Sóng

Sóng mang năng lượng từ nơi này sang nơi khác không vận chuyển vật chất. Ví dụ, sóng nước khiến một phao nổi bập bênh lên xuống, nhưng phao không di chuyển theo hướng sóng. Bạn có thể tạo sóng trên dây thừng bằng cách lắc một đầu lên xuống, hoặc trên lò xo dài bằng cách đẩy kéo một đầu qua lại. Trong bể gợn sóng (khay nông chứa nước với đèn chiếu từ trên xuống), bạn có thể quan sát sóng nước trên màn hình phía dưới.

Mô tả sóng

• vạch sóng: đường nối các điểm trên sóng đang chuyển động cùng pha (ví dụ: đỉnh của một gợn sóng)
• bước sóng ($\lambda$): khoảng cách giữa hai vạch sóng liền kề (một chu kỳ sóng đầy đủ)
• tần số ($f$): số lượng sóng đi qua một điểm mỗi giây, đo bằng hertz (Hz)
• đỉnh sóng (còn gọi là cao điểm, phần trên cùng) và hốc sóng (phần đáy)
• biên độ: khoảng cách lớn nhất mà một điểm dao động so với vị trí cân bằng
• tốc độ sóng ($v$): tốc độ mà vạch sóng di chuyển

Các đại lượng này liên hệ với nhau qua phương trình sóng:

Ví dụ minh họa. Một sóng âm truyền với $340\ \text{m/s}$ và có tần số $170\ \text{Hz}$. Hãy tìm bước sóng của nó.

Sắp xếp lại $v = f\lambda$ ta được $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

Hai loại sóng

• Trong sóng ngang, các hạt dao động vuông góc (90°) với phương truyền sóng (sự lan truyền). Ánh sáng, sóng nước và sóng S địa chấn (chuyển động rung lắc ngang trong động đất) là sóng ngang.
• Trong sóng dọc, các hạt dao động dọc theo cùng phương với phương truyền sóng. Âm thanh và sóng P địa chấn là sóng dọc.

Hành vi của sóng

Tất cả các loại sóng đều có thể biểu hiện ba hành vi, mà bạn có thể thấy trong bể gợn sóng:

• phản xạ: sóng bị bật lại khỏi bề mặt.
• khúc xạ: sóng thay đổi tốc độ (và thường cả hướng) khi đi vào môi trường hoặc độ sâu khác nhau.
• nhiễu xạ: sóng lan tỏa sau khi đi qua khe hở hoặc quanh mép. Sự lan tỏa lớn nhất khi kích thước khe hở xấp xỉ bằng bước sóng.

Phản xạ

Khi ánh sáng chiếu vào gương, nó sẽ phản xạ. Chúng ta đo góc từ pháp tuyến (một đường vuông góc 90° với bề mặt).

Định luật phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ.

Gương phẳng tạo ảnh có cùng kích thước với vật, cách gương một khoảng bằng nhau, và là ảnh ảo (không thể hứng được trên màn hình).

Khúc xạ

Khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, nó thay đổi tốc độ và bị lệch hướng. Góc trong môi trường thứ hai gọi là góc khúc xạ.

Quan sát sự khúc xạ. Chiếu một tia hẹp từ hộp tia vào khối thủy tinh hình chữ nhật đặt trên giấy. Đánh dấu tia đi vào và tia đi ra, lấy khối thủy tinh ra, rồi nối các điểm đánh dấu để vẽ tia trong lòng thủy tinh. Vẽ pháp tuyến tại vị trí tia đi vào và dùng thước đo góc đo góc tới và góc khúc xạ. Lặp lại với khối bán nguyệt hoặc lăng kính: tia luôn lệch về phía pháp tuyến khi vào thủy tinh và lệch ra xa pháp tuyến khi ra khỏi.

Chiết suất $n$ so sánh tốc độ ánh sáng trong hai môi trường:

Ví dụ minh họa. Một tia sáng đi từ không khí vào thủy tinh. Góc tới là 60° và góc khúc xạ là 35°. Hãy tính chiết suất của thủy tinh. (Lấy $\sin i = 0.87$ và $\sin r = 0.57$.)

