Sóng điện từ, sóng cơ đi từ không khí vào thủy tinh: đáp án

Khi cho một sóng điện từ và một sóng cơ đi từ không khí vào thủy tinh, hãy xét tính đúng sai của các nhận định sau:

• 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 truyền thành sóng dọc

Đáp án đúng là a, b. Tần số sóng do nguồn phát quyết định nên không đổi khi truyền từ không khí vào thủy tinh, đúng với cả sóng điện từ và sóng cơ. Riêng sóng điện từ bị giảm vận tốc khi vào thủy tinh (v = c/n với n > 1), tần số giữ nguyên nên bước sóng giảm theo hệ thức v = λf.

Vì sao phương án a và b đúng

Hai phương án này đúng nhờ một quy luật chung: khi sóng truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tần số luôn không đổi, còn vận tốc và bước sóng thay đổi theo môi trường.

Phương án a: tần số là số dao động toàn phần thực hiện trong một đơn vị thời gian, do nguồn dao động quyết định. Việc sóng gặp mặt phân giới không khí – thủy tinh không làm nguồn dao động thay đổi, nên tần số của cả sóng điện từ lẫn sóng cơ đều được giữ nguyên.

Phương án b: sóng điện từ truyền trong không khí với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không (c). Khi đi vào thủy tinh, tốc độ giảm còn v = c/n, với n là chiết suất của thủy tinh (n > 1, khoảng 1,5). Áp dụng v = λf: vận tốc v giảm trong khi tần số f không đổi nên bước sóng λ giảm, giảm đúng n lần so với ban đầu.

Vì sao phương án c và d sai

Hai phương án này sai vì gán cho sóng cơ tính chất mà nó không có khi đi vào thủy tinh.

Phương án c sai và là bẫy dễ mắc nhất. Nhiều học sinh nhớ máy móc “vào môi trường hơn thì bước sóng giảm” từ hiện tượng khúc xạ ánh sáng rồi áp cho sóng cơ. Thực tế, vận tốc sóng cơ phụ thuộc vào độ đàn hồi và mật độ của môi trường, không phụ thuộc chiết suất quang học. Trong chất rắn như thủy tinh, sóng cơ truyền nhanh hơn nhiều so với trong không khí (âm thanh đi trong không khí khoảng 340 m/s nhưng trong thủy tinh lên tới vài nghìn m/s). Tần số không đổi mà vận tốc tăng thì λ = v/f phải tăng, chứ không giảm. Dù sóng cơ là sóng ngang hay sóng dọc thì trong thủy tinh tốc độ đều lớn hơn trong không khí, nên không có trường hợp nào bước sóng “giảm xuống” như nhận định c.

Phương án d sai và dễ loại nhất. Sóng điện từ luôn là sóng ngang: vectơ điện trường và vectơ từ trường vuông góc với phương truyền, bản chất này không đổi khi đi vào môi trường khác, nên không bao giờ chuyển thành sóng dọc. Sóng cơ là sóng ngang hay sóng dọc được quyết định bởi cách nguồn tạo sóng và môi trường truyền ngay từ đầu, không tự đổi loại khi qua mặt phân giới hai môi trường.

Hệ thống kiến thức về sóng khi đổi môi trường truyền

Toàn bộ bài toán xoay quanh hệ thức cơ bản của sóng: v = λf, trong đó v là vận tốc truyền sóng, λ là bước sóng, f là tần số. Khi sóng đi vào môi trường mới:

• Tần số f không đổi vì được quyết định bởi nguồn phát, không phụ thuộc môi trường.
• Vận tốc v thay đổi: sóng điện từ truyền trong chân không với tốc độ c không đổi, trong môi trường vật chất thì v = c/n (n là chiết suất); sóng cơ có vận tốc phụ thuộc độ đàn hồi và mật độ môi trường, nói chung chất rắn > chất lỏng > chất khí.
• Bước sóng λ = v/f thay đổi theo vận tốc: v giảm thì λ giảm, v tăng thì λ tăng.

Về bản chất, sóng điện từ là sóng ngang, truyền được cả trong chân không; sóng cơ có thể là sóng ngang hoặc sóng dọc tùy cách tạo sóng và môi trường, chỉ truyền được trong môi trường vật chất. Dạng câu hỏi “khi một sóng cơ truyền từ không khí vào nước thì đại lượng nào sau đây không đổi” cũng dùng đúng bộ quy tắc này: đáp án luôn là tần số.

Mẹo ghi nhớ và nhận diện nhanh

Chỉ cần ghi nhớ một hệ thức v = λf kèm quy tắc: “tần số bất biến, bước sóng tùy môi trường”. Cách nhận diện nhanh từng dạng:

• Câu hỏi kiểu “đại lượng nào không đổi khi sóng truyền sang môi trường khác” → chọn ngay tần số.
• Sóng điện từ vào môi trường có chiết suất lớn hơn (n > 1): v giảm, λ giảm — đây chính là kết quả của khúc xạ ánh sáng.
• Sóng cơ từ không khí vào chất rắn: v tăng, λ tăng — ngược hoàn toàn với sóng điện từ.

Bẫy thường gặp là vẽ mọi loại sóng theo một khuôn: bước sóng chỉ giảm khi vận tốc giảm. Sóng cơ trong thủy tinh nhanh hơn trong không khí nên bước sóng tăng, và sóng điện từ không bao giờ đổi bản chất sóng ngang của mình.