Sóng dừng là gì? Ở trong vật lý 12 các bạn đã từng học qua sóng dừng nhưng chỉ dừng lại ở các lý thuyết cơ bản. Để tìm hiểu sâu hơn về sóng dừng thì các bạn hãy cùng tham khảo qua bài viết này nhé.
1. Sóng dừng là gì?
Sóng dừng hay còn gọi là sóng đứng, sóng tĩnh, đây là một loại sóng dao động theo thời gian có biên độ đỉnh sóng không di chuyển trong không gian.
Sóng dừng được phát hiện lần đầu bởi Michael Faraday vào năm 1831. Faraday đã quan sát thấy hiện tượng sóng dừng trên bề mặt chất lỏng trong một bình chứa rung. Và đến năm 1860, Franz Melde là người đã đặt ra thuật ngữ “sóng dừng”.
Sóng dừng được hình thành bởi sự giao thoa của 2 sóng ngược chiều, tạo ra các điểm không da động và những điểm dao động với biên độ cực đại. Hoặc có thể phát sinh bên trong môi trường sóng đứng yên, do sự giao thoa giữa hai sóng truyền theo hai hướng ngược nhau trong đó.
2. Ý nghĩa của sóng dừng
Dựa vào khảo sát nguyên nhân dao động của các phần tử trong một bó sóng, ta có những kết luận như sau:
- Tại nút sóng (N): Lực đàn hồi giữa 2 phần tử bên cạnh tác dụng vào phần tử N luôn đối nhau (T= -T’). Từ đó hợp lực tại điểm N bằng 0 nên N luôn đứng yên.
- Tại bụng sóng (B): Lực đàn hồi giữa 2 phần tử bên cạnh tác dụng vào phần tử B có giá trị bằng nhau ( T = T’) và tạo ra hợp lực có phương luôn hướng về VTCB của B nên B dao động.
- Tại phần tử giữa bụng và nút (M): Lực đàn hồi giữa 2 phần tử bên cạnh tác dụng vào phần tử M có độ lớn khác nhau (T > T ‘). Do vậy hợp lực tại M khác 0, hướng về phần tử gần nút hơn (P). Do vậy mà ta xem như điểm P truyền dao động cho M.
3. Tính chất của sóng dừng
- Nút sóng là những điểm dao động với biên độ bằng 0. Bụng sóng và nút sóng là những điểm cố định trong không gian.
- Khoảng cách giữa hai bụng sóng hay hai nút sóng liên tiếp là λ /2.
- Khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng liên tiếp là λ /4.
- Tại vị trí vật cản cố định, sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau.
- Tại vị trí vật cản tự do, sóng tới và sóng phản xạ cùng pha.
- Gọi a là biên độ dao động của nguồn thì biên độ dao động của bụng là 2a, bề rộng của bụng sóng là 4a.
- Khoảng thời gian ngắn nhất (giữa 2 lần liên tiếp) để dây duỗi thẳng là ∆t = 0,5T.
- Sóng dừng được tạo bởi sự rung của nam châm điện với tần số dòng điện ƒ thì tần số sóng là 2f.
- Khi cho dòng điện có tần số ƒ chạy trong dây kim loại, dây kim loại được đặt giữa 2 cực của nam châm thì sóng dừng trên dây sẽ có tần số là f.
- Mọi điểm nằm giữa 2 nút liên tiếp của sóng dừng đều dao động cùng pha và có biên độ không đổi khác nhau.
- Mọi điểm nằm 2 bên của 1 nút của sóng dừng đều dao động ngược pha.
- Sóng dừng không có sự lan truyền năng lượng và không có sự lan truyền trạng thái dao động.
4. Điều kiện để xảy ra sóng dừng trên một sợi dây dài l
Khi hai đầu cố định thì chiều dài dây phải thỏa mãn: l = kλ/2 ( k ∈ N*)
- Số bụng sóng = số bó sóng = k
- Số nút sóng = k + 1
Khi một đầu cố định, một đầu tự do thì chiều dài dây phải thỏa mãn: l = (2k+1) λ/4 ( k ∈ N)
- Số bó sóng nguyên = k
- Số bụng sóng = số nút sóng = k + 1
Trường hợp sóng dừng với 2 đầu tự do (2 đầu đều là bụng sóng)
Đây là trường hợp xảy ra trong ống sáo có chiều dài L hở 2 đầu và có âm phát ra cực đại.
