Bài học

Sóng cơ và sự truyền sóng: sóng ngang, sóng dọc

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được sóng ngang và sóng dọc dựa vào phương dao động của phần tử môi trường so với phương truyền sóng, và giải thích được vì sao sóng cơ chỉ truyền năng lượng cùng pha dao động đi xa chứ không mang các phần tử vật chất của môi trường đi theo.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở các bài dao động cơ trước, mỗi phần tử dao động điều hoà quanh vị trí cân bằng của riêng nó, với biên độ $A$ và chu kì $T$ không đổi theo thời gian. Bài này áp dụng đúng bức tranh dao động điều hoà đó (same-grade bridge) cho một phần tử của môi trường vật chất — dây, mặt nước, không khí — khi có sóng cơ truyền qua nó. Điểm mới duy nhất: phần tử ấy không dao động một mình, mà dao động trễ hơn phần tử phía trước nó một khoảng thời gian nhất định, và chính độ trễ đó tạo nên sóng.

Khởi động

Ném một hòn đá xuống mặt hồ, sóng lan tròn ra xa. Một chiếc lá nhỏ đang nổi gần đó nhấp nhô lên xuống khi sóng đi qua, nhưng không trôi dạt vào bờ theo con sóng. Vậy thứ gì thật sự đã đi từ tâm sóng ra tới chỗ chiếc lá, nếu không phải là nước? Em thử đoán trước khi đọc tiếp.

Kiến thức trọng tâm

Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) theo thời gian. Vì cần các phần tử vật chất tương tác với nhau để truyền dao động, sóng cơ không truyền được trong chân không — khác với sóng điện từ, môn học sau này em sẽ gặp.

Cơ chế lan truyền diễn ra như sau: khi một phần tử của môi trường dao động, nó kéo phần tử liền kề dao động theo, nhưng phần tử liền kề chỉ bắt đầu dao động sau một khoảng thời gian trễ (trễ pha) so với phần tử đứng trước. Cứ như vậy, dao động truyền dần từ phần tử này sang phần tử khác dọc theo môi trường. Mỗi phần tử riêng lẻ chỉ dao động điều hoà tại chỗ quanh vị trí cân bằng của nó — không có phần tử nào tự di chuyển theo phương truyền sóng để 'đuổi theo' sóng cả.

Từ cơ chế này rút ra kết luận quan trọng nhất của bài: sóng cơ truyền năng lượng và pha dao động đi xa, chứ không mang theo phần tử vật chất của môi trường. Đây đúng là điều xảy ra với chiếc lá ở phần khởi động: chiếc lá (đóng vai trò một phần tử của mặt nước) chỉ nhấp nhô tại chỗ, còn thứ lan ra xa là hình dạng dao động và năng lượng của sóng.

Dựa vào phương dao động của phần tử so với phương truyền sóng, người ta chia sóng cơ thành hai loại. Sóng ngang là sóng trong đó phần tử môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng — ví dụ sóng trên mặt nước, hay sóng trên một sợi dây đàn hồi khi ta rung một đầu dây lên xuống trong lúc sóng chạy dọc theo dây. Sóng dọc là sóng trong đó phần tử môi trường dao động theo đúng phương truyền sóng — ví dụ điển hình là sóng âm trong không khí: màng loa đẩy các phân tử không khí ngay trước nó nén lại rồi giãn ra dọc theo chính hướng âm thanh lan đi, tạo thành các miền nén (mật độ phân tử cao) và miền giãn (mật độ phân tử thấp) xen kẽ nhau.

Vì sao sóng ngang chỉ truyền được trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng, còn sóng dọc truyền được trong cả rắn, lỏng, khí? Sóng ngang cần lực đàn hồi giữ các lớp phần tử trượt lên nhau theo phương ngang — chất khí và phần bên trong chất lỏng không có loại lực này, chỉ có lực đàn hồi theo phương nén giãn, nên chỉ sóng dọc mới lan truyền được ở đó.

