Giao thoa sóng là gì? Hiện tượng giao thoa sóng xảy ra khi?

1. Định nghĩa về giao thoa sóng:

Giao thoa sóng là hiện tượng sự tổng hợp của 2 sóng kết hợp trong một không gian, trong đó có những chỗ biên độ sóng bị giảm bớt hoặc được tăng cường. Điều kiện để có hiện tượng giao thoa sóng là hai sóng phải là hai sóng kết hợp. Hai sóng kết hợp là hai sóng có cùng phương, cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian.

Giao thoa sóng có thể xảy ra với các loại sóng khác nhau, như sóng cơ, sóng điện từ, sóng âm thanh, sóng ánh sáng…

2. Điều kiện giao thoa sóng:

Để có hiện tượng giao thoa sóng, điều kiện cần là phải có sự kết hợp từ hai nguồn sóng có cùng tần số và có hiệu số pha không đổi theo thời gian. Khi hai sóng gặp nhau, dao động của môi trường sẽ chính là dao động tổng hợp của các dao động thành phần từ các sóng tới riêng biệt, mà nói theo ngôn ngữ của vật lý sóng sẽ là tổng của các véctơ sóng. Nhờ sự tổng cộng dao động này mà trong không gian có thể tạo ra các điểm có dao động được tăng cường (khi các sóng thành phần đồng pha) hoặc bị dập tắt (khi các sóng thành phần có pha ngược nhau) tùy thuộc vào tương quan pha giữa các sóng. Điều này tạo ra một hình ảnh giao thoa khác với hình ảnh của từng sóng thành phần, được tạo ra bởi chính tập hợp các điểm có sự giao thoa tăng cường hoặc dập tắt. Hình ảnh này sẽ là một hình ảnh ổn định khi các sóng thành phần là các sóng kết hợp.

3. Hiện tượng và thí nghiệm giao thoa sóng:

Thí nghiệm giao thoa sóng là một thí nghiệm vật lý cổ điển, được thực hiện bởi nhà vật lý người Anh Thomas Young vào năm 1803, để chứng minh tính chất sóng của ánh sáng. Trong thí nghiệm này, ánh sáng được chiếu qua hai khe hẹp cách nhau một khoảng d nhỏ, tạo ra hai nguồn sóng pha tuyến tính. Hai nguồn sóng này sẽ giao thoa với nhau trên một màn ảnh đặt cách xa hai khe, tạo ra một hình ảnh giao thoa gồm các vân sáng và tối xen kẽ nhau. Các vân sáng là nơi có cực đại giao thoa, tức là hai sóng cùng pha và cộng gộp với nhau. Các vân tối là nơi có cực tiểu giao thoa, tức là hai sóng ngược pha và triệt tiêu nhau. Khoảng cách giữa hai vân sáng liền kề hay hai vân tối liền kề được gọi là khoảng cách giao thoa x, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng λ, khoảng cách giữa hai khe d và khoảng cách từ hai khe đến màn ảnh L theo công thức:

x = λL/d

Thí nghiệm giao thoa sóng không chỉ áp dụng cho ánh sáng mà còn cho các loại sóng khác như sóng âm, sóng điện từ hay sóng nước. Thí nghiệm giao thoa sóng nước có thể được thực hiện bằng cách dùng hai viên bi nhỏ gắn vào một thanh dao động và chạm vào mặt nước. Khi thanh dao động, hai viên bi sẽ tạo ra hai hệ sóng tròn lan truyền trên mặt nước và giao thoa với nhau. Các điểm có dao động mạnh nhất là nơi có cực đại giao thoa, các điểm có dao động yếu nhất là nơi có cực tiểu giao thoa.

Thí nghiệm giao thoa sóng cho ta biết rằng ánh sáng và các loại sóng khác có tính chất chồng chập, tức là khi hai hoặc nhiều sóng gặp nhau, dao động của môi trường là tổng của các dao động thành phần. Thí nghiệm này cũng giúp ta xác định bước sóng của ánh sáng hay các loại sóng khác dựa vào hình ảnh giao thoa thu được.

4. Phương trình giao thoa sóng:

Phương trình giao thoa sóng là phương trình biểu diễn biên độ sóng tổng hợp tại một điểm trong không gian do hai hoặc nhiều nguồn sóng kết hợp tạo ra.

Một ví dụ về giao thoa sóng là giao thoa sóng trên mặt nước. Khi hai nguồn sóng tròn lan truyền trên mặt nước gặp nhau, ta sẽ quan sát được những điểm mà tại đó nước dao động mạnh (biên độ lớn) và những điểm mà tại đó nước yên lặng (biên độ bằng không). Những điểm này được gọi là vân giao thoa.

Để tính toán phương trình giao thoa sóng, ta cần biết phương trình của hai nguồn sóng kết hợp. Giả sử hai nguồn S1 và S2 phát ra hai sóng có cùng tần số f, biên độ A và độ lệch pha φ. Phương trình của hai sóng này là:

u1 = Acos(2πft + φ1)

u2 = Acos(2πft + φ2)

Phương trình của sóng tổng hợp tại một điểm M cách S1 là d1 và cách S2 là d2 là:

uM = u1 + u2

Sử dụng công thức cô sin của tổng, ta có:

uM = 2Acos[π(d2 - d1)/λ]cos[2πft - π(d1 + d2)/λ + (φ1 + φ2)/2]

- Trong đó λ là bước sóng của hai nguồn.

