Bài 4: Sóng dừng

I. HIỆN TƯỢNG SÓNG DỪNG TRÊN DÂY

Hiện tượng xuất hiện các điểm đứng yên ở những vị trí xác định khi đang có sóng lan truyền như trên được gọi là hiện tượng sóng dừng. Khi có sóng dừng, sẽ có các điểm đứng yên xen kẽ với những điểm dao động với biên độ lớn. Những điểm đứng yên được gọi là nút sóng, những điểm chính giữa hai nút sóng là những điểm dao động với biên độ lớn nhất được gọi là bụng sóng.

Để tạo sóng dừng trên dây và timg liên hệ giữa tần số và số bụng sóng có thể làm thí nghiệm sau đây.

II. GIẢI THÍCH SỰ TẠO THÀNH SÓNG DỪNG

Để giải thích sự tạo thành sóng dừng, ta xem xét sự truyền sóng trên lò xo đàn hồi AB có đầu B được gắn cố định. Cầm đầu tự do A của lò xo đưa lên xuống để gây ra một biến dạng cho lò xo. Biến dạng này truyền dọc theo lò xo đến B thì bị đổi chiều và truyền ngược lại (Hình 4.3). Nếu đầu tự do A của lò xo dao động điều hoà thì trên lò xo xuất hiện sóng truyền từ A đến B, gọi là sóng tới. Khi đến B, dao động bị đổi chiều và truyền ngược lại tạo thành sóng phản xạ. Lúc này, mỗi điểm trên lò xo nhận được đồng thời sóng tới và sóng phản xạ.

Trong thí nghiệm với sợi dây đàn hồi ở trên, mỗi điểm trên dây cũng sẽ nhận được đồng thời sóng tới từ đầu A dao động theo cần rung và sóng phản xạ từ đầu B cố định. Hai sóng này cùng tần số, cùng biên độ nên xảy ra hiện tượng giao thoa và sóng tổng hợp tạo ra tại mỗi điểm trên dây có thể được mô tả như trên Hình 4.4.

Có thể thấy trên dây những điểm xác định đứng yên do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó ngược pha nên triệt tiêu lẫn nhau. Đó là vị trí các nút sóng. Chính giữa hai nút sóng liên tiếp là vị trí bụng sóng nên khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng gần nhất bằng một phần tư bước sóng. Bụng sóng dao động với biên độ lớn nhất do sóng tới và sóng phản xạ ở điểm đó đồng pha nên tăng cường lẫn nhau.

Trong thực tế, tại mỗi điểm trên dây có thể nhận được nhiều sóng phản xạ. Nếu các sóng phản xạ này đồng pha thì sẽ làm cho biên độ tại bụng sóng lớn gấp nhiều lần biên độ của sóng tới, cũng là biên độ dao động của đầu dây gắn với cần rung.

Đối với sợi dây có hai đầu cố định hoặc một đầu cố định và một đầu dao động với biên độ nhỏ như trường hợp ta đang xét, để quan sát được sóng dừng trên dây thì hai đầu dây phải tương ứng với hai nút sóng. Do đó, độ dài dây sẽ bằng một số nguyên lần nửa bước sóng của sóng lan truyền trên dây :

\(L=k\dfrac{\lambda}{2}\) với \(k=\) 1, 2, 3,....

Đối với dây có một đầu tự do (Hình 4.5) thì đầu tự do sẽ là một bụng sóng. Khi đó, để quan sát được sóng dừng trên dây thì độ dài dây sẽ phải đáp ứng điều kiện :

\(L=\left(2k+1\right)\dfrac{\lambda}{4}\) với \(k=\) 0, 1, 2,....

III. ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM

Sóng dừng là một trường hợp của giao thoa sóng. Vì thế, ta không chỉ thấy sóng dừng trên dây đàn hồi mà còn quan sát được hiện tượng này ở các sóng khác. Khi một âm thanh có tần số cố định \(f\) phát ra và bị phản xạ lại, âm phản xạ sẽ kết hợp với âm đến và có thể xảy ra hiện tượng sóng dừng. Tại các bụng sóng, âm thanh nghe được sẽ to nhất, tại các nút sóng, âm thanh nghe được sẽ nhỏ nhất. Hiện tượng này được ứng dụng để đo tốc độ truyền âm trong không khí như thí nghiệm sau đây.

Các phép đo có độ chính xác cao do được tốc độ truyền âm trong không khí là 342,2 m/s ở mực nước biển, tại nhiệt độ 20 °C và áp suất tiêu chuẩn 1 atm.