Phương trình sóng tổng hợp tại một điểm khi có giao thoa
Lý thuyết giao thoa sóng, khảo sát sự giao thoa từ 2 nguồn sóng kết hợp cùng biên độ, hiện tượng nhiễu xạ sóng, 8 dạng bài thường gặp.
Ở bài trước, ta đã tìm hiểu về bài sóng cơ và sự truyền sóng cơ. Hôm nay, ta sẽ tiếp tục một bài về sóng cơ nữa, đó là giao thoa sóng. Vậy giao thoa sóng là gì? Có các công thức vật lý như thế nào? Làm sao để giải các bài toán về giao thoa sóng? Bài viết này sẽ giúp các bạn trả lời được tất tần tật các nội dung đó. Thế thì còn đợi gì nữa, mau cùng HocThatGioi bắt đầu bài học ngay nào! Quan sát hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước, ta quan sát thấy:
Giao thoa sóng là sự tổng hợp của hai sóng kết hợp trong không gian, trong đó có những chỗ biên độ sóng được tăng cường hay bị giảm bớt. Điều kiện để có giao thoa: Do hai nguồn kết hợp tạo ra. Hai nguồn kết hợp là hai nguồn có cùng tần số và có hiệu số pha không đổi theo thời gian. Xét điểm M cách hai nguồn lần lượt d_1, d_2; u_1= Acos(2πft + Φ_1) và u_2 = Acos(2πft + Φ_2) Phương trình sóng tại M do hai sóng từ hai nguồn truyền tới:
u_M=u_{1M} +u_{2M}; =2Acos[ \frac{d_2-d_1}{ \lambda}-\frac{\Delta \varphi}{2}] cos[ 2 \pi f t- \pi \frac{d_1+d_2}{\lambda}+\frac{ \varphi _1+\varphi_2}{x}]; A_M=2A|cos(\pi \frac{d_2-d_1}{\lambda}-\frac{\Delta \varphi}{2})|; với \Delta \varphi = \varphi_2- \varphi_1 Những điểm có biên độ cực đại: AM = 2A (2 sóng từ 2 nguồn cùng pha nhau tại M) Những điểm có biên độ cực tiểu: (2 sóng từ 2 nguồn ngược pha nhau tại M) (k = 0, ± 1, ± 2,… là thứ tự các tập hợp điểm đứng yên kể từ M_0 , k = 0 là tập hợp điểm đứng yên thứ 1) (∆φ = φ_2 – φ_1 = 0 hoặc = 2kπ). Thay φ_1 = φ_2= φ vào các phương trình trên ta được: Phương trình giao thoa sóng tại M: u_M=u_{1M}+u_{2M}=2A cos(\pi \frac{d_2-d_1}{\lambda})cos(2 \pi f t - \pi \frac{d_1+d_2}{\lambda} +\varphi); Biên độ sóng tổng hợp: A_{Mmax}= 2A khi: Hai sóng thành phần tại M cùng pha nhau ∆ φ_{M_1/M_2} = 2kπ (k∈Z). Khi đó hiệu đường đi: ∆d = d_2 – d_1 = kλ AM min = 0 khi:
Tìm số điểm dao động cực đại trên đoạn S_1S_2: d_1 – d_2 = kλ(k ∈ Z) ; Số điểm cực đại: \frac{-S_1S_2}{λ} ≤ k ≤\frac{ S_1S_2}{λ} Tìm số điểm dao động cực tiểu trên đoạn S_1S_2: d_1 – d_2 = (2k + 1)λ/2 (k ∈ Z) Số điểm cực tiểu: \frac{-S_1S_2}{λ}-\frac{1}{2} ≤ k ≤ \frac{ S_1S_2}{λ}-\frac{1}{2} Khi hai nguồn dao động cùng pha và cùng biên độ A thì trung điểm của S_1S_2 có biên độ cực đại A_{max} = 2A và tập hợp các điểm cực tiểu và cực đại là họ các đường Hypecbol có S_1, S_2 là tiêu điểm. (∆φ = φ_2 – φ_1 = π) Phương trình giao thoa sóng tại M: Biên độ sóng tổng hợp:
