Lý thuyết Vật Lí 12

Lý thuyết Vật Lí 12 Toàn tập

Biên soạn: Nguyễn Tất Thành email: [email protected] Page 1 of 54

I. DAO ĐỘNG CƠ HỌC I.1 DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA I.1.1 Các định nghĩa a. Dao động: Là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp đi lặp lại nhiều lần quanh vị trí cân bằng. b. Dao động tuần hoàn: Là dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp lại sau những khoảng thời gian bằng nhau. (gọi là chu kì) c. Dao động điều hòa: Là dao động được mô tả bằng một định luật dạng sin (hoặc cosin) đối với thời gian: )cos( tAx . Ví dụ:

)2cos( t

TAx )2cos( ftAx )cos( tAx

I.1.2 Định nghĩa các đại lượng trong phương trình dao động điều hòa: )cos( tAx . x: li độ của dao động; là độ lệch của vật khỏi vị trí cân bằng A: biên độ dao động; là giá trị cực đại của li độ, xmax= A. : pha ban đầu của dao động ( không phải là góc thật mà là đại lượng trung gian cho phép ta xác định đại lượng ban đầu của vật ( vị trí, vận tốc ban đầu ) . Thời điểm t=0. t : pha của dao động; ( t không phải là góc thật mà là đại lượng trung gian cho phép ta xác định trạng thái dao động của vật ( vị trí ) . Thời điểm t. T: chu kì dao động; là khoảng thời gian ngắn nhất mà trạng thái dao động của vật lặp lại như củ.

f: Tần số dao động; là số dao động mà vật thực hiện được trong một đơn vị thời gian. T

f 1

: Tần số góc của dao động; là đại lượng trung gian giúp chúng ta xác đinh giá trị của f và T

theo công thức fT

22 , còn gọi là vận tốc góc (rad/s).

I.1.3 Công thức vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa. Xét dao động điều hòa: )cos( tAx Vận tốc tức thời ( bằng đạo hàm của li độ đối với thời gian)

dt

tAddtdxxv )cos(('

= )sin( tA

Tại biên Ax thì v = 0 Tai VTCB (vi trí cân bằng) x = 0 thì vận tốc cực đại: Av max

Gia tốc tức thời: )cos(2''' tAxva . Hay xa 2 Tại VTCB x = 0 thì a = 0 và hợp lực F = 0 Gia tốc luôn ngược dấu với li độ; hay a luôn hướng về vị trí cân bằng

I.1.4 Đồ thị dao động. Biểu diễn sự biến thiên của x, v, a theo thời gian với (t = 0, = 0) I.1.5 Hệ thức liên hệ giữa x, v, A, a độc lập đối với thời gian t.

I.1.6 Mối liên hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa.



- Xét điểm M chuyển động tròn đều trên đường tròn tâm O bán kính A, với tốc độ góc . (rad/d). - Lấy một điểm C trên đường tròn làm gốc. + Tại thời điểm t = 0 (ban đầu): vị trí của điểm chuyển động là M0 xác định bởi góc (hình vẽ). + Tại thời điểm t bất kì: vị trí của chất điểm chuyển động là Mt được xác định bởi góc t .

- Khi chiếu điểm M xuống trục OC, được xác định bởi điểm P: có tọa độ OPx - Ta có costOMOPx = )cos( tOM t - Vậy: )cos( tAx

Kết luận: Vậy chuyển động của điểm P trên trục OC là một dao động điều hòa. Vậy một dao động điều hòa có thể xem là hình chiếu của một chuyển động tròn đều xuống một trục qua tâm nằm trong mặt phẳng quỹ đạo. I.2 Khảo sát dao động của con lắc lò xo. I.2.1 Cấu tạo. -Lò xo có độ cứng k, khối lượng không đáng kể. -Một đầu lò xo gắn cố định, đầu còn lại gắn vào viên bi có khối lượng m (viên bi chuyển động không có ma sát theo phương ngang). I.2.2 Phương trình dộng lực học. - Chọn trục tọa độ ox hướng sang phải, góc tọa độ tại vị trí cân bằng. - Đưa viên bi ra khỏi vị trí cân bằng đến tọa độ x = A, rồi buông ra, viên bi dao động xung quanh vị trí cân bằng với biên độ A. - Xét viên bi tại vị trí bất kì ( tại M có tọa độ x), lực ma sát nhỏ (bỏ qua), các lực tác dụng lên viên bi. + Lực đàn hồi của lò xo, (định luật Húc) F = -kx ( dấu – chỉ rằng F luôn hướng về vị trí cân bằng) + Trọng lực P của viên bi, phản lực của mặt phẳng ngang cùng độ lớn và ngược chiều, luôn cân bằng và bỏ qua. Vậy lực đàn hồi F là lực gây nên gia tốc chuyển động của viên bi là:

- theo định luật II Newtơn: F = ma - với a là gia tốc của viên bi

- ,,2

2

xdt

xda

- vậy –kx = mx’’=> mx”+kx=0

- đặt mk

, vậy: 02,, xx . (1)

(1) là phương trình vi phân hạng hai thuần nhất (hay phương trình động lực học của con lắc lò xo) có nghiệm: tAx cos Vậy dao động của con lắc lò xo thực hiện dao động điều hoà với phương trình:

tAx cos I.2.3 Chu kỳ, tần số

* chu kì: kmT

22 , tần số:

mk

Tf

21

21

I.2.4 Năng lượng trong dao động điều hoà của con lắc lò xo I.2.4.a. Sự biến đổi năng lượng (khảo sát định tính)

* Xét dao động điều hoà của con lắc lo xo

+Kéo viên bi từ vị trí O đến A, công của lực kéo truyền cho viên bi một dạng năng lượng là thế năng đàn hồi Et . Tại vị trí cân bằng thế năng đàn hồi bằng không (gốc thế năng). +Tại biên A :Etmax , Ed = 0 +Thả viên bi lực đàn hồi sẻ kéo viên bi chuyển động nhanh dần về O dẫn đến Et giảm, Ed tăng +Tại O :Edmax, Et = 0

O

-A A



Do quán tính viên bi tiếp tục chuyển động đi qua O làm lò xo bị nén lại ,lực đàn hồi ngược chiều chuyển động làm viên bi chuyển động chậm lại Et tăng và Ed giảm.

+Tại -A viên bi dừng lại Etmax ,Ed = 0 Lò xo đẩy viên bi về phía O,nữa chu kỳ sau quá trình được lặp lại . Vậy trong quá trình dao động điều hoà luôn diễn ra quá trình biến đổi năng lượng giữa Et và Ed. Nếu Et tăng thì Ed giảm và ngược lại. I.2.4.b.Sự bảo toàn cơ năng trong dao động điều hoà (khảo sát định lượng) Xét dao động

tAx cos tại thời điểm t Ta có: tAxv sin, Tại thời điểm t năng lượng của dao động điều hoà là E .Cơ năng dt EEE Trong đó:

Et là thế năng đàn hồi của là xo. Ed là động năng của con lắc lò xo.

* tkAkxEt222 cos

21

21 (1)

* tAmmvEd222 sin

21

21 (2) với 2mk

Ta có: dt EEE = 22

21

mA = const

Nhận xét: Từ 1 và 2 thì trong quá trình dao động Et và Ed luôn biến đổi theo thời gian. Năng lượng (cơ năng) của hệ dao động không đổi theo thời gian, tỉ lệ với bình phương

biên độ dao động điều hoà. 3. Khảo sát dao động của con lắc đơn. 3.1 Cấu tạo.

Xét con lắc đơn gồm một viên bi nhỏ (khối lượng m) được xem như là một chất điểm. Treo vào sợi dây không giãn, có khối lượng không đáng kể. Con lắc có vị trí cân bằng là CO Chọn O làm góc toạ độ, chiều dương theo chiều dương lượng giác. Vị trí của viên bi tại

M được xác định được xác định bằng độ dài đại số cung OM = s. 3.2 Phương trình động lực học của con lắc đơn. - Đưa con lắc tới vị trí A, có biên độ cung s0 , con lắc dao động xung quanh vị trí cân bằng CO với biên độ góc là 0 .

- Xét tại vị trí bất kì, được xác định bởi cung s ( li độ ) viên bi chịu tác dụng của 2 lực: TP,

- Theo định luật 2 Newtơn: amTP . (1) - Phân tích lực P thành 2 thành phần. tP : vuông góc với dây (tiếp tuyến với quỹ đạo)

hP : theo phương sợi dây. Xét trường hợp 0

0 10 , (có thể xem cung OM trùng

với dây cung OM ) với ls

- Theo (1) chiếu lên os ( phương tiếp tuyến với quỹ đạo) - Ta có: tt maP - Hay: tt agmaP sinsin

(dấu “-“ vì tP

luôn hướng về vị trí cân bằng)

Mặt khác với 00 10 thì

ls

sin . Suy ra lsgat (2)

Theo định nghĩa về vận tốc ta có: dtdvat , với

dtdsv

T

P

tP

O

C



- Nên ''2

2

sdt

sdat thay vào (2) ta có 0,,,, slss

lsgs (3)

đặt lg

(vận tốc góc, hay tần số góc, đơn vị rad/s)

vậy (3) trở thành 02,, ss (4) (4) gọi là phương trình vi phân hạng hai thuần nhất, hay phương trình động lực học của chuyển động con lắc đơn.

(4) có nghiệm: tSs cos0 gọi là phương trình dao động của con lắc đơn. Dạng khác của phương trình dao động con lắc đơn : - lấy làm biến số thay cho cung s - ta có lsls ,,,, (5) Thay (5) vào (4): 00 2,,2,, ll (6) (6) là phương trình vi phân hạng hai thuần nhất (phương trình động lực học của con lắc đơn) có

nghiệm là: tcos0 là phương trình dao động con lắc đơn dạng góc. Vậy với nhưng dao động nhỏ thì dao động của con lắc đơn là dao động điều hoà với T, f, là:

Tần số góc: lg

(rad/s).

Chu kì: glT 2 (s).

Tần số: lgf

21

2 (Hz).

3.3 Năng lượng trong dao động con lắc đơn. 3.3.1 Khảo sát định tính. Đưa viên bi lên vị trí A, lực kéo nâng viên bi (sinh công) lên độ cao h0 so với vị trí cân bằng O.

Viên bi nhận được thế năng Et. (góc thế năng tại vị trí cân bằng VTCB O). Tại biên A: thế năng cực đại Etmax , Ed =0. Thả viên bi, thành phần tiếp tuyến tP

của trọng lực P

làm viên bi chuyển động nhanh dần về vị trí

cân bằng: thế năng Et giảm, động năng Ed tăng. Tới VTCB O: Et = 0, Edmax . Do quán tính viên bi vượt qua VTCB O tiếp tực đi lên chậm dần do tP

tăng, ngược chiều chuyển

động, do đó Et tăng, còn Ed giảm. Đến biên A’ viên bi dừng lại Etmax , Ed = 0, sau đó dưới tác dụng của tP

viên bi chuyển động về O.

Trong nữa chu kì sau quá trình lặp lại. Vậy trong quá trình chuyển động của con lắc đơn luôn diễn ra quá trình biến đổi giữa thế năng và

động năng. nếu Et tăng thì Ed giảm và ngược lại. 3.3.2 Khảo sát định lượng. Khi con lắc đơn dao động luôn chịu tác dụng của hai lực P

và T

T

không sinh công (vì luôn vuông góc với phương chuyển động). P

sinh công làm thay đổi thế năng và động năng của con lắc (cơ năng không đổi).

Xét tại thời điểm t (con lắc ở vị trí góc lệch ). Phương trình li độ cung: tSs cos0 Phương trình vận tốc: tSsv sin0

, thế năng hấp dẫn: mghtE , chọn góc thế năng ở VTCB 00 tE

Ta có: 2

sin2cos1 2 mglmglmghEt , với 010 thì 22

sin , mặt khác

ls

Vậy: 2222

2

21

21

412 smmgls

lsmglEt , hay tSmEt

220

2 cos21



Cơ năng của con lắc đơn; dt EEE

constSmtSmtSmE 20

2220

220

2

21sin

21cos

21

Hay 202

1 mglE

Vậy trong dao động điều hoà của con lắc đơn cơ năng của hệ không thay đổi, tỉ lệ thuận với bình phương biên độ dao động. 4. Tổng hợp hai dao động điều hoà. (cùng phương, tần số). 4.1 So sánh hai dao động, CLLX và CLĐ. 4.1.a Hai dao động có phương trình đều có dạng toán học như nhau, cùng mô tả dao động điều hoà (tính chất hàm tuần hoàn). 4.1.b Khác

Biểu thức tần số. CLLX

mk

-chỉ phụ thuộc vào hệ kín, độ cứng k, và khối lượng viên bi

CLĐ

lg

-phụ thuộc vào g (vị trí con lắc trên mặt đất), vì hệ kín là con lắc – Trái Đất. -độ dài l

Khi không có ma sát.

Con lắc lò xo dao động điều hoà trong giới hạn đàn hồi. Con lắc đơn dao động điều hoà (gần đúng) khi biên độ góc nhỏ. ( 010 ).

4.2 Độ lệch pha của hai dao động. Xét hai dao động cùng phương, tần số, có pha ban đầu khác nhau 1 và 2 . 111 cos tAx . 222 cos tAx . Độ lệch pha: 1212 tt Vậy độ lệch pha là đại lượng đặc trưng cho sự khác nhau về trạng thái giữa hai dao động cùng tần số

và xác định bởi hiệu số pha ban đầu. oconst : hai dao động lệch pha. 0 : x2 sớm pha so với x1 . 0 : x2 chậm pha so với x1 . k2 : ....3,2,1,0 k hai dao động cùng pha. 12 k : hai dao động ngược pha

2 : hai dao động vuông pha.

Ví dụ về 2 dao động ngược pha như hình vẽ. 4.3 Phương pháp giản đồ Frexnen. (véctơ quay).

Cơ sở: dựa trên tính chất một dao động điều hoà có thể xem như là một hình chiếu của một chuyển động tròn đều xuống một trục qua tâm trong mặt phẳng quỹ đạo.

Biểu diễn dđđh: tAx cos Vẽ trục toạ độ ox có góc tại tâm quỹ đạo tròn (hình vẽ). Véctơ A

có góc tại tâm O: độ dài bằng độ lớn biên độ dao động A, tạo với OC (ox) một

góc tại thời điểm t = 0. Khi véctơ A

quay theo chiều dương lượng giác với vận tốc góc . Khi đó hình chiếu

của véctơ A

xuống trục x’o x là một dao động điều hoà. tAOPx cos

Ta nói rằng dao động điều hoà x được biểu diễn bằng véctơ quay A

. 4.5 Tổng hợp hai dao động điều hoà cùng phương và tần số. Xét một vật tham gia đồng thời hai dao động điều hoà.



111 cos tAx . 222 cos tAx . Phương trình dao động tổng hợp: tAxxx cos21 Vẽ hai véctơ 1A

và 2A

có độ dài bằng biên độ A1 ,A2 lần lượt tạo với trục ox các góc 1 và 2 (t =

0). Véctơ A

tổng hợp của 1A

và 2A

(theo quy tắc hình bình hành), A

tạo với trục ox một góc .

Từ hình vẽ ta có const 12 . Khi cho hai véctơ 1A

và 2A

quay theo chiều dương lượng giácvới vận tốc góc .(hình bình hành

tạo bởi hai cạnh A1 và A2 không thay đổi hình dạng) Nên véctơ A

cũng quay theo chiều dương với vận tốc góc . Vì tổng đại số của các hình chiếu của hai véctơ 1A

và 2A

xuống một trục bằng hình chiếu của

véctơ tổng tới trục đó, nên véctơ tổng A

biểu diễn dao động tổng hợp và biểu diễn pha ban đầu của dao động tổng hợp Biên độ của dao động tổng hợp, xét OMM2 : )( 12 . Theo định lí hàm cosin:

122122

21

2 cos2 AAAAA Hay 1221

22

21

2 cos2 AAAAA (1) Độ lệch pha:

2211

2211' coscos

sinsintan

AAAA

OPOP

(2)

Ảnh hưởng của độ lệch pha tới biên độ dao dông tổng hợp k2 hai dao động cùng pha 21 AAA 12 k ngược pha 21 AAA

2 vuông pha: 2

22

1 AAA

oconst hai dao động lệch pha: 2121 AAAAA . 5 Dao động tự do. Dao động tắt dần. Dao động duy trì. 5.1 Dao động tự do. 5.1.1 Khái niệm: Dao động mà chu kì chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của hệ, không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài hệ. Ví dụ: khi ma sát không đáng kể:

Con lắc là xo dao động với chu kì: kmT

22 .

Con lắc đơn dao động với chu kì: glT 2

5.1.2 Hệ dao động: Là hệ có khả năng thực hiện dao động tự do. 5.2 Dao động tắt dần. 5.2.1 Khái niệm: Là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian.

A

1A

2A

M

O

M2

M1

P

P2

P1

'2P

'1P



5.2.2 Nguyên nhân. Lực ma sát của môi trường sinh công âm, làm giảm cơ năng của hệ nên biên độ dao động giảm. Tuỳ theo ma sát lớn hay nhỏ mà quá trình tắt dần nhanh hay chậm Đồ thị dao động tắt dần:

5.3 Dao động duy trì. 5.3.1 Khái niệm: Là dao động có biên độ không thay đổi theo thời gian (tự dao động). 5.3.2 Nguyên tắc: Phải tác dụng một ngoại lực tuần hoàn bằng tần số riêng của hệ, lực tuần hoàn nhỏ cung cấp cho hệ một phần năng lượng đúng bằng phần bị mất sau một chu kì dao động. Ví dụ: Một số hệ dao động duy trì. Hệ tự duy trì: đồng hồ quả lắc. Hệ có thông số thay đổi: Trò đánh đu. Hệ cưởng bức: một đứa trẻ ru võng

5.4 Dao động cưởng bức. 5.4.1 Khái niệm: là dao động dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn: ftHFn 2cos H: biên độ của ngoại lực. F: tần số của ngoại lực. với 0ff .

5.4.2 Đặc điểm. Trong khoảng thời gian nhỏ t ban đầu khi có ngoại lực tác dụng, dao động của vật là một dao

động phức tạp. Là sự tổng hợp của dao động riêng và dao động do ngoại lực tác dụng. Sau đó dao động riêng tắt dần chỉ còn lại dao động do tác dụng của ngoại lực: đó là dao động cưởng bức. Biên độ không đổi. Dao động cưởng bức có tần số bằng tần số của ngoại lực tuần hoàn. Dao động cưởng bức có biên độ phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa tần số cưởng bức f và tần số

dao động riêng 0f . Nếu 0fff có giá trị nhỏ thì biên độ dao động cưởng bức càng lớn, và ngược lại.

Nếu 00 fff thì xãy ra cộng hưởng. 5.5 Sự cộng hưởng. 5.5.1 Khái niệm.

Là hiện tượng biên độ của dao động cưởng bức tăng nhanh đến nột giá trị cực đại khi tần số cưởng bức tiến đến bằng tần số riêng của hệ dao động: 00 fff

Điều kiện cộng hưởng: 0ff 5.5.2 Đặc điểm cổng hưởng.

Hiện tượng cộng hưởng càng rỏ nét nếu lực cản của môi trường càng nhỏ gọi là cộng hưỡng rõ (hay cộng hưởng nhọn).

Nếu lực cản môi trường lớn, thì năng lượng do lực cưởng bức cung cấp chủ yếu bù vào phần năng lượng đã mất do ma sát, do đó hiện tượng cộng hưởng không thấy rõ gọi là cộng hưởng mờ.

Đồ thị:



II. SÓNG CƠ HỌC VÀ SÓNG ÂM 1. SÓNG CƠ 1.1 Khái niệm về sóng

Môi trường truyền sóng cơ học Sóng tuần hoàn cơ học chỉ truyền được trong môi trường mà các phân tử kiên kết với

nhau bằng lực đàn hồi Đối với sóng nước được tạo thành nhờ trọng lực và lực căng mặt ngoài Sóng cơ học Là những dao động đàn hồi lan truyền tong môi trường vật chất theo thời gian (hoặc) Là những biến dạng đàn hồi lan truyền trong môi trường vật chất theo thời

gian Quá trình truyền sóng bao gồm quá trình dao động của các phần tử môi trường và truyền pha dao động của các dao động đó Đặc điểm sóng: khi truyền sóng trong môi trường thì các phân tử môi trường chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng, mà không dịch chuyển theo sóng

Sóng dọc Là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương

truyền sóng Cơ chế: là sự truyền các chổ tụ (nén) và chổ tán (giãn) của môi trường vất chất

dọc theo phương truyền song Môi trường: Truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn. Không truyền trong chân

không Sóng ngang

Là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng

Môi trường: chỉ truyền trong môi trường chất rắn, trừ trường hợp sóng trên mặt nước

1.2 Quá trình truyền sóng trên mặt nước Xét một viên bi nhở P gắn trên đầu một thanh thép đàn hồi. Thanh thép đặt song song với mặt

nước và viên bi tiếp xúc với mặt nước. Khi cho viên bi dao động vuông góc với mặt nước, ta thấy có những sóng lan truyền từ P ra trên mặt nước dạng những gợn hình tròn lồi, lỏm đồng tâm tại P, lan rộng ra xa. Mỗi điểm trên mặt nước nơi sóng truyền qua sẻ dao động lên xuống với chu kì T.

Hình ảnh:

1.3 Nguyên nhân của sự truyền sóng trên mặt nước Giữa các phần tử nước nằm ở bề mặt (cũng như các chất khác) có lực tương tác lẫn nhau (lực liên kết) . Khi có một phần tử nước A dao động nhô lên cao, các lực tương tác kéo các phần tử lân cận nhô lên nhưng chậm hơn. Đồng thời các lực tương tác này cũng kéo phần tử A về vị trí củ (cân bằng). Vậy lực tương tác giữa các phân tử đóng vai trò như là lực đàn hồi của lò xo. Các quá trình như vậy diễn ra liên tục và dao động lan truyền ra xa.

1.4 Các đại lượng đặc trưng của sóng Chu kì T: Là chu kì dao động chung của các phần tử vật chất có sóng truyền qua và bằng

chu kì dao động của nguồn sóng Là khoảng thời gian ngắn nhất sau đó trạng thái lặp lại như cũ



Tần số: Là tần số dao động chung của các phần tử vật chất có sóng truyền qua bằng tần số

của nguồn sóng : T

f 1

Bước sóng : Là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha trên cùng một phương truyền sóng, là quảng đường mà sóng truyền đi được trong một chu kì T.

fvvT

Biên độ sóng: Là biên độ dao động của cá phần tử vật chất tại điểm đó nơi có sóng truyền qua

Tốc độ truyền sóng: Là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường, hay vận tốc truyền pha dao động.

Vận tốc truyền sóng ngang của lò xo hoặc, sợi dây: DFv

F Lực căng lò xo hoặc sợi dây D Khối lượng trên một đơn vị chiều dài

1.5 Phương trình truyền sóng Xét một sóng truyền dọc theo một đường thằng, sóng ngang truyền dọc theo theo một sợi dây

cao su. Bỏ qua mất mát năng lượng. Lấy đường truyến sóng làm trục x, chiều dương là chiều truyền sóng, chọn một điểm O làm

góc toạ độ Phần tử vật chất tại O sẻ dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng, trục x, độ

lệch khỏi vị trí cân bằng u và biến thiên theo định luật hàm cosin với thời gian: tAu cos

với: u: Li độ A: Biên độ sóng : Tần số góc

Xét dao động tại điểm M cách O một đoạn x. Sóng cần một khoảng thời gian vxt để truyền

từ O đến M. Vậy li độ tại M là uM tại thời điểm t sẻ bằng li độ dao động tại O là uo tại thời điểm tt .

ttAttutu oM cos

Với: vxt , vT

Phương trình sóng tại M:

x

TtA

vxtAxu 2coscos

Các dạng khác:

vxtfAtxu 2cos,

xftAtxu 2cos,

x

TtAtxu 2cos,

Biểu thức của li độ u là một hàm của hai biến số x, t Lưu ý: Li độ u khác với tọa độ x

Sóng ngang: trục u vuông góc với x Sóng dọc: trục u trùng với x

1.5.1 Tính chất tuần hoàn theo không gian và thời gian 1.5.2 Tuần hoàn theo thời gian



Xét một điểm P trên sợi dây có toạ độ xác định x = d. P dao động điều hoà có li độ tduP , là một hàm tuần hoàn theo thời gian:

vdtAtduP cos, , chu kì:

2

T

Đồ thi: biểu diễn li độ của điểm P theo thời gian

1.5.3 Tuần hoàn theo không gian Xét tại một thời điểm to bất kì xác định, vào thời điểm to li độ u của một điểm bất kì phụ thuộc

vào toạ độ x của điểm đó, nếu đi dọc theo dây thì x thay đổi và u củng thay đổi.

xTtA

vxtAxutxu 22coscos, 0

00 là một hàm tuần hoàn của x với chu kì

chứng minh: thay giá trị x bằng x + : 00 ,, txutxu

ta có: 000

0 ,222cos22cos, txuxT

tAxTtAtxu

Đồ thị:

1.5.4 Độ lệch pha giữa hai dao động cách nhau một khoảng d Xét hai điểm dao động có toạ độ x1 và x2 cách nhau một khoảng d trên phương truyền sóng

dxx 12 Theo phương trình sóng ta có độ lệch pha tại hai điểm:

dxxxftxft 2222 1212

Ta thấy bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm dao động cùng pha nằm gần nhau nhất: k với ....3,2,1 k dao động cùng pha

2

12 k dao động ngược pha

2

12; kk dao động lệch pha

1.6 Mặt sóng, mặt đồng pha, tia Khi sóng truyền qua, tất cả các điểm dao động cùng một pha như nhau thì hợp thành một

mặt gọi là mặt sóng (mặt đầu sóng). Trường hợp các mặt sóng là mặt cầu và sóng phát ra từ một điểm gọi là sóng cầu. Sóng có mặt đầu sóng là phẳng gọi là sóng phẳng. Tia sóng (phương truyền) là những đường thẳng đi qua tâm (sóng cầu) và vuông góc với mặt

đồng pha. 1.7 Các hiện tượng đặc biệt khi truyền sóng 1.7.1 Sóng phản xạ

Sóng truyền đến mặt giới hạn của môi trường truyền, và bên kia mặt giới hạn là một môi trường khác mà sóng không thể truyền qua hoặc chỉ một phần thì sóng sẻ truyền từ mặt gới hạn trở lại.

