Trong bài viết này, gồm có 2 phần : Tóm tắt lý thuyết và Ví dụ mẫu cho từng dạng bài tập Sóng cơ giúp cho các bạn làm chủ kiến thức cơ bản và chinh phục thành công kì thi THPT quốc gia sắp tới.
- HCV2020> Vật lí LTĐH: Âm sắc của một âm là đặc trưng sinh lí tương ứng với đặc trưng vật lí nào?
- hcv2020> Vật lí: Cho mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện với C = 1/10000π (F), đặt vào hai đầu mạch điện một hiệu điện thế u = 220⇃2 cos100πt (V). Biểu thức của dòng điện i trong mạch là bao nhiêu?
- hcv2020>Vật lí 12 LTĐH | Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc nào?
- hcv2020>Vật lí: Đoạn mạch có R, L, C mắc nối tiếp có R = 40Ω , ZC = 20Ω, ZL = 60Ω, đặt vào hai đầu đoạn mạch điện áp có biểu thức u = 120⇃2.cos100πt (V). Tính Cường độ dòng điện tức thời trong mạch
1. Sóng cơ
dần. Thả nhẹ một mẩu giấy xuống mặt nước, ta thấy nó nhấp nhô theo sóng nhưng không bị đẩy ra xa. Ta nói, đã có sóng trên mặt nước và O là một nguồn sóng.
Các phần tử vật chất của môi trường mà sóng truyền qua chi dao động xung quanh vị trí cân bằng.
Sóng ngang:
Là sóng cơ trong đó phương dao động (của chất điểm ta đang xét) với phương truyền sóng.
Chỉ truyền được trong chất rắn và trên mặt thoáng của chất lỏng.
Sóng dọc:
Là sóng cơ trong đó phương dao động // (hoặc trùng) với phương truyền sóng.
Truyền được cả trong chất khí, chất lỏng và chất rắn.
Sóng cơ không truyền được trong chân không.
2. Sự truyền sóng cơ
a. Các đặc trưng của một sóng hình sin
Biên độ A của sóng là biên độ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua.
Chu kì T của sóng là chu kì dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua. Tần số của sóng f = 1/T.
Tốc độ truyền sóng là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường . Đối với mỗi môi trường, tốc độ truyền sóng có một giá trị không đổi.
Bước sóng λ là quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kì λ = vT = v/f. Hai phần tử cách nhau một bước sóng thì dao động đồng pha với nhau. Hai phần tử cách nhau một nửa bước sóng thì dao động ngược pha với nhau.
Năng lượng sóng: là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường mà sóng truyền qua.
B. Phương trình sóng
Giả sử phương trình dao động của đầu O của dây là: u0 = Acosωt.
Điểm M cách O một khoảng λ. Sóng từ O truyền đến M mất khoảng thời gian Δt = x/v. Phương trình dao động của M là: uM = Acosω(t – Δt)
. Với
Phương trình trên là phương trình sóng của một sóng hình sin theo trục x (sóng truyền theo chiều dương thì lấy dấu trừ trước x, còn theo chiều âm thì lấy dấu + trước x)
Phương trình sóng là một hàm vừa tuần hoàn theo thời gian, vừa tuần hoàn theo không gian.
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN
1. Bài toán liên quan đến sự truyền sóng.
2. Bài toán liên quan đến phương trình sóng.
DẠNG BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN SỰ TRUYỀN SÓNG
* Cùng pha: (k là số nguyên)
* Ngược pha: (k là số nguyên)
* Vuông pha: (k là số nguyên)
Hướng dẫn
* Bước sóng: 2 = 8 ô;
* Khoảng cách hai vị trí cân bằng của O và M là d = 3ô = 32/8 nên chúng dao động lệch pha nhau: Chọn D.
Ví dụ 2: Trong môi trường đàn hồi có một sóng cơ có tần số 10 Hz, tốc độ truyền sóng là 40 cm/s. Hai điểm M và N trên phương truyền sóng dao động cùng pha nhau, giữa chúng chỉ có 2 điểm khác dao động ngược pha với M. Khoảng cách MN là
A. 8,75 cm. B. 10,50 cm. C. 8,00 cm. D. 12,25 cm.
Hướng dẫn
Hai điểm M, N dao động cùng pha nên: MN = λ; 2λ; 3λ... Nhưng giữa chúng chỉ có 2 điểm dao động ngược pha với M nên bắt buộc: MN = 2λ hay
Chọn C.
Ví dụ 3: Trong môi trường đàn hồi có một sóng cơ có tần số 50 Hz, tốc độ truyền sóng là 175 cm/s. Hai điểm M và N trên phương truyền sóng dao động ngược pha nhau, giữa chúng chỉ có 2 điểm khác cũng dao động ngược pha với M. Khoảng cách MN là:
A. 8,75 cm. B. 10,5 cm. C. 7,0 cm. D. 12,25 cm.
Hướng dẫn
Hai điểm M, N dao động ngược pha nên: MN = 0,5λ.; 1,5λ,; 2,5λ... Nhưng giữa chúng chỉ có 2 điểm khác dao động ngược pha với M nên bắt buộc: MN = 2,5λ = 2,5 = 8,75 (cm) => Chọn A.