Điểm dao động cực đại: d_2 – d_1 = (k + 1/2)λ (k∈Z) Số đường hoặc số điểm dao động cực đại (không tính hai nguồn) trên đoạn S_1S_2: -S_1S_2/λ - 1/2 ≤ k ≤ S_1S_2/λ - 1/2Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d_2 – d_1 = kl (k∈Z)Số đường hoặc số điểm dao động cực tiểu (không tính hai nguồn) trên đoạn S_1S_2: -S_1S_2/λ ≤ k ≤ S_1S_2/λVậy khi hai nguồn dao động cùng biên độ A và ngược pha thì trung điểm của S_1S_2 có biên độ cực tiểu A{min}=0. (∆φ = φ_2 – φ_1 = π/2)Phương trình giao thoa sóng tại M: Biên độ sóng tổng hợp:
Điểm dao động cực đại: d_2 – d_1= (k + 1/4)λ (k∈Z) Số đường hoặc số điểm dao động cực đại trên đoạn S_1S_2 : -S_1S_2/λ-1/4 ≤ k ≤ S_1S_2/λ-1/4Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d_2– d_1 = (k + 3/4)λ (k∈Z) Số đường hoặc số điểm dao động cực tiểu trên đoạn S_1S_2: -S_1S_2/λ-3/4 ≤ k ≤ S_1S_2/λ-3/4Vậy khi hai nguồn dao động cùng biên độ A và vuông pha thì trung điểm của S_1S_2 có biên độ bằng A_M = A \sqrt{2} . Hai nguồn cùng tần số, khác biên độ, khác pha ban đầu. Phương trình sóng tại 2 nguồn: u_1 = A_1cos(2πft + φ_1) và u_2 = A_2cos(2πft + φ_2)Phương trình sóng tại M do hai sóng từ hai nguồn truyền tới: Phương trình giao thoa sóng tại M: Sử dụng phương pháp tổng hợp hai dao động điều hòa bằng vectơ quay, ta xác định được: u_M = u{1M} + u{2M} = A_M cos (2πft + φ_M)Trong đó: ∆φ là độ lệch pha của hai dao động sóng tới tại M: ∆φ = φ_2 - φ_1 = 2π. (d_2-d_1)/λ → │A_1 – A_2│ ≤ AM ≤ A_1 + A_2 + Điểm M dao động với biên độ cực đại AM = A_1+ A_2 khi và chỉ khi dao động sóng từ hai nguồn tới M đồng pha với nhau: ∆φ = 2kπ + Điểm M dao động với biên độ cực tiểu AM = │A_1 – A_2│ khi và chỉ khi dao động sóng từ hai nguồn tới M ngược pha với nhau: ∆φ = (2k + 1)π + Tổng quát: Điểm M dao động với biên độ bất kỳ AM khi và chỉ khi dao động sóng từ hai nguồn tới M lệch pha với nhau: ∆φ = ± α + 2kπ với α thỏa mãn Nhiễu xạ là hiện tượng sóng bị bẻ cong khỏi phương truyền thẳng khi đi qua gần mép vật cản.
Nhiễu xạ chỉ trở nên dễ quan sát khi kích thước vật cản không vượt quá bước sóng vài chục hoặc vài trăm lần. Vật cản ở đây có thể là khe, lỗ, tường, cột.. Nếu vật cản có kích thước quá lớn, lớn hơn bước sóng tầm nghìn lần trở lên, hiệu ứng nhiễu xạ sẽ trở nên khó quan sát và chúng ta thấy gần như chúng truyền thẳng. Ví dụ: Sóng nước là trường hợp dễ quan sát hiện tượng nhiễu xạ nhất.:
Bài viết khác liên quan đến sóng cơ và sóng âm |