Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 5: Sóng và sự truyền sóng

MỞ ĐẦU 

Câu hỏi: Vào lúc 9 giờ 22 phút, sáng ngày 14/03/2022, một trận động đất xảy ra tại tỉnh Điện Biên (Theo Báo Tuổi trẻ). Vì sao tại những nơi như một số huyện giáp ranh của tỉnh Sơn La cách tâm chấn khoảng 20 km, nhà cửa và các đồ đạc, vật dụng của gia đình lại bị rung lắc? Động đất đã lan truyền như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Một số huyện giáp ranh của tỉnh Sơn La cách tâm chấn khoảng 20 km, nhà cửa và các đồ đạc, vật dụng của gia đình lại bị rung lắc do dư chấn của động đất. 
Động đất xuất phát từ tâm chấn của động đất và lan truyền ra khắp các lớp trên bề mặt của Trái Đất. Tại tâm chấn thì sóng khối lan đến bề mặt sẽ tạo ra sóng mặt. Các sóng này có vận tốc lan truyền khác nhau và biên độ khác nhau.

1. QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG

Câu hỏi 1: Dự đoán trạng thái của mặt nước trong cốc nước khi ta gõ lên mặt bản một cách liên tục và đủ mạnh tại một vị trí gần cốc nước. Giải thích hiện tượng và tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng.

Hướng dẫn trả lời:

Trong Hình 5.1, khi ta gõ tay lên bàn liên tục và đủ mạnh, cốc nước sẽ thực hiện dao động, điều này có thể dễ dàng quan sát thông qua bề mặt của nước trong cốc. Nghĩa là, dao động do việc gõ lên bàn của tay đã lan truyền trong không gian (mặt bàn) đến cốc nước làm cốc nước cũng dao động.

Câu hỏi 2: Quan sát Hình 5.3 và dự đoán phương chuyển động của quả bóng khi có sóng trên mặt nước trong điều kiện lặng gió.

Hướng dẫn trả lời:

Trong điều kiện trời lặng gió, sóng lan truyền qua vị trí của quả bóng làm cho bóng dao động theo phương thẳng đứng. Do đó, ta thấy quả bóng chuyển động nhấp nhô lên xuống và vị trí của quả bóng trên mặt nước là không thay đổi.

Câu hỏi 3: Em hãy cho biết những tác hại của sóng địa chấn (động đất).

Hướng dẫn trả lời:

Khi sóng địa chấn truyền đến, mặt đất thực hiện các đạo động và bị sạt lở; gây nứt vỡ, sụp đổ các công trình xây dựng. Một trận động đất cường độ lớn có thể gây ra những thiệt hại đáng kể về sinh mạng, của cải vật chất. Ví dụ như trận động đất gần đây nhất tại Thổ Nhĩ Kỳ và Syria vào tháng 2 năm 2023 đã tàn phá rất nhiều toà nhà và cướp đi hơn 45 000 sinh mạng (Nguồn: Báo Dân trí).

2. SÓNG DỌC VÀ SÓNG NGANG

Câu hỏi 4: Quan sát Hình 5.5, hãy so sánh phương truyền sóng và phương dao động của từng điểm trên lò xo trong hai trường hợp.

Hướng dẫn trả lời: 

– Hình 5.5a: Phương truyền sống là phương dọc theo trục lò xo, các vòng lò xo cũng thực hiện dao động theo phương dọc theo trục lò xo.
– Hình 5.5b: Phương truyền sóng là phương dọc theo trục lò xo, các vòng lò xo dao động theo phương vuông góc với trục lò xo.

Luyện tập: Lấy một số ví dụ về sóng dọc và sóng ngang trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời: 

Trong thực tế, sóng âm truyền trong không khi là sóng dọc, sóng truyền trên mặt nước là sóng ngang. Khi động đất xảy ra, có cả sóng dọc (sóng sơ cấp P) và sóng ngang (sóng thứ cấp S) được truyền đi từ tăm chấn

3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA SÓNG

Câu hỏi 5: Quan sát Hình 5.7, xét trên phương vuông góc với bức tường, nhận xét về chiều truyền của sóng âm trước và sau khi gặp bức tường.