T

d/v

x

u(x,t U(t0,x))



Ví dụ: phản xạ sóng âm ở tường, vách núi 1.7.2 Nhiễu xạ. Nếu gặp một chướng ngại vật, thì nó có thể di vòng qua phía sau vật cản

Đặc điểm: Mặt sóng bị biến dạng, do tia sóng bị biến dạng Một lỗ nhỏ khi nhận được sóng tới bất kì dạng nào, củng có vai trò giống như một nguồn

phát sóng cầu 1.7.3 Giao thoa

Khi hai sóng cùng loại gặp nhau trong một miền không gian thì chúng sẻ hợp lại với nhau và tạo nên dao động tại một điểm ở miền đó. Nếu hai sóng cùng tần số, thì mỗi điểm gặp nhau có cùng li độ cùng phương và độ lệch pha không đổi với thời gian. 1.8 Năng lượng, mật độ năng lượng, mật độ dòng năng lượng 1.8.1 Năng lượng sóng

Sóng lan truyền làm cho các phần tử môi trường dao động, mỗi phần tử khi dao động sẻ có năng lượng:

22222pt 2

21

21W ufmum

m: khối lượng dao động tử : tần số góc f : tần số u: biên độ dao động

Lưu ý: Năng lượng sóng tại một điểm là năng lượng mà một đvtt (đơn vị thể tích) của môi trường tại điểm dao động, còn gọi là mật độ Năng lượng sóng ( là tổng năng lượng dao động của các phần tử trong một đvtt của môi trường)

Với: Dm khối lượng riêng của môi trường

22pt 2

1WW uD . Đơn vị 3mJ

Mật độ năng lượng sóng (năng lượng sóng) tại một điểm tỉ lệ với bình phương biên độ sóng tại đó 1.8.2 Mật độ dòng năng lượng

Là lượng năng lượng do sóng truyền tải qua một đơn vị diện tích trên mặt đầu sóng, trong một đơn vị thời gian

22

21W.v uDvs , 2

Wm , v là vận tốc truyền sóng

2. GIAO THOA SÓNG 2.1 Thí nghiệm

Dùng một thanh thép ở đầu có gắn hai quả cầu giống nhau A và B, khi cho thanh thép dao động. Hai quả cầu dao động và trên mặt nước xuất hiên hai sóng lan truyền theo những đường tròn đồng tâm. Hệ thống hai đường tròn mở rộng và cắt nhau, tạo nên trên mặt nước những đường cong có dạng gợn lồi, lỏm đứng yên không thay đổi theo thời gian nằm xen kẻ nhau.

chổ lồi có biên độ cực đại chổ lỏm có biên độ cực tiểu

Hiện tượng này gọi là giao thoa của hai sóng: từ hai sóng kêt hợp phát ra từ hai nguồn kết hợp Chổ lồi, lỏm gọi là vân giao thoa. Các vân này có dạng đường hypebol với hai tiêu điểm ở A, B 2.2 Định nghĩa hiện tượng giao thoa

Là hiện tượng xãy ra do sự tổng hợp của hai (hay nhiều) sóng kết hợp trong không gian, trong đó có những chổ nhất định mà biên độ sóng được tăng cường hoặc bị giảm bớt (thậm chí bị triệt tiêu).

2.3 Nguồn kết hợp Dao động phải cùng chu kì T Dao động cùng phương Dao động cùng pha hay hiệu số pha không đổi theo thời gian Ví dụ: tAu cos11 và +.cos22 tAu

2.4 Sóng kết hợp: Là hai sóng do hai nguồn kết hợp phát ra



2.5 Phương trình giao thoa sóng Thừa nhận nguyên lí: Nguyên lý chồng chập các dịch chuyển hoặc nguyên lý về tính độc lập của

các tín hiệu. Nếu hai tín hiệu cùng tính chất đi tới một điểm của môi trường thì chúng không ảnh hưởng gì lên

nhau mà chỉ chồng chập sau đó tiếp tục truyền đi xem như không có tín hiệu kia. Nếu tín hiệu một gây nên dịch chuyển u1, tín hiệu 2 gây nên dịch chuyển u2 thì tại thời điểm hai

tín hiệu gặp nhau dịch chuyển là: u = u1 + u2 . Nếu các tín hiệu dịch chuyển là khác phương và dịch chuyển diễn tả bằng véctơ 1u và 2u thì thời

điểm chồng chập sẻ là véctơ: 21 uuu

Nguyên lý này đúng khi các dịch chuyển là không quá lớn. Xét giao thoa trên mặt nước Giả sử A và B là hai dao động tử điều hoà cùng T, cùng biên độ A, đồng pha.

TtAu 2cos

Xét tại điểm M có khoảng cách tới A là r1, và tới B là r2 . Dao động tại M do sóng truyền từ A tới, có phương trình sóng là:

111 2cos2cos r

TtA

vrt

TAuu AM

Dao động tại M do sóng truyền từ B tới, có phương trình sóng là:

222 2cos2cos r

TtA

vrt

TAuu BM

tại M có sự chồng chập của hai sóng từ A và B truyền đến có phương trình:

21

21 2cos2cos rTtr

TtAuuuM

2

2coscos2 2112 rrTtrrAuM

2

2cos 21 rrTtAM

Vậy dao động tại M là điều hoà cùng chi kì với hai nguồn với biên độ dao động là:

12cos2 rrAAM

Vị trí cực đại giao thoa (điểm bụng)

maxMA khi 1cos 12

rr . Suy ra: krr 12 , với .....3,2,1 k

Những điểm tại đó có biên độ dao động cực đại là diểm mà hiệu đường đi của hai nguồn sóng tới điểm đó bằng một số nguyên lần bước sóng

Vị trí cực tiểu giao thoa (điểm nút) (là những điểm đứng yên)

0MA khi 0cos 12

rr . Suy ra: 2

1212

krr , với .....3,2,1 k

Những điểm tại đó biên độ dao động bị triệt tiêu là những điểm mà hiệu đường đi từ hai nguồn tới điểm đó bằng một số nguyên lẻ lần nữa bước sóng

3. SÓNG DỪNG 3.1 Thí nghiệm và sóng dừng 3.1.1 Sóng phản xạ và sóng truyền qua Sóng tới và sóng phản xạ lan truyền trên cùng một môi trường có cùng vận tốc lan truyền

Khi sóng phản xạ trên đầu cố định, thì sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới tại điểm phản xạ

Khi sóng phản xạ trên đầu tự do, thì sóng phản xạ luôn cùng pha với sóng tới tại điểm phản xạ

3.1.2 Sóng dừng Là sóng xuất hiện trên sợi dây với các nút và bụng được cố định trong không gian

3.1.3 Giải thích hiện tượng sóng dừng



Dao động truyền trên sợi dây từ P đến M dưới dạng một sóng ngang, đến M được giữ cố định xem như không dao động. Sóng truyền tới M sẻ bị phản xạ và truyền ngược trở lại P. Sóng tới và phản xạ thoả mãn điều kiện sóng kết hợp.

Điểm M không dao động nghĩa là sóng tới và phản xạ ngược pha nhau tại M. Kết quả là trên dây có sự dao thoa của hai sóng kết hợp truyền ngược chiều. Chúng cùng tần số với âm thoa và luôn ngược pha tại M.

Điểm P dao động cùng tần số với âm thoa và biên độ rất nhỏ nên nút ở đầu P rất gần điểm P. 3.1.4 Điều kiện để có sóng dừng

Để tìm điều kiện sóng dừng, ta phải xem P và M là hai nguồn phát sóng và xác định sóng tổng hợp do hai sóng tại một điểm N nào đó trên dây PM (dây có chiều dài l).

Dao động của nguồn P: tAuP cos

Dao động do P gây ra ở M:

vltAuPM cos với l = PM, v là vận tốc truyền sóng.

Nguồn M phát sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới tại M, do đó dao động của nguồn M là:

vltAuu PMM cos

Xét dao động tại điểm N do hai nguồn P và M truyền đến. N cách điểm P một khoảng r, và cách điểm M một khoảng l – r.

Dao động do P truyền đến N:

vrtAuPN cos

r

TtA 2cos

Dao động do M truyền đến N:

v

rlvltAuMN cos

rllTtA 2cos

Dao động tổng hợp: MNPNN uuu

Vận dụng hệ thức lượng giác: 2

sin2

sin2coscos

Ta có:

rll

TtAr

TtAuN 2cos2cos

l

TtrlAuM 2sin2sin2

Vậy dao động tổng hợp tại N là dao động điều hoà có tần số góc và biên độ:

rlAAM 2sin2 ; với điều kiện lr 0

Điều kiện tại N là cực tiểu giao thoa, hay điểm nút của sóng dừng: AM = 0 chỉ khi

02sin

rl

Khi r = l thì AM = 0, điểm M đứng yên

Điểm P đứng yên thì nếu r = 0 (N trùng P) ta có: kl

2

2kl với

...2,1k KL: Để có sóng dừng với hai điểm nút hai dầu sợi dây, thì chiều dài sợi dây phải

bằng một số nguyên lần nữa bước sóng Các điểm nút cách nhau một khoảng nữa lần bước sóng

Điều kiện cực đại giao thoa tại N: khi đó N là bụng sóng dao động với biên độ A2

Ta có 12sin

rl 2

122

krl , nếu N trùng với P và P dao động với

biên độ cực đại.



Suy ra: 2

122

kl

412

kl

Sự khác nhau giữa sóng chạy và sóng dừng Sóng chạy có các pha lan truyền theo phương truyền sóng, còn sóng dừng không có sự

truyền pha dao động. Các điểm giữa hai nút cạnh nhau luôn luôn dao động cùng pha, chỉ có biên độ dao động là khác nhau. Khi chuyển qua nút bên cạnh thì biên độ đổi dấu. dao động ngược pha

Điều kiện để có sóng dừng với 2 bụng hai đầu

2kl , hay

DF

fkl

2

Đk có sóng dừng với một đầu là bụng đầu kia là nút (phản xạ trên đầu tự do).

4

12 kl

Nút và bụng áp suất trong sóng dọc Nút dao động là bụng áp suất ( là nơi co sự nén hay dãn cực đại) Bụng dao động là nút áp suất

4. SÓNG ÂM 4.1 Khái niệm Sóng âm là sóng cơ học (sóng doc) truyền trong môi trường khí, lỏng, rắn

Trong chất rắn có hai loại sóng âm: sóng ngang và sóng dọc Trong khí hay lỏng: chỉ có sóng dọc mới truyền được Có hai loại âm

Nhạc âm (tiếng đàn, sáo….) là những sóng âm có tần số xác định. Tiếng ồn (tiếng nổ, va chạm…) là những âm không tuần hoàn, tần số không xác định

4.2 Cơ chế phát âm và truyền âm trong không khí Lấy một lá thép, được giữ chặt một đầu còn đầu kia dao động tự do. Khi lá thép dao động thì nó

có thể phát ra âm, lá thép dao động là một vật phát dao động âm. Lá thép càng ngắn thì tần số dao động càng cao, khi tần số nằm trong khoảng 16Hz đến 20000Hz, thì tai người có thể nge thấy.