Ví dụ 4: Trong môi trường đàn hồi có một sóng cơ có tần số 10 Hz, tốc độ truyền sóng là 40 cm/s. Hai điểm M và N trên phương truyền sóng dao động cùng pha nhau, giữa chúng chỉ có 2 điểm E và F. Biết rằng, khi E hoặc F có tốc độ dao động cực đại thì tại M tốc độ dao động cực tiểu. Khoảng cách MN là:
A. 4,0 cm. B. 6,0 cm. C. 8,0 cm. D. 4,5 cm.
Hướng dẫn
Hai điểm M, N dao động cùng pha nên: MN = λ, 2λ, 3λ... Nhưng giữa chúng chỉ có 2 điểm dao động vuông pha với M nên bắt buộc: MN = λ hay Chọn A.
Ví dụ 5: Hai điểm A, B cùng phương truyền sóng, cách nhau 24 cm. Trên đoạn AB có 3 điểm A1, A2, A3 dao động cùng pha với A, và ba điểm B1, B2, B3 dao động cùng pha với B. Sóng truyền theo thứ tự A, B1, A1, B2, A2, B3, A3, B và A3B = 3 cm. Tìm bước sóng.
A. 7,0 cm. B. 7,0 cm. C. 3,0 cm. D. 9,0 cm.
Hướng dẫn
Chọn B.
Ví dụ 6: Một sóng ngang truyền trên một sợi dây rất dài. Hai điểm PQ = 5λ/4 sóng truyền từ P đến Q. Những kết luận nào sau đây đúng?
A. Khi Q có li độ cực đại thì P có vận tốc cực đại.
B. Li độ P, Q luôn trái dấu.
C. Khi P có li độ cực đại thì Q có vận tốc cực đại.
D. Khi P có thế năng cực đại thì Q có thế năng cực tiểu (chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng)..
Hướng dẫn
Từ hình vẽ này, suy ra A và B sai.
Vì sóng truyền từ P đến Q nên khi P có li độ cực đại thì Q có vận tốc cực đại => C đúng.
Hai điểm P, Q vuông pha nhau nên khi P có thế năng cực đại (P ở vị trí biên) thì Q có thế năng cực tiểu (Q ở vị trí cân bằng) => D đúng.
Ví dụ 7: Một sóng ngang có chu kì T = 0,2 s truyền trong một môi trường đàn hồi có tốc độ 1 m/s. Xét trên phương truyền sóng Ox, vào một thời điểm nào đó một điểm M nằm tại đỉnh sóng thì ở sau M theo chiều truyền sóng, cách M một khoảng từ 42 đến 60 cm có điểm N đang từ vị trí cân bằng đi lên đỉnh sóng. Khoảng cách MN là:
A. 50 cm. B. 55 cm. C. 52 cm. D. 45 cm.
Hướng dẫn
Cách 1:
Hiện tại M ở biên dương và N qua VTCB theo chiều dương (xem trên vòng tròn lượng giác, M sớm pha hơn nên M chạy trước):
Dao động tại N trễ pha hơn dao động tại M một góc là:
Từ (1) và (2) suy ra: k = 2.
Do đó: Chọn D.
Cách 2:
Bước sóng: λ = vT = 100.0,2 = 20 cm.
Vì 42 cm ≤ MN ≤ 60 cm nên 2,2λ ≤ MN ≤ 3λ.
Từ hình vẽ suy ra: MN = 2λ + 0,25λ = 45 cm.
Chú ý: Giả sử sóng ngang truyền dọc theo chiều Ox. Lúc t = 0 sóng mới truyền đến O và làm cho điểm O bắt đầu đi lên.
Đến thời điểm t = OM/v sóng mới truyền đến Mvà làm cho M bắt đầu đi lên.
Đến thời điểm t = OM/v + T/4 điểm M bắt đầu lên đến vị trí cao nhất.
Đến thời điểm t = OM/v + T/4 + T/2 điểm M bắt đầu lên đến vị trí thấp nhất.
Ví dụ 8: Lúc t = 0 đầu O của dây cao su căng thăng nằm ngang bắt đầu dao động đi lên với chu kì 2 s, tạo thành sóng ngang lan truyền trên dây với tốc độ 2 cm/s. Điểm M trên dây cách O một khoảng 1,6 cm. Thời điểm đầu tiên để M đến điểm thấp nhất là
A. 1,5 s. B. 2,2 s. C. 0,25s. D. 2,3 s.
Hướng dẫn
Khi t = 0 điểm O mới bắt đầu dao động đi lên thì sau thời gian OM/v sóng mới truyền đến M và M bắt đầu dao động đi lên, sau đó một khoảng thời gian T/4 điểm M mới đến vị trí cao nhất và tiếp theo khoảng thời gian T/2 nữa thì nó xuống đến vị trí thấp nhất. Thời điểm đầu tiên để M đến điểm thấp nhất: Chọn D.
