda$ thay đổi theo tỉ lệ nghịch với $f$ để tích $\lambda f$ vẫn bằng $v$. **Biên độ sóng** $A$ là biên độ dao động của mỗi phần tử môi trường khi sóng truyền qua, quyết định độ 'mạnh yếu' của dao động (và liên quan tới năng lượng sóng mang theo), nhưng không ảnh hưởng tới $\lambda$, $T$ hay $v$. Một hệ quả quan trọng của các định nghĩa trên: khi sóng truyền từ môi trường này sang môi trường khác — ví dụ âm thanh truyền từ không khí vào nước — **tần số $f$ luôn giữ nguyên**, vì tần số hoàn toàn do nguồn phát quyết định (nguồn dao động bao nhiêu lần trong một giây thì mọi điểm nhận sóng cũng nhận đúng bấy nhiêu dao động trong một giây, không phụ thuộc sóng đang ở môi trường nào). Nhưng tốc độ truyền sóng $v$ lại do bản chất môi trường quyết định, nên khi đổi môi trường, $v$ đổi, kéo theo $\lambda=v/f$ cũng đổi theo dù $f$ không đổi. Nhiều học sinh nhầm tưởng cả ba đại lượng cùng đổi hoặc cùng không đổi khi qua môi trường mới — thực ra chỉ có $f$ là bất biến, còn $v$ và $\lambda$ đều thay đổi. Khi đọc dữ kiện từ một đồ thị li độ theo vị trí (dạng như hình dưới đây), em cần làm hai việc tách bạch: trước hết đo trực tiếp bước sóng $\lambda$ bằng khoảng cách giữa hai đỉnh (hoặc hai đáy) liên tiếp trên đồ thị; sau đó mới dùng $\lambda$ đo được cùng với một dữ kiện khác của đề (thường là $v$ hoặc $T$) để tính ra đại lượng còn thiếu. Đồ thị dạng này không thể cho trực tiếp $T$ hay $f$, vì nó chỉ ghi lại hình dạng sóng tại MỘT thời điểm, không ghi lại sự thay đổi theo thời gian tại một điểm.

Bài tiếp theo dùng đúng ba đại lượng $A$, $T$, $\lambda$ vừa học để viết một phương trình duy nhất mô tả li độ của bất kì phần tử nào trên đường truyền sóng, tại bất kì thời điểm nào — phương trình sóng.