Giải thích: Khi lá thép cong về một phía nào đó, nó làm cho lớp không khí trước đó bị nén lại và lớp sau bị dãn ra. Do đó khi lá thép dao động làm cho lớp không khí hai bên lá thép bị nén và dãn liên tục. Nhờ sự truyền áp suất của không khí mà sự nén dãn được truyền đi xa dần, tạo ra sóng dọc trong không khí. Sóng này có tần số đúng bằng tần số dao động của lá thép. Khi sóng truyền đến tai, thì áp suất không khí tác dụng lên màng nhĩ và gây nên cảm giác âm. 4.3 Môi trường truyền âm, vận tốc

Môi trường truyền âm: rắn, lỏng, khí Sóng âm không truyền trong chân không Chất cách âm: là chất gần như cản trở hoàn toàn với âm. Như bông, xốp, len…

Vận tốc âm: Phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường Lưu ý: Vận tốc của một sóng cơ học nào đó ngang hay dọc đều phụ thuộc vào Quán tính của môi trường (dùng để giữ trữ động năng). Tính đàn hồi của môi trường (dùng để giữ trữ thế năng).

4.4 Âm nghe được, hạ âm, siêu âm Âm nghe được: là âm có tần số 16 Hz đến 20000 Hz Hạ âm: có tần số nhỏ hơn 16 Hz; voi, chim bồ câu… nghe được Siêu âm: có tần số lớn hơn 20000 Hz; dơi, chó, cá heo…nghe được

4.5 Các đặc trưng vật lí của âm 4.5.1 Tần số âm Là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất 4.5.2 Cường độ âm và mức cường độ âm Năng lượng âm tỉ lệ với bình phương biên độ dao động âm 4.5.2.1 Cường độ âm

Cường độ âm tại một điểm là lượng năng lượng được nguồn âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích, đặt tại điểm đó vuông góc với phương truyền âm



Đơn vị 2W m , kí hiệu I Hoặc: là tốc độ trung bình mà năng lượng được chuyển qua một đơn vị diện tích

Mối liên hệ giữa I và biên độ dịch chuyển um theo hệ thức: 22.21

muvI

4.5.2.2 Mức cường độ âm Nếu gọi I là cường độ âm tại điểm mà ta xét và Io là cường độ âm chuẩn thì mức cường độ

âm được xác định là: 212

0 mW10 IIng , vậy mức cường độ âm: 0

lgIIL

Mức cường độ âm L của một âm là đại lượng đo bằng loga thập phân của tỉ số I/I0 .

Đơn vị L: Ben kí hiệu B; đơn vị thường dùng deciben: dB với BdB1011

Công thức dB: 0

lg10IIdBL

Lưu ý: Tai người chỉ nghe được âm có cường độ âm lớn hơn một gía trị cực tiểu gọi là

ngưỡng nghe Ing ; Ing chỉ phụ thuộc vào f ; 212 mW101000 ngIHzf Tai người cũng chỉ nghe được âm có cường độ nhỏ hơn một giá trị gọi là ngưỡng

đau Id , nếu lớn hơn thì làm đau tai (nhức tai): 2mW10dI 4.5.3 Âm cơ bản và hoạ âm

Âm cơ bản: mỗi dụng cụ âm nhạc khi phát ra âm có tần số 0f gọi là âm cơ bản, hay hoạ âm thứ nhất

Họa âm: là âm phát ra có tần số: .....5;4;3;2 0000 ffff gọi là các họa âm, các họa âm có biên độ rất khác nhau và tuỳ thuộc vào dụng cụ phát âm

Đồ thị dao động nhạc âm: là tập hợp đồ thị âm cơ bản và các họa âm đó Vậy có thể xem đồ thị dao động của âm như là một đặc trưng vật lí của âm

4.6 Các đặc trưng sinh lí của âm và sự phụ thuộc của chúng vào các đặc trưng vật lí 4.6.1 Độ cao

Là một đặc trưng sinh lý của âm gắn liền (phụ thuộc) vào tần số âm. Âm có tần số càng lớn thì nghe càng cao (hoặc thanh): giọng nữ Âm có tần số nhỏ thì nghe càng trầm: giọng nam

4.6.2 Độ to của âm Là một đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc vào mức cường độ âm (cường độ âm và tần số âm).

Độ to của âm biểu diễn bởi mức cường độ âm: 0

lg10IIL

Tai người nghe trong giới hạn: 0 dB đến 130 dB. mức cường độ âm nhỏ nhất còn có thể gây ra cảm giác âm gọi là ngưỡng nghe của âm đó.

Âm có mức cường độ âm càng cao thì nghe càng to, tuy nhiên độ to của âm còn phụ thuộc vào tần số. Hai âm có cùng mức cường độ âm, nhưng có tần số khác nhau sẻ gây ra cảm giác âm khác nhau.

Mức cường độ âm lớn đến một mức nào đó sẻ gây ra cảm giác đau nhức tai, là ngưỡng đau. Ngưỡng nghe < độ to của âm < ngưỡng đau

4.6.3 Âm sắc Là đặc điểm sinh lý âm phụ thuộc vào tần số âm, biên độ sóng âm và các thành phần cấu tạo âm. Sóng âm do nhạc cụ phát ra là sóng âm tổng hợp của nhiều âm cùng được phát ra cùng một lúc,

các sóng âm này có tần số là ....4,3,2, ffff với các biên độ ......,, 321 uuu rất khác nhau. Âm có tần số f gọi là âm cơ bản, các âm có tần số ....3,2 ff gọi là các âm thứ 2, thứ 3…. Họa

âm có biên độ mạnh nhất sẻ quyết định độ cao của âm mà nhạc cụ phát ra. Dao động tổng hợp vẫn kà một dao động tuần hoàn nhưng không điều hoà. Đường biểu diễn của

dao động âm tổng hợp không phải là một đường hình sin, mà là một đường có tính chất tuàn hoàn



nhưng hình dạng phức tạp. Một dao động tổng hợp có một âm sắc xác định. Chính vì vậy hai nhạc cụ khác nhau có thể phát ra hai âm cùng độ cao (cùng f) nhưng âm sắc hoàn toàn khác nhau.

Vậy âm sắc phụ thuộc vào số các họa âm và cường độ của các họa âm (tức là phụ thuộc vào tần số và biên độ). 4.7 Nguồn âm. Hộp cộng hưởng 4.7.1 Nguồn âm Là bất kì một vật dao động nào phát ra sóng âm 4.7.2 Hộp cộng hưởng

Sóng âm do các nguồn trực tiếp phát ra, thường có cường độ nhỏ. Muốn có âm to hơn, phải dùng các nguồn âm đó kích thích một khối không khí chứa trong một vật rỗng dao động cộng hưởng để nó phát ra với âm có cường độ lớn. Vật rỗng này được gọi là hộp cộng hưởng âm.

Khi sóng do nguồn phát ra truyền vào trong hộp cộng hưởng thì khối không khí trong hộp sẻ hình thành một sóng dừng, ở miệng của hộp cộng hưởng có một bụng sóng. Áp suất không khí ở miệng hộp cộng hưởng dao động rất mạnh. Dao động này truyền ra môi trường xung quanh một sóng âm có cường độ lớn.

Lưu ý: kích thước của hộp cộng hưởng phải thích hợp với âm cần khuyếch đại, mới có thể hình thành sóng dừng trong hộp.

Ví dụ: Đàn ghita thì bầu đàn là hộp cộng hưởng. Kèn, sáo thì phần ống rỗng thân kèn sáo là hộp cộng hưởng

5. HIỆU ỨNG DOPPLER Là hiện tượng khi có sự chuyển động tương đối giữa nguồn âm và tai nghe, thì âm mà tai nghe

được có tần số khác với tần số âm do nguồn phát ra. Ví dụ:

Dùng để đo tốc độ xe chuyển động nhờ rađa (bắntốc độ). Nhờ hiệu ứng Doppler với ánh sang khả kiến cho phép các nhà thiên văn học, xác định được tốc độ của các ngôi sao và các thiên hà đối với Trái Đất.

5.1 Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động (tai chuyển động). Xét một người (máy thu) đang chuyển động với vận tốc v (m/s) và một nguồn âm phát ra âm với

tốc độ c (m/s), tần số f và bước sóng Khi máy thu đứng yên so với nguồn, trong một khoảng thời gian t mặt sóng của âm di chuyển về

phía máy thu một khoảng ct. Số bước sóng mà máy thu nhận được trong khoảng thời gian t chứa trong khoảng vt là ct .

Vận tốc máy thu nhận được các bước sóng chính là tần số f mà máy thu nhận được:

c

tctf , trong trường hợp này không có hiệu ứng Doppler

5.1.1 Máy thu tới nguồn phát Trong thời gian t

Mặt sóng di chuyển tới nguồn một khoảng ct . Nguồn thu di chuyển tới nguồn phát một khoảng vt . Các mặt sóng di chuyển tới nguồn thu một khoảng là vtct Số bước sóng trong khoảng cách tương đối vtct , đó cũng chính là số bước sóng mà

máy thu nhận được trong thời gian t.

vtctk

Tốc độ mà nguồn thu nhận được trong trường hợp này có tần số 'f :

cvff 1'

Ta thấy )0,(; '' vffff 5.1.2 Máy thu ra xa nguồn phát

Tương tự ta có tần số mà nguồn thu nhận được là:

cvff 1' , vậy )0,(; '' vffff

Nếu vc chúng ta sẻ có trường hợp khác 5.2 Nguồn chuyển động, máy thu đứng yên



5.2.1 Nguồn tới gần máy thu

Xét tương tự trên ta có tần số máy thu nhận được là: vc

cff

.' , vậy ff ' , trừ trường hợp

cv 5.2.2 Nguồn ra xa máy thu

Tương tự ta có tần số mà máy thu nhận được là: vc

cff

'

5.3 Nguồn và máy thu đều chuyển động 5.3.1 Nguồn và máy thu cùng chuyển động trên đường thẳng nối chúng

Tổng hợp từ trên ta có tần số mà máy thu nhận được là:

cvcv

ff1

2

'

1

1

Với 1v là vận tốc của nguồn đối với không khí Với 2v là vận tốc của máy thu đối với không khí

Lưu ý: Nếu nguồn và máy thu chuyển động ra xa nhau thì: 0, 21 vv Nếu nguồn và máy thu chuyển động lại gần nhau thì: 0, 21 vv

5.3.2 Nguồn và máy thu không chuyển động theo đường thẳng nối chúng Các véctơ 1v và 2v tạo với đường thẳng nguồn và máy thu các góc 1 và 2

Âm mà máy thu nhận được có tần số là:

cv

cv

ff11

22

'

cos1

cos1

, nếu ff '0

21 90 không

có hiệu ứng Doppler ngang 5.4 Hiệu ứng Doppler với vận tốc nhỏ

Khi vận tốc của nguồn phát hay máy thu nhở so với vận tốc âm truyền đi: cv .

tần số âm mà máy thu nhận được là:

cvcv

ff1

2

'

1

1

, với cvv 21,

5.5 Vận tốc siêu thanh Khi nguồn chuyển động lại gần máy thu với một tốc độ cv . Thì ta tiên đoán rằng 'f rất lớn.

Có nghĩa là nguồn phát chuyển động nhanh đến nỗi nó đuổi kịp các sóng âm mà nó phát ra. Vậy điều gì sẻ xãy ra nếu cv ? Với tốc độ siêu thanh thì các công thức nghiệm cho trường hợp cv không còn sử dụng được

nữa. Khi đó các mặt đầu sóng hình cầu của nguồn âm phát ra sẻ chụm lại dọc theo một đường bao

hình chữ V, mà trong không gian 3 chiều là một hình nón gọi là Mateh. Làm xuất hiện một sóng xung kích trên mặt nón (do sự chụm lại của những mặt sóng tsọ nên một sự tăng, rồi giảm đột ngột của áp suất không khí khi mặt nón đi qua bất cứ điểm nào).

góc biểu diễn một nữu hình nón ở đỉnh, được gọi là hình nón Mateh, được xác định bởi công

thức: vc

sin

Tỉ số vc gọi là số Mach

Khi bạn nghe nói đến một máy bay nào đó với số Mach 2 hoặc 3 thì có nghĩa là tốc độ của máy bay gấp 2 hoặc 3 lần tốc độ âm trong không khí nơi máy bay bay qua.

Sóng xung kích do một máy bay sieu thanh (hay đầu đạn) gây ra tạo nên một sự nổ âm thanh gọi là sự nổ siêu thanh.



III. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. Nguyên tắc tạo nên dòng điện xoay chiều. Hiệu điện thế xoay chiều và cường độ dòng

xoay chiều 1.1. Nguyên tắc tạo nên dòng xoay chiều

1.1.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi cho một khung dây dẫn diện tích S quay đều trong một từ trường đều không đổi B

, xung

quanh một trục XX’ nằm trong mặt phẳng khung dây và vuông góc với các đường cảm ứng từ (hình vẽ). Khi đó trong khung dây sẻ xuất hiện một suất điện động cảm ứng điều hoà. Nối hai đầu A,B của khung dây với mạch ngoài thì trong mạch sẻ xuất hiện một dòng điện biến thiên điều hoà (dòng điện xoay chiều).

1.1.2 Suất điện động cảm ứng từ trong khung dây

Xét tại thời điểm ban đầu t = 0 pháp tuyến n của khung dây trùng với với hướng của từ trường B

. Đến tại một thời điểm t bất kì, pháp tuyến n của khung dây quay được một góc t

với là vận tốc góc. Từ thông qua khung dây: tBSBS coscos , khi có N vòng dây ta có tNBSNBS coscos

Vậy từ thông qua khung dây biến thiên tuần hoàn theo thời gian, nên trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Độ lớn của suất điện động cảm ứng được xác định bởi sự biến thiên của theo thời gian.

t tốc độ biến thiên này có giá trị tức thời là đạo hàm của theo thời gian:

Do đó: '

dtde . ( dấu ‘-‘ xuất hiện vì theo định luật Lenxơ dòng điện cảm ứng sinh

ra trong khung dây, có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông qua nó). tBNStBNSe sincos , , đặt NBSE 0 ta có tEe sin0

Nếu cuộn dây là khép kín và có điện trở thuần R thì cường độ dòng cảm ứng trong mạch là:

tItREi sinsin 0

0

1.2. Hiệu điện thế và Cường độ dòng xoay chiều Nếu ta nối hai đầu A, B với một mạch ngoài (tiêu thụ) thì trong mạch sẻ có một dòng điện:

Khung dây dẫn đóng vai trò là nguồn, suất điện động cảm úng đóng vai trò là suất điện động của nguồn. Vì suất điện động của nguồn biến thiên điều hòa với tần số góc nên hiệu điiện thế mà nó sinh ra ở mạch ngoài cũng biến thiên điầu hòa với tần số góc và có dạng:

tUu cos0 u: hiệu điện thế tức thời U0: hiệu điện thế cực đại Trong trường hợp tổng quát, ở mạch ngoài có các dụng cụ tiêu thụ điện R, L, C…. Khi đó

hiệu điện thế biên thiên điều hòa u sẻ tạo ra trong mạch một dòng điện có cường độ cũng biến thiên điều hoà với cùng tần số góc và có dạng:

tIi cos0 i: Cường độ tức thời I0: Cường độ cực đại : Độ lệch pha giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế ( phụ thuộc vào tính chất của

mạch điện).

X

t

X’

A

B

O n

B



Vì điện trường truyền trong các dây dẫn với vận tốc rất lớn (cỡ 3.108 m/s) nên ở mỗi thời điểm nhất định điện trường ở mỗi điểm trên mạch điện không phân nhánh là như nhau. Do đó cường độ dòng điện trên mạch không phân nhánh là như nhau.

Dòng xoay chiều có chu kì: 2

T , tần số: 2

1

Tf

2. Cường độ hiệu dụng và Hiệu điện thê hiệu dụng 2.1 Lý do sử dụng giá trị hiệu dụng U và I

Vì dòng xoay chiều rất khó xác định giá trị tức thời của nó (biên thiên quá nhanh), không thể lấy giá trị trung bình của i (vì trong một chu kì giá trị trung bình i bằng không).

Không thể dùng Ampe kế, Vôn kế khung quay để đo cường độ và hiệu điện thế dòng xoay chiều (vì mỗi khi dòng đổi chiều thì đáng lẽ kim điện kế đổi chiều ngay, nhưng do quán tính lớn của kim và khung quay nên kim không theo kịp sự đổi chiều của dòng điện) vì kim đứng yên khi dòng điện đi qua.

Mặt khác khi sử dụng dòng xoay chiều, cái ta cần quan tâm tới không phải là giá trị tức thời của nó trong từng thời điểm mà là tác dụng trong thời gian dài. Vì vậy ta không cần biết đến giá trị tức thời của dòng điện mà cần biết tác dụng lâu dài của nó. Ta biết tác dụng tỏa nhiệt của dòng điện không phụ thuộc vào chiều dòng điện, vì nó tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Do đó có thể so sánh tác dụng toả nhiệt của dòng điện xoay chiều với tác dụng tỏa nhiệt của dòng không đổi.

Dựa vào nguyên tắc nhiệt người ta chế tạo ra Ampe kế, Vôn kế nhiệt để sử dụng đo các giá trị hiệu dụng.

Đây là lý do để ta đưa ra khái niệm giá trị hiệu dụng I và U 2.2 Định nghĩa cường độ hiệu dụng I

Cho một dòng điện xoay chiều: tIi cos0 chạy qua một đoạn mạch có điện trở thuần R trong thời gian t khá dài. Thí nghiệm và thực nghiệm chứng tỏ rằng nhiệt lượng toả ra trên R.

tRIQ 202

1 , (chứng minh tại SGK12. GS: Ngô thúc Lanh và GS: Phan đức Chính, sách củ).

Nếu ta cũng cho dòng điện không đổi đi qua R, có cường độ I, trong thời gian t như đối với dòng xoay chiều thì mó cũng toả ra một nhiệt lượng như dòng xoay chiều: tRIQ 2

Do đó ta có: 20II , vậy xét về mặt tác dụng nhiệt trong cung một thời gian dài thi dòng

xoay chiều tIi cos0 có tác dụng như dòng một chiều I

Giá trị 20II gọi là cường đôi hiệu dụng

Định nghĩa: Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của dòng điện không đổi mà nếu chúng lần lượt đi qua cùng một điện trở thuần trong khoảng thời gian như nhau thì tỏa ra nhiệt lượng bằng nhau.

2.3 Hiệu điện thế hiệu dụng U

Biểu thức sđđ hiệu dụng: 20EE

Hiệu điện thế hiệu dụng: 20UU

3. Định luật Ôm cho các đoạn mạch riêng lẻ: R,L,C Dòng điện qua mạch có dạng: tItIi cos2cos0 thì điện áp hai đầu đoạn mạch có dạng

tUtUu cos2cos0 , là độ lệch pha giữa u và i 0 ta có u sớm pha so với i 0 ta có u trễ pha so với i 0 ta có u cùng pha so với i

3.1 Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R 3.1.1 Thiết lập mối quan hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế



A R B

Xét một đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R Nếu đặt vào giữa hai đầu A, B một hiệu điện thế không đổi U, thì trong mạch sẻ có

một dòng điện không đổi I, theo định luật Ôm: RUI và trong mạch có hiệu ứng Junlenxơ Bây giờ ta dặt vào hai đầu đoạn mạch A, B một hiệu điện thế xoay chiều có dạng:

tUu cos0 . Trong mạch AB củng chỉ xãy ra hiệu ứng Jun_Lenxơ. Trong một khoảng thời gian rất ngắn, ta có thể xem u và i là không đổi và áp dụng định luật Ôm đối với dòng không đổi

tR

URui cos0 , với

RUI 0

0 ta có tIi cos0

Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch chỉ co điện trở thuần biến thiên điều hoà cùng tần số góc và cùng pha với cường độ dòng điện 3.1.2 Biễu diễn giản đồ véctơ

Giản đồ mối quan hệ giữa u và i Ox là trục dòng điện, I

cùng chiều với ox

3.1.3 Định luật Ôm

Từ biểu thức R

UI 00 suy ra:

RU

I biểu diễn định luật Ôm cho đoạn mạch chỉ

có R 3.2 Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần L, (r = 0)

3.2.1 Mối quan hệ giữa cường độ và hiệu điện thế Xét đoạn mạch AB chỉ có cuộn cảm thuần L (có điện trở thuần 0r ).

Thí nghiệm Với dòng điện một chiều thì chúng tở rằng cuộn cảm L không có tác dụng cản trở

dòng điện này. Nhưng L có tác dụng cản trở dòng xoay chiều đi qua nó, và độ tự cảm càng L càng lớn tác dụng cản trở càng nhiều. Điều này chứng tỏ rằng l cũng có tác dụng cản trở đối với dòng xoay chiều và nó được gọi là Cảm kháng.

Biểu thức hiệu điện thế Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một dòng xoay chiều có cường độ dòng điện là:

tIi cos0 trong cuộn cảm sẻ xuất hiện một suất điện động tự cảm:

tiLe

, (dấu ‘-’ vì theo định luật Lenxơ suất điện động tự cảm có dấu sao cho

dòng cảm ứng sinh ra chóng lại sự biên thiên của từ thông qua cuộn dây). Nếu xét trong khoảng thời gian t rất nhỏ thì ta có tỉ số ti trở thành đạo hàm của

i đối với thời gian: tLILie .sin0

' , tại một thời điểm t bất kì, áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch chưa nguồn ta có:

eeirRu , vì R + r = 0 với giả sử đoạn mạch không có điện trở

Vậy:

2cos.sin 00

tLItLIeu , hay

2cos0

tUu với

oLIU 0 Kết luận: Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần biến thiên điều hòa

sớm pha 2 so với cường độ dòng điện 3.2.2 Giản đồ véctơ Chọn trục ox nằm ngang, ta chọn véctơ 0I

trùng với trục ox, thì 0U

vuông góc và hướng lên

trên

O 0U

0I

x

A B

L




Theo biểu thức oLIU 0 suy ra L

UI

00 .

Thay bằng giá trị hiệu dụng ta có: L

UI

LZ

UI , với fLLZ L 2 gọi là cảm

kháng Tính chất LZ ; phụ thuộc vào tần số dòng điện, LZ đóng vai trò như điện trở trong định

luật Ôm của dòng điện không đổi, nếu tần số dòng điện càng lớn thì LZ càng lớn, dòng điện bị cản trở nhiều. Nếu f dần tới giá trị bằng không, thì I dần đến giá trị vô cùng lớn lác này sẻ xảy ra đoản mạch (nếu điện trở thuần bằng không).

3.3 Đoạn mạch chỉ có tụ điện C 3.3.1 Mối quan hệ giữa cường độ và hiệu điện thế Xét đoạn mạch AB chỉ có tụ điện C

Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế không đổi. Thí nghiệm chứng tỏ rằng không có dòng điện trong mạch. Nghĩa là không cho dòng điện một chiều đi qua

Đặt vào hai đầu AB một hiệu điện thế xoay chiều, trong mạch xuất hiện dòng điện chạy qua. Điều này chứng tỏ tụ cho dòng điện xoay chiều chạy qua, đồng thời có sự cản trở đối với nó, tức là có một điện trở gọi là Dung kháng

Đặt hiệu điện thế xoay chiều: tUu cos0 vào hai đầu đoạn mạch AB Điện tích của tụ tại thời điểm t: tCUuCq cos. 0 , như vậy điện tích của tụ biến thiên

điều hòa với tần số góc . Nghĩa là luôn có những electron chạy từ đầu mạch đến bản tụ, và ngược lại. Tức là có một dòng điện biến đổi chạy qua mạch AB, xét trong một khoảng thời gian vô cung nhỏ t , cường độ dòng điện tức thời qua mạch là: tqi khi 0t , i trở thành đạo hàm của q theo thời gian.

tUCtCUdtdq

dtdqi sin.cos 00

, , với

2.cos.sin tt

Ta có:

2.cos0

tIi , giá trị cực đại 00 UCI . Dòng điện trong mạch chỉ có tụ

điện biên thiên điều hoà cung tần số với hiệu điện thê nhưng sớm pha hơn 2

Nếu dòng điện có biểu thức: tIi cos0 , thì hiệu điện thế:

2.cos0

tUu

3.3.2 Giản đồ véctơ Chọn trục ox làm trục dòng điện 0I


Từ biểu thức 00 UCI suy ra UCI hay CZ

UI , với fCC

ZC 2.1

.1

gọi là

Dung kháng Dung kháng CZ phụ thuộc vào tần số f của dòng điện, nó giữ vai trò như điện trở

trong định luật Ôm cho dòng điện không đổi. Nếu 0f (càng nhỏ) thì CZ (càng lớn) thì dòng điện càng dễ dàng đi qua tụ điện và ngược lại. Dòng điện không đổi (một chiều) không đi qua tụ điện.

