Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 6: Các đặc trưng vật lí của sóng

Luyện tập 1: Một bạn học sinh đang câu cá trên hồ nước. Khi có sóng đi qua, bạn quan sát thấy phao cầu cá nhỏ lên cao 6 lần trong 4 s. Biết tốc độ truyền sóng là 0,5 m/s. Tính khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp.

Hướng dẫn trả lời:

Phao cầu cá nhỏ lên cao 6 lần trong 4 s tương ứng với 5T nên ta có T=0,8 s
Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp là: $\lambda =v.T=0,5.0,8=0,4 m$

Luyện tập 2: Biết cường độ ánh sáng của Mặt Trời đo được tại Trái Đất là $1,37.10^{3} W/m^{2}$ và khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất là $1,50.10^{11}$ m. Hãy tính công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời.

Hướng dẫn trả lời:

Công suất bức xạ sóng ánh sáng của Mặt Trời: 
$P=I.4\pi r^{2}=1,37.10^{3}.4\pi.(1,50.10^{11})^{2}\approx3,874.10^{26} W$

2. PHƯƠNG TRÌNH SÓNG

Câu hỏi 5: Từ phương trình (6.6), xác định khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động cùng pha và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất dao động ngược pha (theo bước sóng).

Hướng dẫn trả lời: 

- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có toạ độ x và x' dao động cùng pha khi:
$(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x)-(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x')=2k\pi \Rightarrow x'-x =k\lambda(k \in Z)$
Hai điểm gần nhất dao động cùng pha ứng với $k=1 \Rightarrow x' - x = \lambda$
- Tại cùng một thời điểm t, hai điểm có toạ độ x và x' dao động ngược pha khi:
$(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x)-(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x')=(2k+1)\pi \Rightarrow x'-x =(k+\frac{1}{2})\lambda(k \in Z)$
Hai điểm gần nhất dao động ngược pha ứng với $k=0 \Rightarrow x' - x = \frac{\lambda}{2}$ .

Câu hỏi 6: Quan sát Hình 6.3, xác định độ lệch pha của hai điểm A và B trên cùng phương truyền sóng vào thời điểm $t = \frac{7T}{4}$

Hướng dẫn trả lời:

vì $AB=\frac{\lambda}{4}$ nên độ lệch pha của hai điểm này là $\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}AB=\frac{2\pi}{\lambda}.\frac{\lambda}{4}=\frac{\pi}{2}$rad

Luyện tập: Giải thích vì sao ở Hình 6.6a, đường biểu diễn có một đoạn nằm ngang sau vị trí có toạ độ x₁ và ở Hình 6.6b, đường biểu diễn có một đoạn nằm ngang trước thời điểm t₁.

Hướng dẫn trả lời:

Hình 6.6a: Vì sóng truyền với tốc độ hữu hạn nên tại thời điểm t đang xét, với v là tốc độ truyền sóng, sóng chỉ mới truyền đi được quãng đường x = vt. Phần còn lại của dây với x > vt vẫn còn đứng yên.
Hình 6.6b: Điểm cách nguồn một khoảng x chỉ bắt đầu dao động khi sóng truyền đến, nên với $t < \frac{x}{v}$, sóng chưa truyền đến điểm này.

Vận dụng: Đề xuất phương án thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm đơn giản để tạo ra sóng truyền trên một sợi dây và xác định các đại lượng đặc trưng của sống như chu kì, tần số.

Hướng dẫn trả lời:

Ta sử dụng 1 sợi dây không dãn buộc một đầu vào thiết bị tạo rung khi đó tần số của sóng trên sợi dây là tần số của thiết bị tạo rung và từ đó chúng ta xác định được những đại lượng khác như cường độ sóng, ...

BÀI TẬP

Bài 1: Khi đi biển, các thuỷ thủ trên thuyền có thể sử dụng kĩ thuật sonar (một kĩ thuật phát ra sóng siêu âm) dùng để định vị hay điều hướng thuyền nhằm tránh các tảng đá ngầm hoặc phát hiện đàn cá (Hình 6P.1). Trong tự nhiên, nhiều loài động vật như dơi, cá heo cũng có thể phát ra sóng siêu âm để di chuyển và định vị con mồi. Kĩ thuật sonar sử dụng tính chất nào của sóng? Theo em, sóng siêu âm do các tàu thuyền phát ra có ảnh hưởng như thế nào đối với loài cá heo và cá voi?

Hướng dẫn trả lời:

Kĩ thuật sonar (sound navigation and ranging) dựa trên nguyên tắc phát sóng siêu âm và thu nhận sóng phản xạ khi sóng này gặp vật cản, tương tự như tiếng vọng của âm thanh. Ngoài ra, trong kĩ thuật sonar bị động (passive sonar), máy thu chỉ cần thu nhận được âm thanh do tàu bè hay nguồn âm khác phát ra.

Cá heo, cá voi sử dụng sonar sinh học (bisonar) để định vị, liên lạc nên sonar do các tàu thuyển phát ra có khả năng làm rối loạn việc nhận biết tín hiệu, có thể gây choáng, làm lạc đường,... các con vật này.

Bài 2: Hai điểm gần nhất trên cùng phương truyền sóng dao động lệch pha nhau một góc $\frac{\pi}{2}$ cách nhau 60 cm. Biết tốc độ truyền sóng là 330 m/s. Tìm độ lệch pha:

a) giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng, cách nhau 360 cm tại cùng một thời điểm.
b) tại cùng một điểm trên phương truyền sóng sau một khoảng thời gian là 0,1 s.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $\frac{2\pi}{\lambda}d=\frac{2\pi}{\lambda}.60=\frac{\pi}{2}\Rightarrow\lambda=240 cm$
Do $\lambda=vT \Rightarrow T=\frac{\lambda}{v}=\frac{2,4}{330}\approx 0,00727 s$
a) Độ lệch pha giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng, cách nhau 360 cm tại cùng một thời điểm:
$\Delta \varphi =(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x)-(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x')=2k\pi$
$\Rightarrow \Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(x'-x)=\frac{2\pi}{240}.360=3\pi$ rad
Do đó, hai điểm này dao động ngược pha nhau.
b) Độ lệch pha giữa hai điểm trên cùng phương truyền sóng sau 1 khoảng thời gian 0,1s:
$\Delta \varphi =(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x)-(\frac{2\pi}{T}t-\frac{2\pi}{\lambda}x')=2k\pi$
$\Rightarrow \Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}(x'-x)=\frac{2\pi}{0,00727}.0,1\approx 27,5\pi$ rad
Do tính tuần hoàn của dao động nên ta có thể ghi $\Delta\varphi=1,5\pi $ rad.

Bài 3: Một sóng truyền trên một dây rất dài có phương trình: