Tài liệu Chuyển động sóng pptx

Chuyển động sóng
Chuyển động sóng, hay ngắn gọn là sóng, là sự lan truyền của dao động. Trong vật lý,
sóng có thể mang theo năng lượng, lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau, có thể
bị đổi hướng (bởi khúc xạ, phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ...) và thay đổi năng lượng (bởi hấp
thụ, bức xạ, ...) hay thậm chí thay đổi cấu trúc (như thay đổi tần số, bởi môi trường phi
tuyến tính, ...).
Các sóng vật lý còn có thể tương tác với nhau qua giao thoa.
Các ví dụ
•
Sóng biển là sự lan truyền của dao động thẳng đứng hoặc vòng tròn của nước
biển. Xem thêm sóng thần.
•
Âm thanh là sự lan truyền của dao động của các phân tử không khí hay chất lỏng
và chất rắn ở tần số làm rung động màng nhĩ của tai người tạo nên tín hiệu thần
kinh cảm nhận được.
•
Sóng địa chấn trong động đất là lan truyền của các dao động mạnh của các khu
vực địa chất
. Có ba loại địa chấn là S, P và L.
•
Ánh sáng, sóng radio, tia X, .... là các bức xạ điện từ, sự lan truyền của dao động
của
trường điện từ, có thể truyền trong chân không. Xem thêm vận tốc ánh sáng.
•
Sóng hấp dẫn, sự lan truyền của dao động của trường hấp dẫn, tiên đoán bởi
thuyết tương đối rộng. Các sóng này phi tuyến tính.
Mô tả sóng vật lý
Phương trình sóng
Mọi sóng đều thoả mãn một phương trình vi phân riêng phần gọi là phương trình sóng.
Các phương trình sóng có thể có nhiều dạng, phụ thuộc vào môi trường truyền và kiểu
lan truyền.

Dạng đơn giản nhất, dành cho sóng lan truyền theo phương x, theo thời gian t và dao
động sóng thay đổi trên biến y:

Ở đây, v là vận tốc lan truyền sóng. Hàm sóng tổng quát thoả mãn phương trình trên, giải
bởi d'Alembert, là:
y(x,t) = F(x − vt) + E(x + vt)
Một ví dụ khác về phương trình sóng là phương trình Schrödinger mô tả chuyển động của
sóng hạt trong vật lý lượng tử. Nghiệm của phương trình này là hàm sóng mô tả xác suất
tìm thấy hạt tại một điểm trong không-thời gian.
Sóng điều hoà
Trong một môi trường đồng nhất và đẳng hướng, Joseph Fourier đã tìm thấy là mọi hàm
sóng
sẽ có dạng tổng quát sau:
y(x,t) = F(x − vt) + E(x + vt)
có thể được miêu tả như là sự chồng nhau của nhiều sóng điều hoà

Ở đây A(x, t) là
biên độ của sóng điều hòa, ω là tần số góc, k là số sóng và φ là pha ban
đầu
. Nếu biên độ của sóng không phụ thuộc thời gian:
A(x,t) = A(x)
thì sóng gọi là sóng dừng.
Tần số góc liên hệ với tần số qua:
ω = 2πf
Còn số sóng liên hệ với vận tốc lan truyền v của sóng qua:

Ở đây λ là bước sóng và f là tần số. Tần số f liên hệ với chu kỳ T qua:

Mọi sóng điều hoà đều có thể đặc trưng bởi biên độ, tần số, vận tốc và pha. Ngoài ra,
sóng có thể được mô tả theo phương dao động.

Sóng ngang
Sóng ngang là sóng vật lý với các dao động vuông góc với phương lan truyền. Ví dụ:
sóng lan truyền trên dây đàn khi gẩy đàn, sóng điện từ.
Phân cực (Bài chi tiết: Phân cực)
Các sóng ngang có thể bị phân cực. Sóng ngang không phân cực có thể có dao động nằm
ngẫu nhiên theo bất kỳ phương nào trong mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền.
Các sóng ngang phân cực có dao động chỉ nằm theo một phương cố định vuông góc với
phương lan truyền.
Sóng dọc
Sóng dọc là sóng vật lý với các dao động nằm trùng với phương lan truyền, hoặc liên
quan đến các biến đổi của các đại lượng vô hướng. Ví dụ:
sóng âm.
Có những sóng có dao động tròn, kết hợp cả sóng ngang và sóng dọc. Ví dụ: sóng nước
với các phân tử nước trên bề mặt dao động xoay tròn theo hình elíp.
Lưỡng tính sóng hạt
Lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản của vật chất, thể hiện ở điểm mọi đối
tượng vật chất di chuyển trong không gian đều có tính chất như là sự lan truyền của sóng
tương ứng với vật chất đó, đồng thời cũng có tính chất của các hạt chuyển động. Là một
khái niệm trung tâm của cơ học lượng tử, lưỡng tính sóng-hạt nhấn mạnh sự thiếu sót của
các khái niệm cổ điển như "sóng" và "hạt" trong việc mô tả đầy đủ hành trạng của các
thực thể vật chất ở các thang nguyên tử (nguyên tử và phân tử) và hạ nguyên tử (hạt
nhân, proton, electron, photon...). Những luận giải chính thống về cơ học lượng tử giải
thích điều dường như là một nghịch lý này như là một thuộc tính cơ bản của toàn bộ vật
chất trong Vũ trụ, trong khi các luận giải khác giải thích lưỡng tính sóng-hạt như là một
hệ quả xuất hiện do những hạn chế khác nhau của người quan sát.
Bản chất
Cụ thể, nếu một vật chất chuyển động giống như một hạt với động lượng p thì sự di
chuyển của nó cũng giống như sự lan truyền của một sóng với bước sóng λ là:
λ = h/p
với:

•
h là hằng số Planck
Công thức nêu trên là
công thức de Broglie, được đề xuất bởi nhà vật lý người Pháp
Louis de Broglie vào năm 1924, mở rộng ý tưởng trước đó của Albert Einstein về sự tồn
tại của các quang tử, và là thành quả nhận thức của loài người sau 4 thế kỷ tranh luận
giữa trường phái lý thuyết sóng khởi xướng bởi
Christiaan Huygens và trường phái hạt
khởi xướng bởi
Isaac Newton.
Vì hằng số Planck có giá trị rất nhỏ, tính chất sóng của vật chất chỉ thể hiện rõ với các hạt
có động lượng rất bé, cụ thể là các hạt cơ bản như điện tử, photon, phonon, ... Các vật thể
trong đời sống thường ngày có bước sóng quá nhỏ và hầu như không thể quan sát được
tính chất sóng của chúng.