**Sóng cơ** là dao động cơ lan truyền trong một môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) theo thời gian. Vì cần các phần tử vật chất tương tác với nhau để truyền dao động, sóng cơ không truyền được trong chân không — khác với sóng điện từ, môn học sau này em sẽ gặp. Cơ chế lan truyền diễn ra như sau: khi một phần tử của môi trường dao động, nó kéo phần tử liền kề dao động theo, nhưng phần tử liền kề chỉ bắt đầu dao động sau một khoảng thời gian trễ (trễ pha) so với phần tử đứng trước. Cứ như vậy, dao động truyền dần từ phần tử này sang phần tử khác dọc theo môi trường. Mỗi phần tử riêng lẻ chỉ dao động điều hoà tại chỗ quanh vị trí cân bằng của nó — không có phần tử nào tự di chuyển theo phương truyền sóng để 'đuổi theo' sóng cả. Từ cơ chế này rút ra kết luận quan trọng nhất của bài: **sóng cơ truyền năng lượng và pha dao động đi xa, chứ không mang theo phần tử vật chất của môi trường**. Đây đúng là điều xảy ra với chiếc lá ở phần khởi động: chiếc lá (đóng vai trò một phần tử của mặt nước) chỉ nhấp nhô tại chỗ, còn thứ lan ra xa là hình dạng dao động và năng lượng của sóng. Dựa vào phương dao động của phần tử so với phương truyền sóng, người ta chia sóng cơ thành hai loại. **Sóng ngang** là sóng trong đó phần tử môi trường dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng — ví dụ sóng trên mặt nước, hay sóng trên một sợi dây đàn hồi khi ta rung một đầu dây lên xuống trong lúc sóng chạy dọc theo dây. **Sóng dọc** là sóng trong đó phần tử môi trường dao động theo đúng phương truyền sóng — ví dụ điển hình là sóng âm trong không khí: màng loa đẩy các phân tử không khí ngay trước nó nén lại rồi giãn ra dọc theo chính hướng âm thanh lan đi, tạo thành các miền nén (mật độ phân tử cao) và miền giãn (mật độ phân tử thấp) xen kẽ nhau. Vì sao sóng ngang chỉ truyền được trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng, còn sóng dọc truyền được trong cả rắn, lỏng, khí? Sóng ngang cần lực đàn hồi giữ các lớp phần tử trượt lên nhau theo phương ngang — chất khí và phần bên trong chất lỏng không có loại lực này, chỉ có lực đàn hồi theo phương nén giãn, nên chỉ sóng dọc mới lan truyền được ở đó.

Sau một chu kì

T

, nút chai trở lại đúng vị trí ban đầu — nó chỉ dao động tại chỗ, không trôi theo sóng.Sau một chu kì $T$, nút chai trở lại đúng vị trí ban đầu — nó chỉ dao động tại chỗ, không trôi theo sóng.

Ví dụ

Phân loại sóng trên mặt hồ và sóng âm trong không khí

1
Khi ném một hòn đá xuống mặt hồ và khi một chiếc loa phát ra âm thanh trong không khí, hãy cho biết sóng nào là sóng ngang, sóng nào là sóng dọc. Giải thích bằng cách so sánh phương dao động của phần tử với phương truyền sóng.
2
Khi hòn đá rơi xuống, các phân tử nước tại chỗ dao động lên xuống theo phương thẳng đứng, trong khi sóng lan ra xa theo phương nằm ngang trên mặt nước. Ta có phương dao động (thẳng đứng) vuông góc với phương truyền sóng (nằm ngang). Theo định nghĩa, đây là sóng ngang.
3
Màng loa rung đẩy các phân tử không khí ngay trước nó nén lại rồi giãn ra, dọc theo đúng hướng mà âm thanh lan truyền tới tai người nghe. Ta có phương dao động của phân tử không khí trùng với phương truyền âm. Theo định nghĩa, đây là sóng dọc.
4
Vậy sóng trên mặt hồ là sóng ngang, còn sóng âm trong không khí là sóng dọc. Tiêu chí phân loại duy nhất là so sánh phương dao động của phần tử với phương truyền sóng, không phụ thuộc môi trường là nước hay không khí.

