Câu hỏi: Khi cho một sóng điện từ và một sóng cơ đi từ không khí vào thuỷ tinh, xét các phát biểu sau:
- a) Cả hai sóng đều có tần số không đổi khi đi từ không khí vào thuỷ tinh.
- b) Khi đi từ không khí vào thuỷ tinh thì bước sóng của sóng điện từ giảm xuống.
- c) Khi đi từ không khí vào thuỷ tinh thì bước sóng của sóng cơ giảm xuống.
- d) Khi đi từ không khí vào thuỷ tinh thì cả hai sóng cùng chuyển thành sóng dọc.
Đáp án đúng là a và b; hai ý c và d sai. Khi một sóng cơ hay sóng điện từ truyền từ không khí vào thuỷ tinh, đại lượng không đổi là tần số, còn tốc độ truyền sóng và bước sóng đều thay đổi theo đặc tính của từng loại sóng.
Vì sao ý a và ý b đúng
Tần số của một sóng là số dao động mà nguồn phát thực hiện trong một đơn vị thời gian. Khi sóng truyền sang môi trường khác, chính nguồn phát vẫn quyết định số dao động đó, nên dù là sóng cơ hay sóng điện từ, tần số luôn giữ nguyên khi đi từ không khí vào thuỷ tinh. Đây là lý do ý a đúng.
Ngược lại, tốc độ truyền sóng điện từ phụ thuộc vào môi trường: trong không khí tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không c, còn trong thuỷ tinh tốc độ giảm xuống còn v = c/n (n là chiết suất của thuỷ tinh, luôn lớn hơn 1). Vì bước sóng λ liên hệ với tốc độ v và tần số f theo công thức v = λf, mà f không đổi còn v giảm, nên bước sóng của sóng điện từ phải giảm theo. Đó là căn cứ khiến ý b đúng.
Vì sao ý c và ý d sai
Ý c khẳng định bước sóng của sóng cơ cũng giảm khi vào thuỷ tinh, nhưng điều này không đúng với bản chất của sóng cơ. Tốc độ truyền sóng cơ phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ vật chất của môi trường, mà thuỷ tinh là chất rắn có liên kết phân tử chặt hơn nhiều so với không khí, nên tốc độ truyền sóng cơ trong thuỷ tinh thường lớn hơn hẳn trong không khí, chứ không nhỏ hơn như trường hợp sóng điện từ. Vì tần số không đổi còn tốc độ tăng, bước sóng của sóng cơ sẽ tăng lên chứ không giảm xuống. Đây chính là điểm khác biệt mấu chốt giữa sóng cơ và sóng điện từ khi đổi môi trường, cũng là ý dễ gây nhầm lẫn nhất trong câu hỏi này vì nhiều người mặc định “vào môi trường đặc hơn thì bước sóng nào cũng giảm”.
Ý d cho rằng cả hai sóng đều chuyển thành sóng dọc khi vào thuỷ tinh cũng sai. Sóng điện từ về bản chất luôn là sóng ngang, với vectơ cường độ điện trường và cảm ứng từ dao động vuông góc với phương truyền sóng; tính chất này không thay đổi dù sóng đi qua môi trường nào, nên sóng điện từ không thể biến thành sóng dọc. Còn sóng cơ có là sóng ngang hay sóng dọc là do cách phần tử môi trường dao động so với phương truyền sóng, tính chất này gắn với loại dao động ban đầu chứ không tự chuyển đổi chỉ vì sóng đi sang một môi trường khác.
Hệ thống kiến thức liên quan đến sóng cơ và sóng điện từ khi đổi môi trường
Để làm chủ dạng bài này, cần nắm rõ ba đại lượng đặc trưng của sóng và mối liên hệ v = λf:
- Tần số f: do nguồn phát quyết định, không đổi khi sóng truyền qua các môi trường khác nhau, dù là sóng cơ hay sóng điện từ.
- Tốc độ truyền sóng v: với sóng điện từ, v giảm khi đi từ môi trường loãng (không khí) sang môi trường có chiết suất lớn hơn (thuỷ tinh, nước); với sóng cơ, v phụ thuộc vào độ đàn hồi và mật độ môi trường, thường tăng khi đi từ không khí vào chất rắn hoặc chất lỏng.
- Bước sóng λ = v/f: vì f không đổi, λ biến thiên cùng chiều với v. Do đó bước sóng sóng điện từ giảm còn bước sóng sóng cơ thường tăng khi cùng đi từ không khí vào thuỷ tinh hoặc nước.
- Loại sóng (ngang hay dọc): sóng điện từ luôn là sóng ngang trong mọi môi trường; sóng cơ có thể là sóng ngang (chỉ truyền trong chất rắn) hoặc sóng dọc (truyền được trong rắn, lỏng, khí), và loại sóng này không tự thay đổi khi sóng cơ đi từ môi trường này sang môi trường khác.
Đây cũng là lý do khi một sóng cơ truyền từ không khí vào nước, đại lượng không đổi chính là tần số, trong khi tốc độ truyền sóng và bước sóng đều thay đổi theo đặc tính đàn hồi của nước so với không khí.
Mẹo ghi nhớ khi gặp dạng câu hỏi này
Chỉ cần nhớ một nguyên tắc duy nhất: tần số sóng luôn không đổi khi đổi môi trường, mọi thay đổi còn lại đều xuất phát từ việc tốc độ truyền sóng thay đổi. Với sóng điện từ, tốc độ luôn giảm khi vào môi trường vật chất đặc hơn chân không hay không khí, nên bước sóng giảm. Với sóng cơ, phải xét cụ thể môi trường mới có tốc độ truyền âm lớn hơn hay nhỏ hơn không khí để suy ra bước sóng tăng hay giảm, không được áp dụng máy móc quy luật của sóng điện từ sang sóng cơ. Về loại sóng, chỉ cần nhớ sóng điện từ là sóng ngang “bất biến”, còn sóng cơ giữ nguyên bản chất ngang hoặc dọc của nó, không tự chuyển đổi khi di chuyển sang môi trường khác.