A. 1,33 s. B. 2,2 s. C. 1,83 s. D. 1,93 s.
Hướng dẫn
Khi t = 0 điểm O mới bắt đầu dao động đi lên thì sau thời gian OM/v sóng mới truyền đến M và M bắt đầu dao động đi lên, sau đó một khoảng thời gian T/2 điểm M trở về vị trí cân bằng và tiếp theo khoảng thời gian nữa thì nó xuống đến điểm N. Thời điểm đầu tiên để M đến điểm N:
Chọn D.
Ví dụ 10: Sóng ngang lan truyền trên sợi dây qua điểm O rồi mới đến điểm M, biên độ sóng 6 cm và chu kì sóng 2 s. Tại thời điểm t = 0, sóng mới truyền đến O và O bắt đầu dao động đi lên. Biết hai điểm gần nhau nhất trên dây dao động ngược pha cách nhau 3 cm. Coi biên độ dao động không đổi. Tính thời điểm đầu tiên để điểm M cách O đoạn 3 cm lên đến điểm có độ cao cm.
A. 7/6 s. B. 1 s. C. 4/3 s. D. 1,5 s.
Hướng dẫn
Sau thời gian sóng mới truyền đến M.
Để M đến li độ: cần thời gian
Chú ý:
Khoảng thời gian giữa n lần liên tiếp một chiếc phao nhô lên cao nhất:
Khoảng thời gian giữa n lần liên tiếp sóng đập vào bờ: Δt = (n− 1)T.
Khoảng cách giữa m đỉnh sóng liên tiếp: Δx = (m − 1)λ.
Nếu trong thời gian Δt sóng truyền được quãng đường ΔS thì tốc độ truyền sóng:
v =Δ s/Δt.
Ví dụ 11: Một người quan sát thấy một cánh hoa trên hồ nước nhô lên 10 lần trong khoảng thời gian 36 s. Khoảng cách giữa ba đỉnh sóng kế tiếp là 24 m. Tính tốc độ truyền sóng trên mặt hồ.
A. 3 m/s. B. 3,32 m/s. C. 3,76 m/s. D. 6,0 m/s.
Hướng dẫn
Chọn A.
Ví dụ 12: Người ta gây một chấn động ở đầu O một dây cao su căng thẳng làm tạo nên một dao động theo phương vuông góc với vị trí bình thường của dây, với chu kỳ 1,6 s. Sau 3 giây chuyển động truyền được 15 m dọc theo dây. Tìm bước sóng của sóng tạo thành truyền trên dây.
A. 9m. B. 6,4 m. C. 4,5 m. D. 8 m.
Hướng dẫn
Chọn D.
Ví dụ 13: (ĐH−2010) Tại một điểm trên mặt chất lỏng có một nguồn dao động với tần số 120 Hz, tạo ra sóng ổn định trên mặt chất lỏng, xét 5 gợn lồi liên tiếp trên một phương truyền sóng, ở về một phía so với nguồn, gợn thứ nhất cách gợn thứ năm 0,5 m. Tốc độ truyền sóng là
A. 12m/s. B. 15 m/s. C. 30 m/s. D. 25 m/s.
Hướng dẫn
Chọn B
Chú ý:
Khoảng thời gian hai lần liên tiếp một điểm đi qua vị trí cân bằng là T/2 nên khoảng thời gian n lần liên tiếp một điểm đi qua vị trị cân bằng là (n − l)T/2.
Khoảng thời gian ngắn nhất một điểm đi từ vị trí cân bằng (tốc độ dao động cực đại) đến vị trí biên (tốc độ dao động bằng 0) là T/4.
Ví dụ 14: Một sóng có tần số góc 110 rad/s truyền qua hai điểm M và N trên phương truyền sóng cách nhau gần nhất 0,45 m sao cho khi M qua vị trí cân bằng thì N ở vị trí có tốc độ dao động bằng 0. Tính tốc độ truyền sóng.
A. 31,5 m/s. B. 3,32 m/s. C. 3,76 m/s. D. 6,0 m/s.
Hướng dẫn
Hai điểm M và N gần nhất dao động vuông pha nên = 0,45 ( m )
Chọn A.
Ví dụ 15: Một nguồn phát sóng dao động theo phương trình u = acosπt (cm) với t tính bằng miligiây. Trong khoảng thời gian 0,2 s sóng này truyền đi được quãng đường bằng bao nhiêu lần bước sóng?
A. 40. B. 100. C. 0,1. D. 30.
Hướng dẫn
Chọn B
Chú ý: Trong quá trình truyền sóng, trạng thái dao động được truyền đi còn các phần từ vật chất dao động tại chỗ. Cần phân biệt quãng đường truyền sóng và quãng đường dao động:
Quãng đường dao động : S = n.2A + Sthêm tthêm.
Quãng đường truyền sóng : ΔS = v. Δt
Ví dụ 16: Một sóng cơ lan truyền trong một môi trường với tốc độ 1 m/s và tần số 10 Hz, biên độ sóng không đổi là 4 cm. Khi phần tử vật chất nhất định của môi trường đi được quãng đường 8 cm thì sóng truyền thêm được quãng đường
A. 4 cm. B. 10 cm. C. 8 cm. D. 5 cm.
Hướng dẫn
Quãng đường dao động: S = 8(cm) = 2A
Quãng đường truyền sóng: ΔS = v. Δt = 1. = 0,05(m) = 5(cm) => Chọn D.