CZ có tác dụng làm cho i nhanh pha hơn so với u một góc 2 3.4 Ảnh hưởng của R, L, C

3.4.1 Ảnh hưởng của R 3.4.1.1 Dòng không đổi

0U

O

0I

O



Đặt vào hai đầu AB chỉ có điện trở thuần, một dòng không đổi thị có hiệu điện thế U

và dòng điện I. Theo định luật Ôm: RUI . Đồng thời trên điện trở thuần toả ra một nhiệt

lượng Q theo định luật Jun-Lenxơ: tRIQ 2 3.4.1.2 Dòng xoay chiều

Đặt vào AB một dòng xoay chiều: tUu cos0 thì trong mạch xuất hiện một dòng

điện: tIui .cosR 0

Ta thấy i và u cùng pha, theo định luật Ôm thì có dạng như đối với dòng điện không đổi, có khác đó là các giá trị I và U là giá trị hiệu dụng 3.4.1.3 Giải thích

Điện trở thuần R gây ảnh hưởng đối với dòng điện không đổi cũng như dòng xoay chiều là như nhau. Đó là sự va chạm của các electron tự do với các ion mạng tinh thể, do sự va chạm này dẫn đến cản trở đối với dòng điện và toả nhiệt ở vật dẫn

3.4.2 Sự ảnh hưởng cuộn cảm thuần L 3.4.2.1 Đoạn mạch với dòng không đổi

L đóng vai trò là dây dẫn có điện trở không đáng kể, nghĩa là cuộn cảm hầu như không cản trở đối với dòng điện không đổi 3.4.2.2 Với dòng xoay chiều

Cản trở dòng xoay chiều như một điện trở gọi là Cảm kháng: fLLZ L 2 Tạo ra sự lệch pha (có điện trở thuần) giữa i và u ở hai đầu cuộn cảm, với

cuộn cảm có điện trở thuần không đáng kể (r = 0) thì u sơm pha hơn so với i một góc 2

3.4.2.3 Giải thích Khi dòng xoay chiều đi qua L, trong mạch xuất hiện một suất điện động tự cảm được

xác định: ,LitiLe

hay tLILie .sin0'

Do đó:

2.cos0

tLIe

e tương đương với một suất phản điện trong mạch, khi tính ta có thể xem như là một nguồn điện

Ta có ,, Liee , với e’ là suất điện động của nguồng điện ở trên mạch, do đó theo định luật ôm ta có: RieuRieu ,,

Khi L = 0 (dây thẳng dài) Riu Khi đoạn mạch có điện trở thuần rất nhỏ, có thể bỏ qua:

2.cos0

, tLIeeu hay

2cos0

tUu

3.4.3 Ảnh hưởng của tụ C 3.4.3.1 Dòng không đổi

Tụ C cản trở hoàn toàn đối với dòng điện không dổi 3.4.3.2 Dòng xoay chiều

Cho dòng xoay chiều đi qua

Có tác dụng cản trở dòng xoay chiều gọi là Dung kháng fCC

ZC 2.1

.1

Tạo độ lệch pha giữa i và u hai đầu bản tụ, với i sớm pha so với u một góc 2 3.4.3.3 Giải thích Xem phần 3.3.1

4. Định luật Ôm cho đoạn mạch RLC mắc nối tiếp 4.1 Thiết lập mối quan hệ giữa i và u

Xét một đoạn mạch không phân nhánh AB có R, L, C mắc nối tiếp



Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế xoay chiều, có một dòng điện chạy trong

mạch, có dạng: tIi .cos0 Hiệu điện thế trên mỗi đoạn mạch (phần tử) có dạng:

tUuu RAM .cos0R , với RIU R 00

2.cos0

tUuu LLMN ; LL ZIU 00

2.cos0

tUuu CCNB ; CL ZIU 00

Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch: NBMNAMAB uuuu Hay CL uuuu R tU .cos0

u là hiệu điện thế cực đại trên AB là độ lệch pha giữa u và i trên AB

4.2 Xác định giá trị U0 và Dựa vào giản đồ véctơ Frexnen, trên cùng một giản đồ véctơ ta chọn trục ox làm trục dòng

điện, dựng các véctơ RU 0

, LU 0

, CU 0

Vì LU0

và CU 0

luôn nguợc chiều nhau nên tổng của chúng LU 0

+ CU 0

có độ lớn bằng

CL UU 00 LCU0

Chiều của véctơ tổng LCU

:

LCU 0

cùng chiều với LU 0

nếu LU 0 > CU 0

LCU 0

cùng chiều với CU 0

nếu LU 0 < CU 0

LCU 0

bằng không nếu LU 0 = CU 0

Véctơ tổng 0U

tạo với trục dòng điện một góc , xác định theo quy tắc hình bình hành

0U

= RU 0

+ LU 0

+ CU 0

Xét trên trường hợp LU 0 > CU 0 theo giản đồ véctơ ta có: 2

020

20 )( oCLR UUUU hay 222

020 CL ZZRIU

Suy ra: 2200 CL ZZRIU

Độ lệch pha : R

ZZU

UUU

UU CLCL

R

CL

R0

00tan

Vậy hiệu điện thế trên đoạn mạch RLC biến thiên điều hoà cùng dòng điện và lệch pha so với

dòng điện một góc . với

R

ZZ CLarctan

1.3 Độ lệch pha

R L C

A

0U

LU 0

0I

LCU 0

0U

O X

LU

0U

T/2



Xét biểu thức R

ZZ CL tan

Nếu LZ > CZ hay LCC

L 11 2

suy ra > 0: đoạn mạch có u sớm pha hơn

so với dòng điện i. Đoạn mạch có tính chất cảm kháng

Nếu LZ < CZ hay LCC

L 11 2

suy ra < 0: đoạn mạch có u chậm pha hơn

so với dòng điện i. Đoạn mạch có tính chất dung kháng

Nếu LZ = CZ hay LC12 suy ra = 0: đoạn mạch có u và i cùng pha. Đoạn mạch

xãy ra cộng hưởng 4.4 Biểu diễn độ lệch pha của u và i trên cùng một đồ thị

1.4 Định luật Ôm Từ biểu thức: 22

00 CL ZZRIU

Ta có: 22CL ZZRIU , đặt 22

CL ZZRZ : gọi là tổng trở của mạch RLC

Suy ra: ZUI , là biểu thức định luật Ôm đối với đoạn mạch RLC

1.5 Cộng hưởng trong mạch RLC

Theo biểu thức định luật Ôm: ZUI

cường độ dòng điện qua mạch đạt giá trị cực đai maxI khi tổng trở của đoạn mạch minZ , với hiệu điện thế có giá trị xác định

minZ khi LZ = CZ suy ra LC12

LC1

Vậy trên đoạn mạch RLC xãy ra cộng hưởng khi ta chọn các giá trị của L, C thoả mãn điều

kiện LC1

thì dòng điện đạt giá trị cực đại: RU

ZUI min

max , lúc này hiệu điện thế cùng pha

với dòng điện. Kết quả: trên L, C có CL UU và có thể đạt giá trị rất lớn nếu R có giá trị nhỏ

5. Định luật Ôm cho các đoạn mạch RLC mắc nối tiếp bị khuyết một phần tử 5.1 Định luật Ôm cho đoạn mạch RC (khuyết L).

5.1.1 Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện Xét đoạn mạch AB gồm có R và C mắc nối tiếp với nhau: hình vẽ R C A M B

)2

.cos(0 tIi

)4

3.cos(0 tUu

t O

T T/2



Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điên thế xoay chiều, trong mạch xó một dòng điện xoay chiều có dạng: tIi .cos0

Hiệu điện thế giữa hai điểm AB có dạng: CMBAM uuuuu R

với tUu R .cos0R và

2.cos0

tUu CC , do đó biểu thức u có dạng:

tUu .cos0 5.1.2 Xác định U0 và từ giản đồ Frexnen

Sử dụng phương pháp như đối với mạch RLC ta có: CR UUU 000

Từ giản đồ véctơ: 2220

20

20

20 CCR ZRIUUU

hay 2200 CZRIU

Độ lệch pha:

RCR

ZUU C

R

C 1tan


Ta có: 22CZRIU

ZU

ZRUI

C

22

, 22CZRZ là tổng trở của mạch AB

5.1.4 Dung kháng Dung kháng của tụ điện có làm thay đổi cường độ dòng điện xoay chiều. Nhưng không gây

hiệu ứng Jun-Lenxơ, nên trong các dụng cụ điện có tụ điện khi hoạt động sẻ không tiêu hao điện năng và tụ không nóng lên.

Trong thực tế do điện môi của tụ điện không hoàn toàn cách điện (có điện trở thuần) nên khi tụ hoạt động sẻ có hiệu ứng Jun-Lenxơ nên tụ nóng lên. 5.2 Định luật Ôm cho đoạn mạch RL (khuyết C).

5.2.1 Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện Trên đoạn mạch AB chứa điện trở R và cuộn dây L (không có điện trở thuần r = 0). Đặt vào

hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có cường độ: tIi .cos0 R L A M B Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch: LMBAM uuuuu R

với tUu R .cos0R và

2.cos0

tUu LL , do đó hiệu điện thế hai đầu mạch có dạng:


Tương tư đối với mạch RC trên cùng một giản đồ véctơ ta dựng hai véctơ RU 0

và LU 0

theo

quy tắc hình bình hành: LR UUU 000

, 0U

tạo với trục dòng điện một góc

từ giản đồ véctơ ta có: 2220

20

20

20 LLR ZRIUUU

độ lệch pha: R

LR

ZUU L

R

L tan hiệu điện thế u

sớm pha hơn cường độ dòng điện một góc 5.2.3 Định luật Ôm

biểu thức hiệu dụng: 22LZRIU

ZU

ZRUI

L

22

, là biểu thức định luật Ôm của

đoạn mạch RL 5.2.4 Ảnh hưởng của lên độ sáng của đèn Neon

O

CU

RU 0

RU

0I



Trong đèn neon mạch điện có chấn lưu, là một cuộn cảm có cảm kháng L , và điện trở thuần R, tổng trở của mạch là: 22

LZRZ . Khi dùng bóng đèn 220V-50Hz mắc vào mạng điện 220V-60Hz, thì sẻ làm tổng trở của mạch

tăng lên, mặt khác hiệu điện thế không đổi nên theo định luật Ôm thì cường độ dòng điện giảm xuống làm cho bóng đèn bị tối 5.3 Định luật Ôm cho đoạn mạch LC (khuyết R).

5.2.1 Mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện Xét đoạn mạch AB chỉ có L, C (cuộn cảm có điện trở thuần không đáng kể r = 0). Đặt vào

hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều, trong mạch xuất hiện dòng điện xoay chiều: tIi .cos0 .

Hiệu điện thế AB: LMBAM uuuuu C

với

2.cos0

tUu LL và

2.cos0

tUu CC vậy hiệu điện thế trên mạch có dạng:


Theo giản đồ Frexnen trên cùng một giản đồ véctơ, với ox là trục dòng điện, xác định hai véctơ LU 0

và CU 0

: CL UUU 000

0U

tạo với trục dòng điện một góc . Vì hai véctơ LU 0

, CU 0

cùng phương ngược chiều

nhau, nên véctơ tổng có độ lớn được xác định: CL UUU 000

Hướng của véctơ 0U

0U

cùng chiều với LU 0

nếu OLU > OCU

0U

cùng chiều với CU 0

nếu OLU < OCU

0U

= 0 nếu OLU = OCU Ta có: CL ZZIU 00

Độ lệch pha :

2

nếu LZ > CZLC12

2 nếu LZ < CZ

LC12


Biểu thức hiệu dụng: CL

CL ZZUIZZIU

là biểu thức định luật Ôm đối với đoạn

mạch LC 5.2.4 Độ lệch pha

Độ lệch pha giữa i và u phụ phuộc vào điều kiện giữa cảm kháng và dung kháng: 2

6. Công suất dòng xoay chiều 6.1 Biểu thức

Xét đoạn mạch tiêu thụ RLC có điện áp tức thời và dòng điện: tUu .cos2 tIi .cos2

Công suất tức thời của mạch: tUIttUIiup .2coscos.cos.cos2. Giá trị trung bình trong một chu kì: tUIpP .2coscos Theo tính chất hàm cosin ta có:

coscos 0.2cos t



Do đó cosUIP là công suất trung bình trong một chu kì, cung như công suất sử dụng trong một thời gian dài 6.2 Điện năng tiêu thụ

Lượng năng lượng tiêu thụ trên mạch được xác định bởi: .tUIcosPtW 1kwh = 3.600.000 J