- Chiều dài dây: l = kλ/2 ( k ∈ N*)
- Số bụng sóng = k +1; số bó sóng = k -1;
- số nút sóng = k.
5. Các ứng dụng về sóng dừng
Dưới đây là các ứng dụng về sóng dừng tiêu biểu:
Sóng âm dừng
Sóng âm dừng có thể quan sát tại các môi trường vật chất như các sợi dây đàn và các cột không khí. Hiệu ứng này đáng chú ý nhất trong các nhạc cụ, trong đó tại các bội số của tần số tự nhiên của cột không khí hoặc sợi dây, một sóng dừng được tạo ra, thể hiện ra các bó sóng điều hòa hay các họa âm.
Ánh sáng khả biến
Lúc này, sóng dừng được quan sát trong các môi trường truyền quang như các ống dẫn sóng quang, các hốc quang học,…
Các thiết bị laser sử dụng hốc quang học dưới dạng một cặp gương đối diện nhau. Môi trường khuếch đại trong hốc quang phát ra ánh sáng mạch lạc, kích thích ra sóng dừng bên trong hốc.
Bước sóng của ánh sáng này rất ngắn nên sóng dừng cũng có kích thước cực nhỏ. Một ứng dụng của sóng ánh sáng dừng là để đo đạc các khoảng cách nhỏ, nhờ sử dụng phẳng quang học.
Tia X
Sóng đứng tia X được tạo thành giữa giao thoa của các chùm tia X. Do bước sóng rất ngắn của tia X hiện tượng này có thể được lợi dụng để đo các sự kiện quy mô nguyên tử ở bề mặt các vật liệu.
Electron
Dựa theo quan điểm lưỡng tính sóng hạt của cơ học lượng tử, các hạt electrong cũng tồn tại dưới dạng các sóng dừng quanh hạt nhân nguyên tử.
Do đó, năng lượng thấp nhất có thể mà một electron có thể có được tương tự như tần số cơ bản của sóng dừng trên dây.
Sóng cơ
Sóng dừng có thể được tạo ra một cách cơ học trong một môi trường rắn bằng cách sử dụng cộng hưởng. Ví dụ:
- Hai người chơi lắc một đầu dây nhảy. Nếu họ rung một cách đồng bộ, sợi dây sẽ tạo thành một mô hình đều đặn với các nút và bụng xen kẽ nhau và trông dường như đứng tại chỗ trong khi đang dao động, do đó được gọi là sóng dừng.
- Trên mặt nước, clapotis và seiche là các dạng sóng dừng.
- Một dầm hẫng trên cầu cũng có thể sẽ có sóng dừng áp lên vào khi có kích thích tác dụng vào trụ của nó. Trong trường hợp này, đầu tự do của dầm sẽ di chuyển khoảng cách lớn nhất về một bên so với bất kỳ vị trí nào khác dọc theo dầm.
- Ứng dụng tiêu biểu của nó là thiết bị dùng để đo lường các kích thước.
Sóng địa chấn
Các sóng mặt dừng trên Trái Đất thường được quan sát thấy dưới dạng các dao động tự do của Trái Đất.
Sóng Faraday
Sóng Faraday là một loại sóng dừng phi tuyến tính xuất hiện ở bề mặt tiếp giáp giữa chất lỏng và không khí, được gây ra bởi sự mất cân bằng thủy động lực.
Nó có thể được sử dụng như một tấm mẫu dựa trên chất lỏng để lắp ráp các vật liệu siêu nhỏ.
Sóng dừng là gì? và ứng dụng của sóng dừng trong đời sống đã được Hoàng Vina tổng hợp ở trên. Hy vọng sẽ giúp ích cho quý vị.
>>> Xem thêm: Sóng điện từ là gì? Tìm hiểu về sóng điện từ