Ví dụ 17: Một sóng cơ lan truyền trong một môi trường với tốc độ 1 m/s và tần số 10 Hz, biên độ sóng không đổi là 4 cm. Khi phần tử vật chất nhất định của môi trường đi được quãng đường S thì sóng truyền thêm được quãng đường 25 cm. Giá trị S bằng
A. 24 cm. B. 25 cm. C. 56 cm. D. 40 cm.
Hướng dẫn
Quãng đường truyền sóng:
Quãng đường dao động: Chọn D.
Chú ý: Phân biệt tốc độ truyền sóng và tốc độ dao động cực đại:
Ví dụ 18: Một sóng cơ học có biên độ không đổi A, bước sóng λ. Vận tốc dao động cực đại của phần tử môi trường bằng 4 lần tốc độ truyền sóng khi:
A. λ = πA. B. λ = 2πA. C. λ = πA/2. D. λ = πA/4.
Hướng dẫn
Chọn C
Ví dụ 19: Một sóng cơ truyền dọc theo một sợi dây đàn hồi rất dài với biên độ 8 mm. Tại một thời điểm, hai phần tử trên dây cùng lệch khỏi vị trí cân bằng 4 mm, chuyển động ngược chiều và cách nhau một khoảng ngắn nhất là 7 cm (tính theo phương truyền sóng). Gọi là tỉ số của tốc độ dao động cực đại của một phần từ trên dây với tốc độ truyền sóng, gần giá trị nào nhất sau đây?
A. 0,105. B. 0,179. C. 0,239. D. 0,314.
Hướng dẫn
Hai phần tử gần nhau nhất có độ lớn li độ A/2 chuyển động ngược chiều nhau cách nhau
.
Tốc độ truyền sóng trên dây và tốc độ dao động cực đại của phần tử trên dây lần lượt là:
Chọn C.
Ví dụ 20: Khoảng cách giữa hai ngọn sóng liên tiếp là 5 (m). Một thuyền máy đi ngược chiều sóng thì tần số va chạm của sóng vào thuyền là 4 Hz. Nếu đi xuôi chiều thì tần số và chạm là 2 Hz. Biết tốc độ của sóng lớn hơn tốc độ của thuyền. Tốc độ của sóng là
A. 5 m/s. B. 14 m/s. C. 13 m/s. D. 15 m/s.
Hướng dẫn
Gọi v là vận tốc của sóng đối với thuyền thì tần số va chạm của sóng vào thuyền:
f = v/λ
Khi đi ngược chiều thì v = vs + vt và khi đi xuôi chiều thì :
Chọn D.
Chú ý: Sóng cơ lan truyền trên sợi dây dài với chu kỳ
Người ta chiếu sáng sợi dây bằng đèn nhấp nháy với chu kì (trong thời gian Δt có n chóp sáng được phát ra) thì hiện tượng quan sát được như sau:
* Nếu là một số nguyên thì thấy sợi dây có dạng hình sin dường như không dao động.
* Nếu là một số không nguyên thì thấy sợi dây dao động chậm.
Ví dụ 21: Trong đêm tối, một sóng ngang lan truyền trên sợi dây đàn hồi rất dài. Nếu chiếu sáng sợi dây bằng một đèn nhấp nháy phát ra 25 chớp sáng trong một giây thì người ta quan sát thấy sợi dây có dạng hình sin đứng yên. Chu kì sóng KHÔNG thể bằng
A. 0,01 s. B. 0,02 s. C. 0,03 s. D. 0,04 s.
Hướng dẫn
Vì quan sát thấy sợi dây có dạng hình sin đứng yên nên: TC = kT = kT
=> k = là một số nguyên. Trong 4 phương án thì chỉ phương án C là không thỏa mãn
=> Chọn C.
2. Biết trạng thái ở điểm này xác định trạng thái điểm khác
Tại một thời điểm nào đó M có li độ âm (dương) và đang chuyển động đi lên (xuống), để xác định trạng thái của điểm N ta làm như sau:
* N ’ dao động cùng pha với N nên chi cần xác định trạng thái của điểm N.
* Để xác định trạng thái N’ nên dùng đồ thị sóng hình sin.
Ví dụ 1: Một sóng ngang có bước sóng λ truyền trên sợi dây dài, qua điểm M rồi đến điểm N cách nhau 65,75λ. Tại một thời điểm nào đó M có li độ âm và đang chuyển động đi xuống thì điểm N đang có li độ
A. âm và đang đi xuống. B. âm và đang đi lên.
C. dương và đang đi xuống. D. dương và đang đi lên.
Hướng dẫn
Cách 1:
Từ hình vẽ ta thấy N’ đang có li độ âm và đang đi lên Chọn B.
Vì N phải thuộc góc phần tư thứ III nên hình chiếu của N đang có li độ âm và đang đi lên
=> Chọn B.
Ví dụ 2: Một sóng ngang có tần số 100 Hz truyền trên một sợi dây nằm ngang với tốc độ 60 m/s, qua điểm M rồi đến điểm N cách nhau 7,95 m. Tại một thời điểm nào đó M có li độ âm và đang chuyển động đi lên thì điểm N đang có li độ
A. âm và đang đi xuống. B. âm và đang đi lên.
C. dương và đang đi xuống. D. dương và đang đi lên.
Hướng dẫn
Cách 1:
Từ hình vẽ ta thấy N’ đang có li độ âm và đang đi xuống => Chọn A.
