Sóng dừng là gì? Điều kiện để xảy ra và ứng dụng thực tế

Sóng dừng là gì?

Trong vật lý, sóng dừng, hay còn được gọi là sóng đứng, sóng tĩnh là một loại sóng dao động theo thời gian nhưng có biên độ đỉnh sóng không di chuyển trong không gian. Biên độ đỉnh của dao động sóng tại bất kỳ điểm nào trong không gian là một hằng số không đổi với thời gian.

Sóng dừng được hình thành bởi sự giao thoa của hai sóng ngược chiều, hai loại sóng đó là sóng phản xạ và sóng tới, được xét trên cùng một phương truyền. Kết quả của quá trình giao thoa này sẽ tạo ra một hệ sóng đứng nếu truyền theo cùng một phương hướng.

Trong sóng dừng luôn có một điểm đứng yên gọi là nút và một số điểm luôn luôn dao động với biên độ cực đại gọi là bụng.

Tính chất của sóng dừng

Vừa rồi chúng ta đã đi tìm hiểu về khái niệm, vậy thì tính chất của chúng sẽ được thể hiện như thế nào? Cùng tìm hiểu rõ hơn thông qua các thông tin được cung cấp dưới đây:

• Điểm dao động với biên độ cực tiểu thì được gọi là nút sóng.
• Điểm dao động với biên độ cực đại chính là bụng sóng.
• Khoảng cách giữa hai nút sóng hay hai bụng sóng liên tiếp là λ/2
• Khoảng cách giữa hai nút sóng hay hai bụng sóng bất kì là kλ/2
• Khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng liên tiếp là λ/4
• Khoảng cách giữa một bụng và một nút bất kì là: kλ/2+λ/4

Tốc độ truyền sóng: v=λf=λ/T

Tần số dao động:

Ta có: l=kλ/2<=>f=(kv)/(2l)

fmin=v/(2l) (Tần số nhỏ nhất để xuất hiện sóng dừng trên sợi dây có 2 đầu cố định)

Khi có 2 tần số liên tiếp tạo ra được sóng dừng mà bài yêu cầu tìm fmin

Ta có:

f1=fmin=v/(2l)

f2=2f1=(2v)/(2l)

f3=3f1=(3v)/(2l)

=>f1=f3–f2

Vậy: fmin=fn+1– fn

Gọi a là biên độ dao động của nguồn thì biên độ dao động của bụng là 2a, bề rộng của bụng sóng là 4a

Điều kiện để xảy ra hiện tượng sóng dừng trên dây

Sau khi đã tìm hiểu về tính chất của chúng rồi thì điều kiện để xảy ra hiện tượng sóng dừng sẽ là gì? Theo nghiên cứu thì sẽ có 2 trường hợp để có thể xảy ra được hiện tượng này. Cùng tìm hiểu rõ hơn trong phần thông tin bên dưới do AME Group cung cấp.

Trường hợp hai đầu là nút sóng (hai đầu cố định)

l=kλ/2 (k là số tự nhiên lớn hơn 0)

Trong đó:

• L: chiều dài dây; K ∈ N*
• λ: bước sóng
• k = số bụng sóng = số nút sóng – 1

Số bụng sóng = số bó sóng = k

Số nút sóng = k+1

Trường hợp một đầu là nút sóng còn một đầu là bụng sóng (một đầu cố định, một đầu tự do)

l=(2k+1)λ/4 (k là số tự nhiên lớn hơn 0)

Trong đó:

• L: chiều dài dây;
• λ: bước sóng
• K ∈ N; k=số bụng sóng – 1=số nút sóng – 1
• Đầu cố định của sóng dừng tương đương với 1 nút sóng
• Khoảng cách giữa hai nút sóng liên tiếp=khoảng cách giữa hai bụng sóng liên tiếp = λ/2
• Khoảng cách giữa nút sóng và bụng sóng liên tiếp = λ/4

Số bó sóng = k

Số bụng sóng = số nút sóng = k+1

Tần số:

Ta có l=kλ/2 + λ/4

<=> l=λ(k/2+1/4)<=>l=(v/f)*(k/2+1/4)

=> f = (v/l)*(k/2+1/4) => f = ((2k+1)*v)/(4l)

fmin = v/(4l)

Khi có 2 tần số liên tiếp tạo ra được sóng dừng mà bài yêu cầu tìm fmin

f1 = fmin = v/(4l)

f2 = 3f1 = (3v)/(4l)

f3 = 5f1 = (5v)/(4l)

=> f1 = fmin = (f3-f2)/2

Chú ý: Nếu đầu nào gắn với cần rung hoặc âm thoa thì đầu đấy là nút. Nếu treo lơ lửng hoặc thả tự do thì đầu đấy là bụng sóng

Phương trình sóng dừng

Gọi hai đầu sóng lần lượt theo thứ tự sẽ là A và B. Từ đó chúng ta sẽ có những phương trình sóng dừng dưới đây.

Trường hợp cả đầu A và đầu B cố định

Ta có phương trình sóng dừng sau:

• Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại B lần lượt là:

• Phương trình sóng dừng tại điểm M cách B một khoảng d:

• Biên độ dao động của phần tử tại M:

Đầu A cố định, đầu B tự do

• Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại B:

• Phương trình sóng dừng tại điểm M cách B một khoảng d:

• Biên độ dao động của phần tử tại điểm M:

Ứng dụng của sóng dừng

Thường thì sóng dừng được ứng dụng trong các trường hợp sau đây:

• Dùng để đo bước sóng
• Dùng để đo tốc độ truyền sóng

Như vậy là vừa rồi chúng ta đã tìm hiểu về sóng dừng và những thông tin hữu ích liên quan. Hy vọng bài viết trên của AME Group có thể giúp bạn trong quá trình tìm hiểu. Cảm ơn bạn đã quan tâm và theo dõi bài viết của chúng tôi.