6.3 Hệ số công suất Dựa vào giản đồ véctơ của mạch RLC hệ số công suất của mạch được xác định:

ZR

ZZR

R

UUU

U

CLCLR

R

222

0020

0cos

Vậy công suất tiêu thụ trên mạch có thể viết lại: RIZUR

ZR

ZUUUIP 2

2

2

...cos

6.4 Tầm quan trọng của cos Theo công thức cosUIP với một giá trị xác định của U và I thì công suất tiêu thụ lớn khi

cos càng lớn Khi 0;1cos : đoạn mạch chỉ có điện trở R, hoặc xãy ra cộng hưởng, công

suất tiêu thụ trên mạch là lớn nhất: P = U.I

Khi 2

;0cos : mạch chỉ có L (thuần cảm) hoặc C, hoặc cả L và C; công

suât tiêu thụ trên mạch nhỏ nhất và bằng không. Khi đó dù nguồn điện cung cấp một công suất vô cùng lớn thì nơi tiêu thụ vẫn không tiêu thụ công suất đó. Nghĩa là không có hiệu quả, trong khi đó vẫn có một phần hao phí trên đường truyền tải

Khi 1cos0 thì 02

;2

0

đây là trường hợp thường gặp trong thực

tế. Khi đó công suất trên mạch tiêu thụ là cosUIP nhỏ hơn công suất nguồn cung cấp UI cho mạch. Để tăng hiệu quả sử dụng điện năng cho mạch, người ta tìm cách nâng cao cos ở nơi tiêu thụ Thường được lắp thêm tụ điện vào mạch nơi tiêu thụ, để làm giảm

7. Truyền tải điện và Máy biến áp 7.1 Khái niệm

Là thiết bị có khả năng thay đổi (biến đổi) điện áp (xoay chiều). Cấu tạo:

Gồm một lõi thép được ghép từ nhiều lá thép kỉ thuật, ghép cách điện với nhau (nhằm giảm dòng Fucô). Phần ứng gồm hai cuộn dây: cuộn sơ cấp N1 và cuộn thứ cấp N2 có số vòng

khác nhau Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

7.2 Công thức

1

2

2

1

2

1

II

UU

NN

; Nếu 11

2 NN thì ta có máy tăng áp; Nếu 1

1

2 NN thì ta có máy hạ áp

7.3 Truyền tải điện năng Khi truyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ sẻ bị hao phí trên đường truyền tải

với công suât hao phí:

22

2

22

phatphat

phat

phathp U

rPUP

rrIP

Ta có phatP hoàn toàn xác định, như vậy để giảm hpP thì phải giảm r hoặc tăng phatU Không thể giảm r, vì khi đó phải thay dây dẫn tôt hơn như Ag, Au là không thực tê

hoặc là tăng tiết diện dây dẫn vì không thể giảm chiều dài (Slr ). Tăng tiết diện dây dẫn

thì phải tăng hao phí để làm cột điện. Vậy giảm r là không khả thi



Tăng phatU chỉ bằng cách dùng máy biến áp, tăng điện thế trước khi truyền tải, kinh phí sẻ rẻ hơn rất nhiều, và tại nơi sử dụng người ta lại hạ áp

8. Máy phát điện xoay chiều một pha 8.1. Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ 8.2. Cấu tạo

Gồm hai phần cơ bản. o Phần cảm (stato): phần tạo ra từ trường B

là nam châm điện (hay nam châm

vĩnh cửu). o Phần ứng (roto): Là một hệ thống các cuộn dây mắc nối tiếp với nhau, nơi tạo ra

dòng điện. Để lấy điận ra bên ngoài, người ta dung hệ nthống hai vành khuyên và hai chổi quét tì

vào. Hệ thống gọi là bộ góp Để giảm tốc độ quay của roto thì phần cảm và phần ứng được cấu tạo nhiều cặp cực và

cuộn dây, số cực bằng số dây. Số cặp cực tăng lên bao nhiêu lần thì số cuộn dây tăng bấy nhiếu lần

Gọi n là số vòng/phút, p là số cặp cực thì tần số dòng điện tạo nên là: pnf60

9. Động cơ điện xoay chiều ba pha 9.1. Cấu tạo

o Stato (phần ứng): là một hệ thống gồm 3 cuộn dây mắc đối xứng nhau, và lệch nhau một góc 1200

o Roto (phần cảm): là một nam châm điện quay với tốc độ góc không đổi 9.2. Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

o Khi roto quay tạo ra ba dòng xoay chiều trong ba cuộn dây cùng độ lớn và lệch pha nhau một góc 3/2

o Dòng điện:

32.cos

32.cos

.cos

03

02

01

tIi

tIi

tIi

9.3. Cách mắc mạch ba pha o Mắc hình sao

Là một hệ thống gồm 4 dây dẫn (có dây trung hoà). hoặc gồm 3 dây không có dây trung hòa.

Điện áp: pd UU .3 Dòng điện: Id = Ip. Tải tiêu thụ không cần đối xứng

o Mắc tam giác Là một hệ thống gồm 3 dây dẫn, tải gần đối xứng Điện áp: Ud = Up Dòng điện: pd II .3

9.4. Ưu điểm o Tiết kiệm dây dẫn o Dòng 3 pha cung cấp một hiệu suất cao hơn so với dòng một pha o Tạo ra từ trường quay trong động cơ một cách dễ dàng

10. Động cơ không đồng bộ ba pha 10.1. Nguyên tắc hoạt động

o Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và từ trường quay 10.2. Từ trường quay



o Từ trường quay được tạo bởi dòng điện ba pha được đặt vào 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 trên đường tròn

o Từ trường quay tại tâm O có giá trị B = 1,5B0, (với B0 là từ trường do mỗi cuộn dây tạo nên) và quay với tần số bằng tần số của dòng điện

10.3. Cấu tạo o Stato (phần ứng): Gồm 3 cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau một góc 1200 o Roto (phần cảm): Là một khung dây dẫn (làm thành các lồng) gọi là roto lồng sóc

11. Máy biến thế và truyền tải điện năng 11.1. Nguyên tắc hoạt động

o Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ 11.2. Cấu tạo

a. Lõi thép Được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện (các lá sắt non pha Si, nhằm làm giảm dòng

Fuco) có tác dụng dẫn từ b. Cuộn dây Cuộn sơ cấp có N1 vòng dây (dòng điện đi vào) Cuộn thứ cấp có N2 vòng dây (dòng điện đi ra)

c. Hoạt động Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu cuộn sơ cấp thì nó gây ra một từ thông biến thiên

trong hai cuộn dây (do từ trường biên thiên) Kết quả trong cuộn thứ cấp xuất hiện một suất điện động cảm ứng, khi ta nối với

mạch ngoài thì thu đựơc dòng điện xoay chiều 11.3. Biểu thức

kII

NN

EE

UU

1

2

2

1

2

1

2

1

Nếu k >1 máy hạ áp (U1 > U2) Nếu k <1 máy tăng áp (U1 < U2)

Hiệu suất máy biến áp:

coscos

11

22

1

2

IUIU

PPH

11.4. Truyền tải điện năng a. Công suất hao phí

o 222

cos..

pphp U

rPIrP

Pp: Công suất nguồn phát Up: Hiệu điện thế nguồn phát cos : hệ số công suất của dây truyền tải (thông thường thì 1cos ) r: điện trở tổng cộng của dây tải (lưu ý dẫn điện bằng 2 dây)

o Độ giảm điện áp trên đường dây truyền tải: IrU . b. Hiệu suất truyền tải

o Hiệu suất: %100.P

PPH hp

Hêt học kì I



IV. DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

1. Mạch dao động 1.1 Cấu tạo LC

Là một mạch điện gồm có một tụ điện C, và một cuộn cảm L có đọ tự cảm không đáng kể bỏ qua. Khi không có hiệu điện thế và dòng điện trong mạch điện thì mạch ở trạng thái cân bằng về điện.

Nếu tích điện ban đầu cho tụ điện thì sẻ xuất hiện một hiệu điện thế trong mạch, giữa hai bản tụ, mạch điện không còn ở trạng thái cân bằng nũa. Sau khi thôi tích điện, tụ sẻ phóng điện tạo nên dòng điện trong mạch có cường độ biến thiên tuần hoàn và quá trình đó gọi là dao động điện 1.2 Sự biến thiên điện tích trên hai bản tụ

1.2.1 Phương trình dao động + - + - A D C +Q0 -Q0 K i

B D B L L

Xét tại thời điểm t, bản D của tụ điện C mang điện tích dương là +q (bảnB mang điện tích –q). Và dòng điện chạy qua cuộn dây L theo chiều từ B đến D có cường độ i. xét trong khoảng thời gian rất nhỏ t liền sau thời điểm t, khi đó xem giá trị q và i là không đổi, ta có:

ở tụ điện C: CquDB

Ở cuận cảm L: R

eui BD , định luật Ôm cho đoạn mạch

Suy ra RieuBD , với e là suất điện động tự cảm của cuôn dây tiLe

Mặt khác vì ta xét 00 RiR , do đó 0 euBD 0

tiLuBD

với Cquu DBBD

Vậy ta có phương trình: 0

tiL

Cq

Ta có mối quan hệ giữa điện tích q và cường độ dòng điện: theo định nghĩa về cường

độ dòng điện (SGK 11): tqi

khi 0t thì i trở thành đạo hàm của điện tích đối với

thời gian: ,qdtdq

tqi

Tỉ số ti

trở thành đạo hàm của dòng điện đối với thời gian khi 0t , nghĩa là

,,2

2,, q

dtqd

dtdiii

dtdi

ti

. Do đó phương trình viết lại là:

01,, qLC

q , đặt LC12 02,, qq . Là phương trình vi phân hạng hai thuần

nhất biểu diễn một dao động điều hoà. Hay còn gọi là phương trình động lực học của mạch dao động LC.

Phương trình có nghiệm: tqq .cos0 điều này chứng tỏ điện tích trên mạch LC biến thiên điều hoà với tần số góc

1.2.2 Sự biến thiên cường độ dòng điện trên mạch dao động



Sự biến thiên của điện tích trong mạch dao động một dòng điện i biến thiên ,qi

với tqq .cos0 tqdtdqi .sin0

hay

2.cos

2.cos. 00

tIitqi

Vậy cường độ dòng điện trong mạch dao động LC biến thiên điều hòa với tần số góc LC1 như điện tích của tụ trong mạch và nhanh pha hơn điện tích một góc 2

Hiệu điện thế giữa hao bản tụ: tCq

Cquu DB .cos0

1.2.3 Tần số, chu kì

Tần sô góc: sradLC

/;1

Chu kì: )(;22 sLCTT

Tần số: LC

f

22 ; (Hz)

Ví dụ tần số dao động riêng một số mạch Đài phát thanh: 105 Hz Phát thanh và truyền hình: 108 Hz Lò vi sóng: 2,5 .109 Hz Máy phát rađa: 1010 Hz

1.3 Đồ thị dao động mạch LC, với i và q

q0

0.q 0 T/4 T/2 3T/4 T A B A+ - B A B A - + B A B i = 0.q i = 0 0.qi i = 0 0qi

t = 0 t = T/4 t = T/2 t = 3T/4 t = T

Với biều thức:

2cos0

tqq và tqi .cos. 0

Trong một chu kì điện tích của tụ điện đổi dấu 2 lần, dòng điện đổi chiều 2 lần 1.4 Khảo sát năng lượng trong mạch LC

1.4.1 Năng lượng trong mạch LC Trong mạch LC (điện trở thuần r = 0) thì điện tích q và dòng điện i biến thiên điều

hoà với tần số góc LC1 Có biểu thức: tqq .cos0 tqi .sin0

Khi tụ C có điện tích q thì giữa hai bản tụ có một điện trường và năng lượng cảu tụ

điện hay năng lượng điện trường được xác định: C

qqu22

1W2



Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây, thì ở cuộn dây có một từ trường và năng lượng

của cuộn cảm hay năng lượng của từ trường ở cuộn cảm: 2.21W iL

1.4.2 Sự biến thiên của mỗi dạng năng lượng 1.4.2.1 Năng lượng tức thời trên C

Tại thời điểm t năng lượng điện trường có giá trị tức thời là:

tC

qC

qqu .cos222

1W 220

2

, ta có tt .2cos121.cos2

Vậy tC

q .2cos44C

qW20

20

d , năng lượng điện trường có một thành phần

không đổi theo thời gian và một phần biến đổi theo t với tần số góc 2' 1.4.2.2 Năng lượng tức thời trên L

Năng lượng tức thời trên cuộn cảm ở thời điểm t:

tqLLi .sin21

21W 22

022

t , với t.2cos121sin 2 và

LC12

Ta có tC

qC

q .2cos44

W20

20

t , vậy năng lượng từ trường cũng gồm một

thành phần không đổi, và một phần biến đổi theo thời gian 1.4.2.3 Kết luận

Năng lượng điện trường và từ trường trong mạch dao động LC biến thiên tuần hoàn theo thời gian với tần số góc 2 (hay chu kì 2

T , hoặc tần số 2f). có giá trị

trung bình bằng nhau trong một chu kì C

q2

WW20

td , khi năng lượng điện trường

tăng lên bao nhiêu thì năng lượng từ trường giảm đi bấy nhiêu và ngược lại. (nghĩa là không đồng thời cực đại hoặc cực tiểu).