Khi ánh sáng cố gắng đi ra khỏi kính hoặc nước và góc tới quá lớn, nó không thể thoát ra ngoài mà thay vào đó phản xạ hoàn toàn. Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần. Nó xảy ra khi góc trong lớn hơn góc tới giới hạn $c$:

Hiện tượng này được ứng dụng trong sợi quang, những sợi thủy tinh mỏng mang tín hiệu ánh sáng cho điện thoại và internet.

Thấu kính

Một thấu kính hội tụ (dày ở giữa) bẻ các tia song song vào trong về một điểm gọi là tiêu điểm chính. Trục chính là đường thẳng đi qua tâm thấu kính vuông góc với mặt phẳng của thấu kính; tiêu điểm chính nằm trên trục này. Khoảng cách từ tâm thấu kính đến tiêu điểm chính là độ tiêu cự. Một thấu kính phân kỳ (mỏng ở giữa) làm tán các tia song song ra xa nhau, tưởng như chúng xuất phát từ một tiêu điểm phía bên ánh sáng tới.

Thấu kính hội tụ có thể tạo ra ảnh thật (các tia thực sự giao nhau; có thể hiển thị trên màn hình) hoặc, khi vật đặt rất gần, ảnh ảo (các tia chỉ trông giống như xuất phát từ đó). Khi đặt gần mắt, thấu kính hội tụ trở thành kính lúp.

Mô tả ảnh bằng ba cặp từ: phóng to hoặc thu nhỏ (hoặc cùng kích thước), đứng hoặc lật ngược (ngược chiều), và thật hay ảo. Vật đặt xa tiêu điểm sẽ tạo ra ảnh thu nhỏ, lật ngược, thật (như trong máy ảnh). Vật đặt giữa tiêu điểm và thấu kính tạo ra ảnh phóng to, đứng, ảo (như kính lúp).

Chỉnh sửa tầm nhìn. Người bị cận thị thấy rõ vật gần nhưng vật xa bị mờ: mắt hội tụ ánh sáng trước màng lưới (phần sau của mắt). Thấu kính phân kỳ đặt trước mắt sẽ tán tia ra trước, giúp chúng hội tụ đúng lên màng lưới. Người bị viễn thị thấy rõ vật xa nhưng vật gần bị mờ: mắt hội tụ ánh sáng sau màng lưới. Thấu kính hội tụ gom các tia lại một chút trước khi chúng đi vào mắt.

Sự tán sắc

Một prism (lăng kính) thủy tinh tách ánh sáng trắng thành các màu của quang phổ. Sự tách này được gọi là tán sắc.

Thứ tự các màu là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất và tần số thấp nhất; tím thì ngược lại. Ánh sáng có một tần số duy nhất (một màu thuần khiết) được gọi là đơn sắc.

Quang phổ điện từ là họ sóng truyền với cùng tốc độ cao trong chân không, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Sắp xếp theo thứ tự từ bước sóng dài nhất (tần số thấp nhất) đến ngắn nhất:

Di chuyển từ sóng vô tuyến sang tia gamma, tần số tăng, bước sóng giảm, và năng lượng (cũng như nguy hiểm) tăng lên. Tốc độ của sóng điện từ trong không khí gần như bằng với tốc độ trong chân không.

Vệ tinh. Giao tiếp với vệ tinh nhân tạo chủ yếu sử dụng sóng vi ba, vì chúng xuyên qua được khí quyển. Một số điện thoại vệ tinh sử dụng vệ tinh ở quỹ đạo thấp, gần Trái Đất. Các điện thoại vệ tinh khác và truyền hình vệ tinh trực tiếp sử dụng vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh, vẫn nằm cố định trên cùng một điểm trên Trái Đất.

Tín hiệu kỹ thuật số và tương tự

Sóng vô tuyến và sóng vi ba mang thông tin dưới dạng tín hiệu, và tín hiệu có thể là tương tự hoặc kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự thay đổi liên tục và có thể nhận bất kỳ giá trị nào; tín hiệu kỹ thuật số là dòng chỉ gồm hai giá trị, bật hoặc tắt (1 hoặc 0). Âm thanh có thể gửi dưới cả hai loại tín hiệu này: micro tạo ra tín hiệu tương tự, có thể chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số.

Giao tiếp hiện đại ưu tiên kỹ thuật số vì hai lý do mà đề thi yêu cầu:

• tốc độ truyền dữ liệu cao hơn;
• dải rộng hơn: tín hiệu số yếu có thể được tái tạo về dạng 1/0 chính xác, vì chỉ cần phân biệt hai mức, nên nhiễu thu được trên đường truyền sẽ bị loại bỏ. Tín hiệu tương tự không thể được làm sạch theo cách này, do đó nhiễu của nó tích tụ lại.

