Sóng Cơ Và Sóng Điện Từ Vào Thủy Tinh: Đáp Án Chuẩn Xác

Câu hỏi: Khi cho một sóng điện từ và một sóng cơ đi từ không khí vào thủy tinh:

• a) Cả hai sóng đều có tần số không đổi khi đi từ không khí vào thủy tinh.
• b) Khi đi từ không khí vào thủy tinh thì bước sóng của sóng điện từ giảm xuống.
• c) Khi đi từ không khí vào thủy tinh thì bước sóng của sóng cơ giảm xuống.
• d) Khi đi từ không khí vào thủy tinh thì cả hai sóng cùng chuyển thành sóng dọc.

Đáp án đúng là a và b. Khi truyền qua các môi trường khác nhau, tần số của cả sóng cơ và sóng điện từ luôn giữ nguyên do nguồn phát quyết định; đồng thời tốc độ sóng điện từ giảm khi vào thủy tinh khiến bước sóng giảm tương ứng.

Căn cứ xác định các nhận định a và b đúng

Tần số của mọi loại sóng phụ thuộc duy nhất vào nguồn phát dao động, không phụ thuộc vào bản chất môi trường truyền sóng. Tương tự như câu hỏi quen thuộc khi một sóng cơ truyền từ không khí vào nước thì đại lượng nào sau đây không đổi, tần số luôn là đại lượng bảo toàn khi sóng chuyển môi trường. Do đó, nhận định a hoàn toàn chính xác cho cả sóng cơ học lẫn sóng điện từ.

Đối với nhận định b, tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không hoặc không khí đạt giá trị cực đại xấp xỉ c = 3.10⁸ m/s. Khi đi vào môi trường trong suốt có chiết suất n > 1 như thủy tinh, tốc độ lan truyền giảm xuống theo hệ thức v = c/n. Kết hợp với công thức liên hệ v = λf, vì tần số f không đổi mà vận tốc v giảm, bước sóng λ bắt buộc phải giảm tương ứng.

Lý do các nhận định c và d không chính xác

Nhận định c sai vì sự thay đổi bước sóng của sóng cơ phụ thuộc vào bản chất đàn hồi, mật độ vật chất của môi trường và loại sóng cơ cụ thể. Tốc độ truyền sóng âm (sóng cơ) trong chất rắn thường lớn hơn rất nhiều so với trong chất khí do lực liên kết giữa các phân tử thủy tinh lớn hơn nhiều so với không khí (v_rắn > v_lỏng > v_khí). Vì v = λf và f không đổi, khi đi từ không khí vào thủy tinh, tốc độ sóng cơ thông thường tăng lên, kéo theo bước sóng tăng chứ không giảm. Do đề bài không chỉ rõ loại sóng cơ và điều kiện biên cụ thể, việc khẳng định bước sóng sóng cơ chắc chắn giảm là không có căn cứ.

Nhận định d sai hoàn toàn về bản chất vật lý của sóng điện từ. Sóng điện từ có véc-tơ cường độ điện trường và véc-tơ cảm ứng từ luôn dao động vuông góc với phương truyền sóng, do đó sóng điện từ luôn luôn là sóng ngang trong mọi môi trường và trong chân không, không thể chuyển thành sóng dọc. Sóng cơ có thể tồn tại ở dạng sóng dọc hoặc sóng ngang tùy theo môi trường và phương kích thích dao động, không tự động chuyển thành sóng dọc khi đổi môi trường.

Hệ thống kiến thức về sóng cơ và sóng điện từ khi đổi môi trường

Học sinh cần phân biệt rõ hai bản chất truyền sóng để tránh nhầm lẫn trong các bài toán biến thiên môi trường:

• Tần số (f) và chu kỳ (T): Không đổi đối với mọi loại sóng khi đi từ môi trường này sang môi trường khác. Nguồn phát dao động với nhịp điệu nào thì các phần tử môi trường và trường điện từ dao động với đúng nhịp điệu đó.
• Sóng điện từ: Bản chất là sự lan truyền của điện từ trường biến thiên, lan truyền tốt nhất trong chân không. Tốc độ truyền sóng điện từ giảm dần theo thứ tự: chân không > khí > lỏng > rắn (v = c/n). Do đó, khi đi từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn, vận tốc giảm và bước sóng giảm.
• Sóng cơ học: Bản chất là sự lan truyền dao động cơ học của các phần tử vật chất, không truyền được trong chân không. Môi trường càng đặc, tính đàn hồi càng cao thì tương tác giữa các phần tử càng mạnh, dẫn tới tốc độ truyền sóng càng lớn: v_rắn > v_lỏng > v_khí. Khi chuyển từ không khí vào chất rắn, tốc độ sóng cơ tăng và bước sóng tăng.
• Phương dao động: Sóng điện từ luôn là sóng ngang. Sóng cơ truyền trong chất khí và chất lỏng chỉ có thể là sóng dọc; trong chất rắn truyền được cả sóng ngang lẫn sóng dọc.

Mẹo nhận diện nhanh quy luật truyền sóng

Để xử lý nhanh các dạng bài trắc nghiệm về sự chuyển môi trường, hãy áp dụng quy tắc đối lập về tốc độ: môi trường càng đậm đặc (từ khí sang lỏng, rắn), sóng cơ đi càng nhanh còn sóng điện từ đi càng chậm. Khi gặp câu hỏi kiểm tra đại lượng bất biến như khi một sóng cơ truyền từ không khí vào nước thì đại lượng nào sau đây không đổi, hãy chọn ngay tần số hoặc chu kỳ.