Vì N phải thuộc góc phần tư thứ III nên hình chiếu của N có li độ âm và đang đi xuống (theo chiều âm)
=> Chọn A.
3. Tìm thời điểm tiếp theo để một điểm ở một trạng thái nhất định
Sóng vừa có tính chất tuần hoàn theo thời gian vừa có tính chất tuần hoàn theo không gian. Từ hai tính chất này suy ra hệ quả, hai điểm M, N trên phương truyền sóng cách nhau λ/n thì thời gian ngắn nhất để điểm này giống trạng thái của điểm kia là λ/n. Dựa vào các tính chất này, chúng ta có lời giải ngắn gọn cho nhiều bài toán phức tạp.
Ví dụ 1: Sóng ngang có chu kì T, bước sóng λ, lan truyền trên mặt nước với biên độ không đổi. Xét trên một phương truyền sóng, sóng truyền đến điểm M rồi mới đến N cách nó λ/5. Nếu tại thời điểm t, điểm M qua vị trí cân bằng theo chiều dương thì sau thời gian ngắn nhất bao nhiêu thì điểm N sẽ hạ xuống thấp nhất?
A. 11T/20. B. 19T/20. C. T/20. D. 9T/20.
Hướng dẫn
Cách 1:
Các bước giải như sau:
Bước 1: Vẽ đường sin, quy ước sóng truyền theo chiều dương và xác định các vùng mà các phần tử vật chất đang đi lên và đi xuống.
Bước 2: Vì điểm M qua vị trí cân bằng theo chiều dương nên nó nằm ở vùng mà các phần tử vật chất đang đi lên.
Bước 3: Vì sóng truyền qua M rồi mới đến N nên điểm N phải nằm phía bên phải điểm M như hình vẽ.
Cách 2:
Dao đông tại M sớm pha hơn tại N (M quay trước N):
Hiện tại hình chiếu của điểm M qua vị trí cân bằng theo chiều dương nên N và M phải ở các vị trí như trên vòng tròn.
Để N hạ xuống thấp nhất (N ở biên âm) thì nó phải quay thêm một góc (2π − 0,lπ) = 0,95.2π = (0,95) vòng, tương ứng với thời gian 0,95T = 19T/20 => Chọn D.
Chú ý: Nếu sóng truyền qua N rồi mới đến M thì kết quả sẽ khác.
Ta sẽ hiểu rõ thêm ở ví dụ tiếp theo.
Ví dụ 2: Sóng ngang có chu kì T, bước sóng λ, lan truyền trên mặt nước với biên độ không đổi. Xét trên một phương truyền sóng, sóng truyền đến điểm N rồi mới đến M cách nó λ/5. Nếu tại thời điểm t, điểm M qua vị trí cân bằng theo chiều dương thì sau thời gian ngắn nhất bao nhiêu thì điểm N sẽ hạ xuống thấp nhất?
A. 11T/20. B. 19T/20. C. T /20. D. 9T/20.
Hướng dẫn
Cách 1:
Vì sóng truyền qua N rồi mới đến M nên điểm N phải nằm phía bên trái điểm M như hình vẽ. Ở thời điểm hiện tại cả M và N đều đang đi lên. Vì CN = λ/4 − λ/5 =λ/20 nên thời gian ngắn nhất để N đi đến vị trí của điểm c hiện tại là T/20. Thời gian ngắn nhất đi từ vị trí cao nhất đến vị trí thấp nhất là T/2. Vậy điểm N sẽ đến vị trí thấp nhất sau khoảng thời gian ngắn nhất: T/20 + T/2 = 11T/20 => Chọn A.
Cách 2:
Ví dụ 3: Sóng ngang có tần số 20 Hz truyền trên mặt nước với tốc độ 2 m/s. Trên một phương truyền sóng đến điểm M rồi mới đến N cách nó 21,5 cm. Tại thời điểm t, điểm M hạ xuống thấp nhất thì sau thời gian ngắn nhất bao nhiêu thì điểm N sẽ hạ xuống thấp nhất?
A. 3/400 s. B. 0,0425 s. C. 1/80 s. D. 3/80 s.
Hướng dẫn
Cách 2:
Dao động tại M sớm pha hơn tại N (M quay trước N):
Hiện tại điểm M hạ xuống thấp nhất (hình chiếu ở biên âm) nên M và N phải ở các vị trí như trên vòng tròn.
Để N sẽ hạ xuống thấp nhất (N ở biên âm) thì nó phải quay thêm một góc 0,3π = (0,15).2π = (0,15) vòng, tương ứng với thời gian t = 0,15T = 0,15.1/20 = 3/400 s => Chọn A.
