Điều kiện về khoảng cách giữa hai nguồn trong giao thoa sóng cơ

Bài này xin trích lại bài viết của thầy Đậu Quang Dương:

>> Download bài giảng tại đây.

I. Đặt vấn đề:

Trong rất nhiều bài toán giao thoa in trong các sách tham khảo và trong các đề thi thử của các trung tâm; diễn đàn và kể cả đề thi Tuyển Sinh Đại Học các năm gần đây ta gặp rất nhiều bài toán giao thoa sóng mà khoảng cách giữa hai nguồn được cho trước. Theo tôi hầu hết các bài toán này thường dẫn đến các kết quả kì dị và làm hoang mang cho HS cũng như một số giáo viên mới ra trường.

giao thoa

Ta xét các ví dụ sau :

Ví dụ 1: Biên độ sóng đổi trong quá trình truyền

Cho hai nguồn sóng giống nhau A và B cách nhau một khoảng AB = \left( n + \frac{1}{2} \right)\lambda ; \: n \epsilon N dao động với phương trình: u_{A}=u_{B}= 2cos2\pi f t. So sánh hình ảnh dao động của một điểm sát nguồn và của nguồn. (Đề năm 2011 : mã đề 817: AB = 2,5\lambda)

Phương trình sóng tổng hợp tại một điểm M cách A và B lần lượt các đoạn d_{1}d_{2}:

u_{M}= 2acos\left<\pi \frac{d_{2}-d_{1}}{\lambda } \right>cos\left<2\pi ft - \pi \frac{d_{2}+d_{1}}{\lambda } \right>

Nếu ta xét một điểm sát nguồn A ta có: d_{2}-d_{1}\approx ABd_{2}+d_{1}= AB

Như vậy nguồn dao động với biên độ a nhưng điểm M nằm sát nó lại đứng yên!

Ví dụ 2: Biên độ sóng không đổi trong quá trình truyền
Cho hai nguồn sóng giống nhau A và B cách nhau một khoảng AB = 2n \lambda ; \: n \epsilon N^{*}, dao động với phương trình u_{A}=u_{B}= 2cos2\pi f t. So sánh hình ảnh dao động của một điểm sát nguồn và của nguồn. ( Đề năm 2011: mã đề 817:  Câu 23: AB = 9 \lambda; Đề năm 2009 (mã đề 135) Câu 30: AB = 5 \lambda)
 
Biên độ dao động tại M: A_{M}\approx 2a

Pha dao động tại M:  2\pi ft - \pi \frac{d_{2}+d_{1}}{\lambda }= 2\pi ft - 2n \pi

Điểm M dao động cùng pha với A.

Như vậy: khi điểm M có li độ cực đại \mathbf{A_{M}\approx 2a}, thì điểm A sát đó lại có li độ cực đại bằng a và tạo ra một hình ảnh khá kì dị của giao thoa sóng ( Bạn đọc cứ vẽ hình sẽ thấy )

Ví dụ 3: Biên độ sóng đổi trong quá trình truyền
Cho hai nguồn sóng giống nhau A và B cách nhau một khoảng AB = \left(2n+\frac{1}{4} \right)\lambda ; \: n \, \epsilon N, dao động với phương trình: u_{A}=u_{B}= 2cos2 \pi  t. Viết phương trình dao động của một điểm nằm sát nguồn A và nằm trên đoạn AB và so sánh hình ảnh dao động của một điểm sát nguồn và của nguồn.
 
Biên độ dao động tại M: A_{M}=a\sqrt{2}

Pha dao động tại M: 2\pi ft - \pi \frac{d_{2}+d_{1}}{\lambda }\approx 2\pi ft - \frac{ \pi}{4}

Điểm M dao động vuông pha với A.

Như vậy: khi M có li độ cực đại \mathbf{u_{M}\approx a\sqrt{2}} thì nguồn A lại đang ở vị trí cân bằng!

Bạn đọc có thể cho khoảng cách AB một cách tùy ý thì ta thấy hình ảnh dao động của một điểm sát nguồn và của nguồn đôi khi rất phi lí ! Đề năm 2012 (mã đề 958): Câu 10: AB = \frac{20 \lambda }{3}; Đề năm 2010 (mã đề 642) Câu 28: AB = \frac{40 \lambda }{3}

Thông thường một số GV phải chống chế bằng lí lẽ như nguồn là cha, là mẹ nên không tuân theo quy luật giống như các điểm còn lại (con, cái) !
 
II. Phải thừa nhận có sự phản xạ sóng tại vị trí các nguồn:

Đến đây ta thử xét điều kiện để có được hình ảnh giao thoa hợp thực tế và tất cả các điểm trong vùng giao thoa  đều tuân theo một quy luật thống nhất.