- Biên độ của sóng tổng hợp tại M là:

AM = 2Acos[π(d2 - d1)/λ]

- Độ lệch pha của sóng tổng hợp tại M so với nguồn S1 là:

φM = - π(d1 + d2)/λ + (φ1 + φ2)/2

5. Tổng hợp dạng bài tập có lời giải về giao thoa sóng:

Các dạng bài tập giao thoa sóng thường gặp trong Vật lý lớp 12 có thể được phân loại như sau:

- Dạng 1: Viết phương trình giao thoa sóng, tìm biên độ sóng tại một điểm. Phương pháp giải dạng này là cho phương trình sóng ở hai nguồn, tính toán các đại lượng và thay vào phương trình giao thoa sóng để tìm biên độ và pha ban đầu tại điểm cần tìm.

Ví dụ 1: Cho 2 nguồn kết hợp A và B dao động phương thẳng đứng có PT uA = uB = 2cos20 x số pi x t (mm), tốc độ truyền sóng 30cm/s. Biên độ sóng không đổi khi sóng truyền đi. Điểm M ở mặt nước cách hai nguồn lần lượt là bao nhiêu?

Lời giải:

Ví dụ 2: Cho 2 điểm A và B trong môi trường truyền sóng với 2 nguồn phát sóng kết hợp PT uB = 8cos(20 x số pi x t + số pi) (mm), uA = 8cos20 x số pi x t (mm). Giữa khoảng A và B có giao thoa sóng. Hỏi phần tử vật chất tại trung điểm AB dao động với biên độ bao nhiêu?

Lời giải:

- Dạng 2: Xác định số điểm dao động với biên độ cực đại, cực tiểu giữa hai nguồn hoặc giữa hai điểm bất kỳ. Phương pháp giải dạng này là dựa vào công thức tính số cực đại, cực tiểu theo khoảng cách giữa hai nguồn và li độ của sóng.

Ví dụ : Hai nguồn sáng A và B giống nhau trên mặt chất lỏng cách nhau 16 cm dao động theo PT uA = uB = 5cos980 x số pi x t + số pi/2) (cm/s), lan truyền trong môi trường với tốc độ v = 1,2 m/s. Tìm số cực tiểu, cực đại trên đoạn thẳng nối hai nguồn.

Lời giải:

Ta có 2 nguồn A và B giống hệt nhau nên chúng cùng pha với nhau

→ kA = 5,3; kB = -5,3

→ k = {-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}

→ Có 11 cực đại trên đoạn AB.

→ kA = 4,8; kB = -5,3

→ k = {-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}

→ Có 10 cực tiểu trên đoạn AB.

- Dạng 3: Xác định vị trí, số điểm dao động cùng pha, ngược pha với nguồn trong miền giao thoa. Phương pháp giải dạng này là dựa vào công thức tính khoảng cách từ điểm cần xét đến hai nguồn để xác định pha của sóng tại điểm đó.

- Dạng 4: Xác định biên độ, li độ, vận tốc, gia tốc trong miền giao thoa. Phương pháp giải dạng này là dựa vào công thức tính các đại lượng của sóng giao thoa theo các đại lượng của hai sóng gốc.

- Dạng 5: Giải các bài toán về giao thoa sóng có tính chất đặc biệt, như điểm M là trung điểm giữa hai nguồn, hai nguồn cùng pha hoặc ngược pha, v.v. Phương pháp giải dạng này là dựa vào các tính chất của giao thoa để xác định biên độ và pha của sóng tại điểm M.

Ví dụ: cho 2 nguồn phát sóng kết hợp S1,S2 cách nhau 20 cm. Cả 2 nguồn dao động với PT u2 = 5 cos(40 x số pi x t + số pi), u1 = 5cos40 x số pi x t (mm) và có tốc độ truyền sóng 80 cm/s. Tính số điểm dao động trên S1S2?

Lời giải:

6. Ứng dụng của giao thoa sóng trong thực tế:

Giao thoa sóng có nhiều ứng dụng trong thực tế, như sau:

- Quang phổ học: Giao thoa sóng ánh sáng được sử dụng để phân tích và xác định thành phần cấu trúc của vật chất. Ví dụ, gương giao thoa Michelson là một thiết bị quang phổ học dùng để đo chính xác độ dài sóng của ánh sáng. - Âm nhạc: Giao thoa sóng âm được sử dụng trong các nhạc cụ và hệ thống âm thanh. Ví dụ, đàn guitar sử dụng hiệu ứng giao thoa để tạo ra các âm thanh khác nhau khi chơi các nốt nhạc. - Xạ quang: Giao thoa sóng ánh sáng là nguyên tắc cơ bản trong các loại kính hiển vi, ống kính máy ảnh và các thiết bị quang học khác. Ví dụ, kính hiển vi giao thoa là một loại kính hiển vi dùng để quan sát các chi tiết nhỏ của vật thể bằng cách tạo ra các màu sắc khác nhau từ giao thoa ánh sáng. - Máy làm sóng: Một ứng dụng thực tế của giao thoa sóng trên mặt nước là việc tạo ra các máy làm sóng. Các máy này tạo ra các gợn sóng đồng nhất trên mặt nước để tạo ra hiệu ứng thẩm mỹ, như trong các hồ cảnh quan.

Trên đây là một số ứng dụng của giao thoa sóng trong thực tế. Hi vọng bạn đã có được một cái nhìn tổng quan về chủ đề này.