4. Biết li độ hai điểm ở cùng một thời điểm xác định thời điểm tiếp theo, xác định bước sóng
Ví dụ 1: Sóng cơ lan truyền qua điểm M rồi đến điểm N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau một phần ba bước sóng. Tại thời điểm t = 0 có uM = +4 cm và uN = −4 cm. Gọi t1 và t2 là các thời điểm gần nhất để M và N lên đến vị trí cao nhất. Giá trị của t1 và t2 lần lượt là
A. 5T/12 và T/12. B. T/12 và 5T/12. C. T/6 và T/12. D. T/3 và T/6.
Hướng dẫn
Cách 1:
Vẽ đường sin, quy ước sóng truyền theo chiều dương và xác định các vùng mà các phần tử vật chất đang đi lên và đi xuống.
Vì sóng truyền qua M rồi mới đến N nên M nằm bên trái và N nằm bên phải. Mặt khác, vì uM = +4 cm và uM = −4 cm nên chúng phải nằm đúng vị trí như trên hình vẽ (cả M và N đều đang đi lên).
Vì M cách đỉnh gần nhất là λ/12 nên thời gian ngắn nhất M đi từ vị trí hiện tại đến vị trí cao nhất là T/12 nên t1 = T/12.
Thời gian ngắn nhất để N đến vị trí cân bằng là T/6 và thời gian ngắn nhất đi từ vị trí cân bằng đến vị trí cao nhất là T/4 nên t2 = T/6 + T/4 = 5T/12 => Chọn B.
Cách 2:
Để N lên đến vị trí cao nhất (N ở biên dương) thì nó phải quay thêm một góc:
2π/3 + π/6 = (5/12).2π= (5/12) vòng, t2 = 5T/12.
=> Chọn B.
Ví dụ 2: Sóng cơ lan truyền qua điểm M rồi đến điểm N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau một phần ba bước sóng. Tại thời điểm t = t1 có uM = +4 cm và uN = −4 cm. Thời điểm gần nhất để uM = 2 cm là
A. t2 = t1 + T/3. B. t2 = t1 + 0,262T. C. t2 = t1 + 0,095T. D. t2 = t1 + T/12.
Hướng dẫn
Ví dụ 3: Hai điểm M, N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau λ/3, sóng có biên độ A, chu kì T. Sóng truyền từ N đến M. Giả sử tại thời điểm t1, có uM = +1,5 cm và uN = −1,5 cm. Ở thời điểm t2 liền sau đó có uM = +A. Hãy xác định biên độ sóng A và thời điểm t2.
Hướng dẫn
Cách 1:
Thời gian M đi đến vị trí cân bằng là T/6, đi từ vị trí cân bằng đến vị trí thấp nhất là T/4, đi từ vị trí thấp nhất đến vị trí cao nhất là T/2 nên t2 = T/6 + T/4 + T/2 = 11T/12.
Ở thời điểm hiện tại I ở vị trí cân bằng nên
hay
Bài này cũng có thể dùng vòng tròn lượng giác để giải.
Cách 2:
Từ hình vẽ tính đươc (cm ). Ở thời điểm t1, li độ của điểm M đang giảm. Đến thời điểm t2 liền sau đó, li độ tại M là uM = +A.
Muốn vây, M1 phải quét một góc , tương ứng với thời gian
nên
Cách 3:
Để có uM = + A thì M phải quay góc vòng, tương ứng với thời gian t = 11T/12.
Ví dụ 4: Hai điểm M, N cùng nằm trên một hướng truyền sóng và cách nhau một phần ba bước sóng. Biên độ sóng không đổi trong quá trình truyền. Tại một thời điểm, khi li độ dao động của phần tử tại M là 6 cm thì li độ dao động của phần tử tại N là −6 cm. Biên độ sóng bằng
A. 6 cm. B. 4 cm. C. 473 cm D. 372 cm.
Hướng dẫn
Cách 1: Giả sử sóng truyền qua M rồi đến N thì dao động tại N trễ pha hơn
Cách 4: Bài toán không nói rõ sóng truyền theo hướng nào nên ta giả sử truyền qua M rồi mới đến N và biểu diễn như hình vẽ. M và N đối xứng nhau qua I nên MI = IN = λ/6.
Ở thời điểm hiện tại I ở vị trí cân bằng nên
hay Chọn C
Chú ý: Xét hai điểm điểm M, I trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một khoảng 0 < x < λ/4.
Nếu ở thời điểm t, điểm I đang ở vị trí cân bằng thì lúc này điểm M cách vị trí cân bằng của nó một đoạn
Nếu ở thời điểm t, điểm I đang ở vị trí cao nhất (thấp nhất) thì lúc này cách vị trí cân bằng của nó một đoạn
Ở ví dụ trên, hiện tại I đang ở vị trí cân bằng nên
hay
Ví dụ 5: Hai điểm M, N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau λ/12. Khi li độ tại M là 3 cm thì li độ tại N là cm. Tính biên độ sóng A.
A. 6cm. B.cm. C. 3/3cm. D. cm.
Hướng dẫn
Cách 1:
Giả sử sóng truyền qua M rồi mới đến N nên dao động tại M sớm pha hơn dao động tại N là:
Chọn D.
Cách 2:
Chú ý:
Nếu và MN < 2λ thì
Nếu thì
5. Trạng thái hai điểm cùng pha, ngược pha vuông pha
Nếu MN = kλ, (cùng pha) thì và vM = vN.