Ví dụ

Nút chai trôi theo sóng hay chỉ dao động tại chỗ (dạng đề thi)

1
Một chiếc nút chai nhỏ đang nổi yên trên mặt hồ. Một gợn sóng tròn sinh ra từ một hòn đá ném cách đó truyền qua đúng vị trí nút chai. Mô tả chuyển động của nút chai trong khoảng thời gian bằng một chu kì $T$ kể từ lúc sóng bắt đầu tới, và cho biết sau thời gian đó nút chai đã dịch chuyển theo phương ngang được bao xa.
Một chiếc nút chai nhỏ đang nổi yên trên mặt hồ. Một gợn sóng tròn sinh ra từ một hòn đá ném cách đó truyền qua đúng vị trí nút chai. Mô tả chuyển động của nút chai trong khoảng thời gian bằng một chu kì $T$ kể từ lúc sóng bắt đầu tới, và cho biết sau thời gian đó nút chai đã dịch chuyển theo phương ngang được bao xa.
2
Nút chai đóng vai trò một phần tử của môi trường (mặt nước) tại đúng vị trí nó nổi, không phải một vật lạ bị sóng cuốn đi.
3
Tại $t=0$ , sóng vừa tới, nút chai ở vị trí cân bằng. Tại $t=T/4$ , nút chai lên tới biên dương. Tại $t=T/2$ , nút chai trở lại vị trí cân bằng, đang hướng xuống. Tại $t=3T/4$ , nút chai xuống tới biên âm. Tại $t=T$ , nút chai trở lại đúng vị trí cân bằng ban đầu, hoàn thành một chu kì dao động điều hoà.
Tại $t=0$, sóng vừa tới, nút chai ở vị trí cân bằng. Tại $t=T/4$, nút chai lên tới biên dương. Tại $t=T/2$, nút chai trở lại vị trí cân bằng, đang hướng xuống. Tại $t=3T/4$, nút chai xuống tới biên âm. Tại $t=T$, nút chai trở lại đúng vị trí cân bằng ban đầu, hoàn thành một chu kì dao động điều hoà.
4
Trong suốt một chu kì đó, nút chai chỉ dao động lên xuống tại chỗ, không hề trôi theo phương ngang cùng con sóng. Trong khi đó, dạng sóng đã kịp truyền đi được đúng một bước sóng $\lambda$ về phía trước — hai chuyển động này độc lập với nhau, không mâu thuẫn.
Trong suốt một chu kì đó, nút chai chỉ dao động lên xuống tại chỗ, không hề trôi theo phương ngang cùng con sóng. Trong khi đó, dạng sóng đã kịp truyền đi được đúng một bước sóng $\lambda$ về phía trước — hai chuyển động này độc lập với nhau, không mâu thuẫn.
5
Vậy sau thời gian $T$ , độ dịch chuyển ngang của nút chai bằng 0, dù dạng sóng đã truyền đi được đúng một bước sóng. Đây chính là bằng chứng cho thấy sóng cơ truyền năng lượng và pha dao động, chứ không mang phần tử vật chất đi theo.
Vậy sau thời gian $T$, độ dịch chuyển ngang của nút chai bằng 0, dù dạng sóng đã truyền đi được đúng một bước sóng. Đây chính là bằng chứng cho thấy sóng cơ truyền năng lượng và pha dao động, chứ không mang phần tử vật chất đi theo.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất: nghĩ rằng khi sóng nước 'đi vào bờ', chính khối nước đó di chuyển vào bờ theo sóng — giống như một dòng chảy. Thực tế mỗi phân tử nước chỉ nhấp nhô tại chỗ theo một quỹ đạo gần tròn nhỏ; chỉ có hình dạng sóng (và năng lượng nó mang) mới thật sự di chuyển tới bờ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Bài tiếp theo đặt tên và tính toán chính xác cho những đại lượng mà một sóng cơ mang theo khi lan truyền: bước sóng, chu kì, tần số và tốc độ truyền sóng.