Giả sử không có sự phản xạ sóng tại vị trí các nguồn:
    Phần tử A tham gia đồng thời hai dao động:

  • Dao động do nguồn bên ngoài gây ra: u_{A}= 2cos2 \pi  t
  • Dao động do sóng từ nguồn B truyền đến

   Vậy dao động tổng hợp của A phải là: u_{A}= 2acos\left<\pi \frac{AB}{\lambda } \right>cos\left<2\pi ft - \pi \frac{AB}{\lambda } \right> (1)

Mặt khác A chỉ dao động cưỡng bức do nguồn ngoài gây ra: u_{A}= 2cos2 \pi  t (2)

Từ (1) và (2) ta phải có:

\begin{cases} 2acos\left(\pi \frac{AB}{\lambda } \right) = a & & \pi \frac{AB}{\lambda }= 2n \pi \end{cases}  (3)

Dễ dàng thấy hai đẳng thức trong (3) không thể tồn tại đồng thời !

Kết luận: Vậy phải có sự phản xạ sóng tại vị trí các nguồn.

Phần tử môi trường tại A đồng thời chịu tác dụng của ba dao động :

  • Dao động cưỡng bức do nguồn bên ngoài gây ra : u_{A}
  • Dao động do sóng từ nguồn B truyền đến A: u_{BA}
  • Dao động do sóng phản xạ tại A gây ra:u'_{BA}

Mà dao động tổng hợp tại A:  u_{A}+ u_{BA}+ u'_{BA}= u_{A}\Rightarrow u'_{BA}=- u_{BA}

Vậy các nguồn đóng vai trò vật cản cố định đối với sóng do nguồn kia truyền tới.

III. Điều kiện để hình ảnh giao thoa ổn định:

Như đã chứng minh ở trên: từ A truyền đi đồng thời hai sóng:        

  • Dao động cưỡng bức do nguồn bên ngoài gây ra u_{A}
  • Dao động do sóng phản xạ tại A gây ra: u'_{BA}

Như vậy để hình ảnh giao thoa là ổn định thì u_{A}u'_{BA} phải cùng pha với nhau.

   Xét hai nguồn có cùng pha:

   Pha của sóng tại A do B truyền đến: 2\pi ft - 2\pi \frac{AB}{\lambda }

        Pha của sóng phản xạ tại A: 2\pi ft - 2\pi \frac{AB}{\lambda } + \pi

Điều kiện cùng pha của u_{A}u'_{BA} cho ta:

- 2\pi \frac{AB}{\lambda } - \pi = -2n\pi

\Rightarrow AB = \left(n + \frac{1}{2} \right) \lambda

Bằng cách lập luận tương tự ta dễ dàng chứng minh được điều kiên để hình ảnh giao thoa ổn định trong trường hợp hai nguồn kết hợp không đồng bộ là:

\Rightarrow \mathbf{{\color{red}AB = \left(n + \frac{1}{2} - \frac{\Delta \varphi }{ \pi }\right) \lambda }}

Trong đó \Delta \varphi là độ lệch pha của nguồn A so với nguồn B

                                                                           Biên Hòa ngày 10 – 07 – 2012
                                                                                Đậu Quang Dương
                                                      Giáo viên trương THPT Chuyên Lương Thế Vinh Đồng Nai

>> Xem thêm bài viết khác của thầy Đậu Quang Dương DẤU HIỆU ĐỂ NHÂN BIẾT NHANH BÀI TOÁN TRÙNG NHAU CỦA HAI HỆ VÂN GIAO THOA

Điền Quang - thuvienvatly.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 17)
24/09/2018
Quy tắc Hund Năm 1927, nhà vật lí Đức Friedrich Hund đã phát triển một bộ quy tắc giúp thiết lập trật tự cho tình trạng lộn
Chụp ảnh ma bằng electron tương đối
23/09/2018
Chụp ảnh ma quang học là một công cụ hữu ích có thể phân giải không gian các đặc trưng của một mẫu vật, chỉ sử dụng
Nguyên tử đang phân huỷ chịu một lực ma sát nhỏ
23/09/2018
Một nguyên tử kích thích phân huỷ trong chân không chịu một lực rất giống với lực ma sát, đó là kết luận của các nhà
Martin Ryle: Nhà tương lai học năng lượng (Phần 2)
23/09/2018
Tình trạng xung đột Trong nội bộ nhóm nghiên cứu thiên văn vô tuyến của ông tại Cambridge, Ryle đã truyền cảm hứng lớn về
Martin Ryle: Nhà tương lai học năng lượng (Phần 1)
21/09/2018
Sinh vào tháng 9 cách nay 100 năm, Martin Ryle không chỉ là một nhà thiên văn học giành giải Nobel. Alan Cottey đưa ra một cái nhìn
Không gian là gì? (Phần 4)
20/09/2018
Hình dạng của không gian Độ cong không gian không phải thứ duy nhất chúng ta nghi vấn sâu sắc khi nghĩ tới bản chất của không
Không gian là gì? (Phần 3)
14/09/2018
Chuyện nghe khó tin quá. Bạn chắc chứ? Thật là khùng điên khi nghe nói không gian là một thứ gì đó chứ không phải khoảng
Không gian là gì? (Phần 2)
08/09/2018
Quan niệm nào là đúng? Quan niệm nào về không gian trong số này là đúng? Phải chăng không gian tựa như một khoảng trống vô

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com