Nếu MN = (2k + l)λ/2 (ngược pha) thì uM = − uN và vM = − vN.
Nếu MN = (2k + 1)λ/4 (vuông pha) thì và khi k lẻ khi k chẵn.
Ví dụ 1: Một sóng cơ có tần số f = 10 Hz, lan truyền dọc theo một dây đàn hồi thẳng, dài vô hạn, lần lượt qua ba điểm theo đúng thứ tự O, M và N (với OM = 5λ/4 và ON = 7λ/4). Biên độ 3 cm và không đổi khi truyền đi. Khi li độ tại O là −3 cm thì vận tốc dao động tại M và N là bao nhiêu?
Hướng dẫn
Vì OM = (2.2 + 1)λ/4 ở đây k = 2 là số chẵn nên: (cm/s).
Vì ON = (2.3 + 1)λ/4 ở đây k = 3 là số lẻ nên: (cm/s).
Ví dụ 2: Có hai điểm M và N trên cùng một phương truyền của sóng trên mặt nước, cách nhau một phần tư bước sóng. Tại một thời điểm t nào đó, mặt thoáng ở M cao hơn vị trí cân bằng 5 mm và đang đi lên; còn mặt thoáng ở N thấp hơn vị trí cân bằng 12 mm nhưng cũng đang đi lên. Coi biên độ sóng không đổi. Biên độ sóng a và chiều truyền sóng là
A. 13 mm, truyền từ M đến N. B. 13 mm, truyền từ N đến M.
C. 17 mm, truyền từ M đếnN. D. 17 mm, truyền từ N đến M.
Hướng dẫn
Độ lệch pha của M và N là:
Cách 1:
Vì uM = 5 mm và đang đi lên, còn uN = −12 mm và cũng đang đi lên nên M và N phải nằm ở các vị trí như trên hình => Sóng truyền từ M đến N => Chọn A.
Cách 2:
Ở thời điểm hiện tại có uM = +5 mm (đang đi lên, tức là đi theo chiều dương) và uN = −12 mm (đang đi lên, tức là đi theo chiều dương) nên M và N phải ở các vị trí như trên vòng tròn.
Ta thấy, M chạy trước nên M sớm pha hơn N, tức là sóng truyền qua M rồi mới đến N
=> Chọn A.
Ví dụ 3: Có hai điểm M và N trên cùng một phương truyền của sóng trên mặt nước, cách nhau 5,75λ. (λ là bước sóng). Tại một thời điểm t nào đó, mặt thoáng ở M cao hơn vị trí cân bằng 3 mm và đang đi lên; còn mặt thoáng ở N thấp hơn vị trí cân bằng 4 mm và đang đi lên. Coi biên độ sóng không đổi. Biên độ sóng a và chiều truyền sóng là
A. 7 mm, truyền từ M đến N. B. 5 mm, truyền từ N đến M.
C. 5 mm , truyền từ M đến N. D. 7 mm, truyền từ N đến M.
Hướng dẫn
Độ lệch pha của M và N là
Cách 1:
MN = 5,75λ = 5λ + 0,75λ = MN ' + N'N = 0,75λ + 5λ. Điểm N’ dao động cùng pha với điểm N.
Cách 2:
Ở thời điểm hiện tại có uM = +3 mm (đang đi lên, tức là đi theo chiều dương) và uN = −4 mm (đang đi lên, tức là đi theo chiều dương) nên M và N phải ở các vị trí như trên vòng tròn.
Ta thấy, N chạy trước nên N sớm pha hơn M, tức là sóng truyền qua N rồi mới đến M
=> Chọn B.
* Nếu sóng truyền A đến B thì đoạn EB đang đi lên (DE đi xuống, CD đi lên và AC đi xuống).
* Nếu sóng truyền B đến A thì đoạn AC đang đi lên (CD đi xuống, DE đi lên và EB đi xuống).
6. Đồ thị sóng hình sin
* Nếu sóng truyền từ A đến B thì đoạn EB đang đi lên (DE đi xuống, CD đi lên và AC đi xuống).
* Nếu sóng truyền từ B đến A thì đoạn AC đang đi lên (CD đi xuống, DE đi lên và EB đi xuống)
Ví dụ 1: Một sóng ngang truyền trên mặt nước có tần số 10 Hz tại một thời điểm nào đó một phần mặt nước có dạng như hình vẽ. Trong đó khoảng cách từ các vị trí cân bằng của A đến vị trí cân bằng của D là 60 cm và điểm C đang từ vị trí cân bằng đi xuống. Xác định chiều truyền của sóng và tốc độ truyền sóng.
A. Từ E đến A, v = 6 m/s. B. Từ E đến A, v = 8 m/s.
C. Từ A đến E, v = 6 cm/s. D. Từ A đến E, v = 10 m/s
Hướng dẫn
Vì điểm C từ vị trí cân bằng đi xuống nên cả đoạn BD đang đi xuống. Do đó, AB đi lên, nghĩa là sóng truyền E đến A.
Đoạn AD = 3λ./4 => 60 = 3λ./4 => λ = 80 cm = 0,8 m => v = λT = 8 m/s => Chọn B.