Âm thanh được tạo ra bởi một vật dao động. Âm là sóng dọc: không khí bị nén thành vùng nén (các hạt gần nhau) và giãn thành vùng loãng (các hạt xa nhau).

• Âm cần một môi trường (chất liệu) để lan truyền, nên không thể truyền qua chân không.
• Con người có thể nghe được tần số từ khoảng $20\ \text{Hz}$ đến $20\,000\ \text{Hz}$.
• Âm thanh truyền chậm hơn nhiều so với ánh sáng (khoảng $340\ \text{m/s}$ trong không khí), và nhanh hơn trong chất lỏng và chất rắn so với chất khí.
• Biên độ lớn hơn tạo ra âm to hơn (độ to lớn hơn); tần số cao hơn tạo ra âm cao hơn. Vì vậy, tiếng click nhanh của cá heo có âm cao, và tiếng gõ trống mạnh (dao động lớn) thì to.

Âm phản xạ gọi là vọng âm.

Đo tốc độ âm thanh. Hai học sinh đứng cách nhau một khoảng cách đã biết, ví dụ 500 m, đo bằng thước dây hoặc bánh xe đo. Một người đập hai块 gỗ vào nhau. Người kia bắt đầu đồng hồ bấm giờ khi thấy hai块 gỗ va chạm và dừng lại khi nghe tiếng động. Ánh sáng gần như即到 ngay lập tức, nên thời gian đo được là thời gian âm thanh mất, và tốc độ = quãng đường ÷ thời gian. Lặp lại và lấy giá trị trung bình để giảm sai số phản ứng. Phương pháp vọng âm chỉ cần một người: vỗ tay ở khoảng cách đã biết từ một bức tường lớn và đếm thời gian âm thanh phản xạ, nhớ rằng âm thanh đi đến đó rồi quay trở lại.

Ví dụ minh họa. Một học sinh đứng cách một bức tường lớn 85 m và vỗ tay một lần. Vọng âm trở lại sau 0,50 s. Tìm tốc độ âm thanh.

Âm thanh đi đến tường và quay lại, một quãng đường là $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, trong $0.50\ \text{s}$:

Siêu âm là âm thanh có tần số trên $20\,000\ \text{Hz}$ – quá cao để con người nghe thấy. Các ứng dụng của nó dựa trên sự phản xạ: sonar đo độ sâu nước, chụp ảnh y tế hình hóa em bé hoặc mô mềm, và kiểm tra không phá hủy tìm vết nứt bên trong kim loại mà không cần cắt mở. Giống như vọng âm, một xung siêu âm truyền đi và về, nên chia đôi tổng quãng đường để tính khoảng cách đến vật thể.

Ví dụ minh họa. Một xung sonar trở lại từ đáy biển $0.10\ \text{s}$ sau khi phát; âm thanh truyền với tốc độ $1500\ \text{m/s}$ trong nước. Xung di chuyển $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ đi và về, nên biển sâu $150/2 = 75\ \text{m}$.

• Học $v = f\lambda$ và chuẩn bị biến đổi công thức. Đo tất cả góc tới, góc phản xạ và góc khúc xạ từ pháp tuyến (đường vuông góc 90° với bề mặt), không bao giờ đo từ bề mặt trực tiếp.
• Sóng ngang dao động vuông góc với phương truyền (ánh sáng, sóng nước); sóng dọc dao động dọc theo phương truyền (âm thanh). Âm cần môi trường, nên không thể vượt qua chân không; ánh sáng thì có thể.
• Phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường quang sang môi trường quang hơn và góc trong lớn hơn góc tới giới hạn.
• Biết phổ điện từ theo thứ tự — vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại, tia X, tia gamma. Tất cả đều truyền với cùng tốc độ trong chân không; tần số và năng lượng tăng dần từ vô tuyến đến tia gamma.
• Khi đi vào môi trường quang hơn (không khí → thủy tinh) ánh sáng chậm lại và bẻ cong về phía pháp tuyến; khi ra khỏi (thủy tinh → không khí) ánh sáng nhanh lên và bẻ cong xua away pháp tuyến.