Hướng dẫn trả lời: 

Sau khi gặp bức tường, xét trên phương vuông góc với bức tường, sóng âm phản xạ truyền ngược chiều so với sóng âm tới.

Câu hỏi 6: Quan sát Hình 5.9, nhận xét về hình dạng của chiếc thìa. Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng và giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Ta thấy cán thìa bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa nước và không khí.

Luyện tập 1: Giải thích vì sao vào những đêm mùa lạnh, ta có thể nghe được âm thanh từ xa trong khi vào mùa nóng ta lại không thể nghe được dù ở cùng khoảng cách.

Hướng dẫn trả lời:

Khi thời tiết lạnh, sống âm truyền gắn mặt đất sẽ bị vòng xuống (do tốc độ truyền âm nhỏ hơn khi nhiệt độ thấp hơn) nên ta có thể nghe được âm thanh từ xa. Khi thời tiết nóng, mặt đất có nhiệt độ cao hơn không khí bên trên, sống âm có tốc độ lớn hơn ở mặt đất nền truyền ngược lên trên.

Luyện tập 2: Khi mở hé cánh cửa để ánh sáng đi qua khe hẹp (Hình 5.11), ta quan sát thấy ánh sáng loang ra một khoảng lớn hơn kích thước khe hẹp. Hãy giải thích hiện tượng này.

Hướng dẫn trả lời: 

Khi cánh cửa mở hé (kích thước của khe hở đủ nhỏ), do hiện tượng nhiễu xạ, sóng ánh sáng từ ngoài sẽ loang rộng hơn khi truyền qua khe cửa. Nếu khe hở của cửa lớn thì hiện tượng nhiễu xạ sẽ khó quan sát được.

Vận dụng: Vận dụng những kiến thức về sóng để giải thích vì sao dơi (Hình 5.13) có thể phát hiện ra chướng ngại vật bằng cơ chế phát sóng siêu âm (là sóng âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz).

Hướng dẫn trả lời:

Dơi có khả năng phát sóng có tần số lớn (còn gọi là sóng siêu âm). Khi gặp chướng ngại vật, sóng do dơi phát ra sẽ bị phản xạ, truyền ngược lại và được đổi thu nhận. Từ đó, các tế bào thần kinh của dơi sẽ xử lí thông tin để giúp dơi nhận ra các chướng ngại vật, tránh được va chạm.

BÀI TẬP

Bài tập 1: Xét sóng nước truyền qua vị trí của phao câu cá đang nổi trên mặt nước khi lặng gió như Hình 5.P.1. Phao có trôi đi theo phương truyền của sóng nước không? Vì sao?

Hướng dẫn trả lời:

Trong điều kiện trời lặng gió và bỏ qua một số yếu tố khác như tác động của đáy hồ/ sông, khi sóng nước truyền qua vị trí của phao, phao dao động theo phương vuông góc với mặt nước khi chưa có sóng truyền đến. Phao không chuyển động theo chiều truyền sóng vì quá trình truyền sống là quá trình truyền năng lượng mà không làm cho vật chất bị truyền đi

Bài tập 2: Hình 5.P.2 mô tả hai loại sóng địa chấn truyền trong môi trường khi xảy ra động đất: sóng P (sóng sơ cấp) và sóng S (sóng thứ cấp). Hãy phân biệt hai sóng địa chấn này thuộc sóng dọc hay sóng ngang. Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Sóng P làm cho mặt đất dao động theo phương trùng với phương truyền sóng nên sống P là sống dọc, trong khi sóng S làm cho mặt đất dao động theo phương vuông góc với với phương truyền sóng nên sóng S là sóng ngang.