Ví dụ 2: Một sóng hình sin đang truyền trên một sợi dây theo chiều dương của trục Ox. Hình vẽ mô tả hình dạng của sợi dây tại thời điểm t1(đường nét đứt) và t2 = t1 + 0,6 (s) (đường liền nét). Tại thời điểm t2, vận tốc của điểm N trên dây là
A. −23,6 cm/s. B. 65,4 cm/s. C. −65,4 cm/s. D. 23,6 cm/s.
Hướng dẫn
Từ hình vẽ ta thấy: Biên độ sóng A = 6 cm. Từ 30 cm đến 60 cm có 6 ô nên chiều dài mỗi ô là (60 − 30)/6 = 5 cm. Bước sóng bằng 8 ô nên λ = 8.5 = 40 cm. Trong thời gian 0,6 s sóng truyền đi được 3 ô theo phương ngang tương ứng quãng đường 15 cm nên tốc độ truyền sóng v = 15/0,6 = 25 (cm/s).
Chu kỳ sóng và tần số góc: (rad/s).
Tại thời điểm t2, điểm N qua vị trí cân bằng và nằm ở sườn trước nên nó đang đi lên với tốc độ cực đại, tức là vận tốc của nó dương và có độ lớn cực đại:
vmax = A = 1,2571.6 23,6 cm/s
=> Chọn D.
Chú ý: Nếu phương trình sóng có dạng thì vận tốc dao động của phần tử có tọa độ x là . Đồ thị hình sin ở thời điểm t = 0 có dạng như hình vẽ. Hai điểm M và N có tỉ số li độ và tỉ số vận tốc lần lượt:
Trong đó có thể hiểu xM và xN là khoảng cách từ vị trị cân bằng của M và của N đến vị trị cân bằng của đinh sóng A gần nhất.
Nếu gọi yM và yN là khoảng cách từ vị trí cân bằng của M và N đến I thì:
Nếu điểm N trùng với I thì
Ví dụ 3: Một sóng hình sin đang truyền trên một sợi dây theo chiều dương của trục Ox. Hình vẽ mô tả hình dạng của sợi dây tại thời điểm t1(đường nét đứt) và t2 = t1 + 0,3 (s)(đường liền nét). Tại thời điểm t2, vận tốc của điểm N trên dây là
A. −39,3 cm/s. B. 27,8 cm/s. C. −27,8 cm/s. D. 39,3 cm/s.
Hướng dẫn
Từ hình vẽ ta thấy: Biên độ sóng A = 5 cm. Từ 30 cm đến 60 cm có 6 ô nên chiều dài mỗi ô là (60 − 30)/6 = 5 cm. Bước sóng bằng 8 ô nên λ = 8.5 = 40 cm. Trong thời gian 0,3 s sóng truyền đi được 3 ô theo phương ngang tương ứng quãng đường 15 cm nên tốc độ truyền sóng = 50 (cm / s).
Chu kì sóng và tần số góc: T = λ/v = 0,8 s; = 2,5π (rađ/s).
Tại thời điểm t2, điểm N qua vị trí cân bằng và nằm ở sườn trước nên nó đang đi lên với tốc độ cực đại, tức là vận tốc của nó dương và có độ lớn cực đại: Chọn D.
7. Quan hệ li độ tại ba điểm trên phương truyền sóng
Ví dụ 1: Một sóng cơ học lan truyền trên một sợi dây với chu kì T, biên độ A. Ở thời điểm t1, li độ của phần tử tại B và C tương ứng là −24 mm và +24 mm, đồng thời phần tử D là trung điểm của BC đang ở vị trí cân bằng. Ở thời điểm t2, li độ của phần tử tại B và C cùng là +7 mm thì phần tử D cách vị trí cân bằng của nó là
A. 8,5 mm. B. 7,0 mm. C. 25 mm. D. 13 mm.
Hướng dẫn
Giả sử sóng truyền qua B rồi mới đến C. Trên vòng tròn lượng giác B chạy trước C!
ở thời điểm t1, vị trí các điểm như hình 1 và (1)
Ở thời điểm t2, vị trí các điểm như hình 2 và
Từ (1) và (2) suy ra:
Ở hình 2, thì D đang ở vị trí biên nên nó cách vị trí cân bằng một khoảng đúng bằng biên độ và bằng 25 mm Chọn C.
Ví dụ 2: Một sóng cơ lan truyền trên một sợi dây rất dài với biên độ không đổi với chu kì T. Ba điểm A, B và C nằm trên sợi dây sao cho B là trung điểm của AC. Tại thời điểm t1, li độ của ba phần tử A, B, C lần lượt là − 5,4 mm; 0 mm; 5,4 mm. Nếu tại thời điểm t2, li độ của A và C đều bằng +7,2 mm, thì li độ của phần tử tại B tại thời điểm t2 + T/12 có độ lớn là
A. 10,3 mm. B. 4,5 mm. C. 9 mm. D. 7,8 mm.
Hướng dẫn
Không mất tính tổng quát ta biểu diễn hai thời điểm như trên hình vẽ.
Tại thời điểm: 
Tại thời điểm: 
Chọn lại gốc thời gian là lúc B ở biên dương thì:
Chọn D.