1.4.3 Năng lượng điện từ trong mạch LC Năng lượng điện từ trong mạch LC: td WWW

ttC

qtt .cos.sin2

.cos2Cq.sin

2CqW 22

202

202

20

const2CqW

20

Vậy năng lượng điện từ trường của mạch dao động LC (bỏ qua điện trở thuần trên L) có giá trị tỉ lệ với bình phương điện tích cực đại trên tụ

20

20

tmaxdmax 21

2WWW LI

Cq

1.4.4 Dao động điện từ tự do Sự biến thiên điều hoà theo thời gian của điện tích q của một bản tụ điện, và cường độ

dòng điện (hoặc cường độ điện trường E

và từ trường B

) trong mạch dao động LC được gọi là dao động điện từ tự do

2. Điện từ trường 2.1. Giả thuyết của Maxwell về điện trường biến thiên và từ trường biến thiên

2.1.1. Từ trường biến thiên và điện trường xoáy Khi có một từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một điện trường xoáy tức là

một điện trường mà các đường sức bao quanh các đường cảm ứng từ 2.1.2. Điện trường biến thiên và từ trường xoáy

Khi có một điện trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một từ trường xoáy mà các đường cảm ứng từ bao quanh đường sức của điện trường

Điện trường biến thiên càng nhanh thì tạo ra từ trường xoáy càng mạnh và ngược lại 2.2. Đặc điểm của điện trường xoáy



Đặc điểm cơ bản của điện trường xoáy là các đường sức là những đường cong khép kín bao quanh các đường cảm ứng từ của từ trường biến thiên sinh ra nó. Như vậy khác hẳn với trường tỉnh điện (là những đường cong hở đi ra từ cực dương và đi vào từ cực âm).

Điện trường xoáy không phải là trường bảo toàn, nghĩa là công của một điện trường xoáy làm dịch chuyển một điện tích, phụ thuộc vào đường đi từ điểm đầu đến điểm cuối

Đặt một khung dây dẫn khép kín trong điện trường xoáy thì điện trường xoáy có thể làm điện tích dịch chuyển trong khung khép kín và sinh ra một công khác không. Đó là nguyên nhân sinh ra suất điện động trong khung dây

Chiều của điện trường xoáy phù hợp với quy tắc Len-xơ 2.3. Dòng điện dịch

Dòng điện dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Dấu hiệu tồn tại là nó sinh ra xung quanh mình một từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh lấy dòng điện.

Trong mạch dao động LC, dòng điện chạy qua cuộn dây L là dòng điện dẫn. Còn khoảng cách giữa hai bản cực của tụ điện C không có điện tích dịch chuyển nhưng kkại có điện trường biến thiên, điện trường biến thiên này sinh ra một từ trường có các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức từ của điện trường. Về mặt này ta thấy điện trường biến thiên hoàn toàn tương đương với mọt dòng điện dẫn. Vì vậy điện trường biến thiên trong tụ điện được gọi là dòng điện dịch giữa hai bản tụ điện.

Với khái niệm dòng điện dịch: tá có thể nói rằng dòng điện trong mạch dao động LC là một dòng khép kín 2.4. Điện từ trường

2.4.1. Khái niệm Là dạng vật chất tồn tại khách quan trong thực tế. Là một loại trường duy nhất bao

gồm hai mặt thể hiện khác nhau không thể tách rời nhau là điện trường và từ trường. Hay: Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy, từ trường biến

thiên theo thời gian dinh ra điện trường xoáy. Hai trường biến thiên này quan hệ mật thiết với nhau và là hai thành phần của một thể thống nhất, gọi là điện từ trường. 2.4.2. Nguyên nhân

Điện trường biến thiên nào cũng sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại. Cho nên điện trường và từ trường không thể tồn tại riêng biệt

Trong một số trường hợp đặc biệt người ta chỉ có thể quan sát thấy một mặt biểu hiện. nhưng đó chỉ là tương đối chứ thật ra hai mặt biểu hiện của điện trường vẫn đồng thời tồn tại.

Ví dụ: Nam châm vĩnh cửu đặt yên trên bàn nó tạo ra xung quanh một từ trường. nhưng một người quan sát (nam châm) chuyển động mang theo mình một dây dẫn khép kín, sẻ quan sát được dòng cảm ứng trong khung dây, tức là quan sát được điện trường tồn tại cùng với từ trường

3. Sóng điện từ 3.1. Khái niệm

Là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian 3.2. Giải thích

Khi có một điện tích điểm dao động điều hoà với tần số f thì nó sinh ra xung quanh nó một từ trường B biến thiên điều hòa với tần số f, đến lượt từ trường này sinh ra một điện trường E biến thiên điều hoà với tần số f. Đến lượt mình điện trường lại sinh ra từ trường biến thiên với tần số f, và quá trình này cứ tiếp tục kêt quả có một sóng điện từ lan truyền trong không gian. 3.3. Đặc điểm và tính chất sóng điện từ

Sóng điện từ lan truyền trong chân không với vận tốc ánh sang: c = 3.108 m/s Trong môi trường vật chất lan truyền với vân tốc v nhở hơn c

nccv

., n là chiết suất môi trường

Sóng điện từ là sóng ngang: Các véctơ E

và B

đều vuông góc với phương truyền sóng v . Ba véctơ E

, B

, v tạo nên một tam diện thuận



Sóng điện từ truyền đi trong tất cả các môi trường và trong chân không khác với sóng cơ học, sóng điện từ truyền đi không cần đến sự biến dạng của môi trường đàn hồi, mà nhờ mối quan hệ mật thiết giữa E

và B

biên thiên.

Trong một khoảng thời gian bằng một chu kì dao động T sóng điện từ có tân số f lan

truyền được một khoảng gọi là bước sóng. fvTv .

Trong sóng điện từ dao động thì tại một điểm dao động điện trường và từ trường luôn dao động cùng pha với nhau

Có tính chất của sóng ánh sáng (ánh sáng khả kiến) bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ …. Sóng điện từ mang năng lượng: Mật độ năng lượng của sóng điện từ tạo nên bởi sóng

điện từ tại mỗi điểm trong không gian bằng tổng mật độ năng lượng điện trường và từ trường

tại điểm đó: 20

20 ..

21 HEuuu BE

Lưu ý: trong sự lan truyền của sóng điện từ không có sự chuyển từ năng lượng điện trường thành năng lượng từ trường, hoặc ngược lại, chỉ có sự truyền năng lượng từ điểm này sang điểm khác dọc theo phương truyền sóng.

Năng lượng do sóng mang đi tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số 3.4. Sự truyền sóng vô tuyến

Các loại sóng vô tuyến:

Tầng đi

Tầng điện li Là tầng khí quyển ở độ cao khoảng 80 km lên đến 800 km, trong đó khí quyển bị ion

hoá (do bức xạ mặt trời và tia vũ trụ) chứa nhiều ion và electron. Sóng vô tuyến khi tới một lớp khí nào đó của tầng điện li sẻ bị phản xạ trở lại Sóng vô tuyến: các sóng phát đi từ mặt đất tuỳ theo tần số sóng và ban ngày hay

ban đêm mà cấu tạo của tầng điện li có khác nhau, do đó tầng điện li có thể hấp thụ hay phản xạ chúng. Các loại sóng vô tuyến thường gặp

Sóng dài (sóng đất) ban ngày truyền trực tiếp, còn ban đêm được tầng điện li phản xạ nên truyền đi được xa hơn (nhưng không ổn định) . Sóng dài chỉ dùng cho đài phát thanh địa phương và hiện nay không còn được dùng nữa

Sóng trung ban ngày truyền trực tiếp trên mặt đất (sóng đất) vì bị tầng điện li hấp thụ, ban đêm được tầng điện li phản xạ nên đi được xa hơn. Được sử dụng ở các đài phát thanh địa phương.

Sóng ngắn truyền gián tiếp (sóng trời). Nó được tầng điện li và mặt đất phản xạ cả ngày lẫn đêm, nên cự li truyền đi rất xa có thể hàng ngàn km

Tên băng tần bước sóng Tần số Sóng dài LW (lơngware) 2 km 0.6 km 150 kHz 500 kHz Sóng trung MW (Middle ware) 0.6 km 150 m 500 kHz 2 MHz Sóng ngắn SW (Short ware) 150 m 10 m 2 MHz 30 MHz Sóng cực ngắn (gồm) 10 m 1 dm 30 MHz 3000 MHz + Siêu cao tần VHF 10 m 1 m 30 MHz 300 MHz + Thậm cao tần UHF 1 m 1 dm 300 MHz 3000 MHz



Sóng ngắn thường hay chịu hiện tượng fading, nó thường được dùng chủ yếu để phát thanh ra nước ngoài.

Fading là một hiện tượng sinh ra do sự giao thoa của các sóng khi tới máy thu và sóng tổng hợp có thể mạnh lên hoặc yếu đi (hoặc tắt hẳn) làm cho âm thanh ở máy thu nghe lúc to lúc nhỏ, hình ảnh khi rõ khi mờ.

Sóng cực ngắn truyền trực tiếp, khi truyền trên mặt đất nó đi xa nhất khoảng 100 km, do bị giới hạn bề mặt cong trái đất

Sóng cực ngắn không bị tầng điện li hấp thụ mà nó đi xuyên qua tầng điện li, người ta quan sát được sóng phản xạ của sóng cực ngắn từ Moon. Sóng cực ngắn được dùng để liên lạc vô tuyến giữa trái đất và các vệ tinh nhân tạo

4. Nguyên tắc thông tin liên lạc bằng vô tuyến



V. SÓNG ÁNH SÁNG 1. Tán sắc ánh sáng

1.1. Thí nghiệm Chiếu một chùm tia sáng mặt trời hẹp qua một lăng kính thuỷ tinh, ta thấy chùm tia sau ló sau

lăng kính trải ra thành một dải có màu sắc đi từ đỏ đến tím. Tia đỏ lệch ít nhất còn tia tím lệch nhiều nhất.

Giải màu xuất hiện với 7 màu chính. Đỏ-da-cam-vàng-lục-lam-chàm (xanh dương)-tím. Dải màu này được gọi là quang phổ của

ánh sáng trắng (hay quang phổ liên tục). Vậy hiện tượng tia sáng ban đầu bị lăng kính phân tích thành những tia có màu sắc khác nhau

gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng. 1.1.1. Ánh sáng trắng và đơn sắc

Dùng một hệ thống màn chắn có khe hẹp E2 để tách ra một khe hẹp có màu nhất định (lục) tạo bởi lăng kính P1. Sau đó cho tia sáng này (lục) đi qua mặt lăng kính thứ hai P2, ta thấy tia ló ra khỏi P2 vẫn có màu lục. Như vậy tia lục khi đi qua lăng kính nó không bị phân tích, ta gọi nó là tia sáng đơn sắc.

KL: Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có màu nhất định và không bị lăng kính phân tích thành các màu khác.

LƯU Ý: Trong giải màu của ánh sáng trắng do lăng kính phân tích có màu sắc biến đổi liên tục từ đỏ đến tím, giữa các màu cạnh nhau không có ranh giới rõ rệt. 1.1.2. Ánh sáng trắng

Là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím. Thí nghiệm tổng hợp ánh sáng:

Chiếu một chùm tia sáng trắng qua một lỗ nhỏ nằm trên trục chính của thấu kính hội tụ L sao cho nó có một ảnh thật, màu trắng. dùng một lăng kính chắn tia sáng sau thấu kính L và trước điểm hội tụ (trước ảnh thật tạo bởi L). Chùm tia sáng sẻ tán sắc và phân tách cho một dải màu liên tục. Đặt một thấu kính R2, sao cho dải màu này nằm ngay trên mặt thấu kính, và di chuyển một màn ảnh E2 sau thấu kính L2 ta sẻ tìm thấy một vị trí của màn mà tại đó ta thấy có một vệt sáng trắng trên màn, vệt sáng trắng này chính là ảnh của mặt trước LK, là cơ chế chồng chập các tia sáng đơn sắc khác nhau.

1.2. Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng Ánh sáng trắng được xem là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến đổi

liên tục từ đỏ đến tím. Ta biết rằng góc lệch D của tia sáng qua lăng kính phụ thuộc vào các giá trị A, i, n của

tia sáng tới: niAfD ,, Thí nghiệm về tán sắc ánh sáng đối với các tia đơn sắc có cùng các giá trị A, i. Việc các

tia sáng đơn sắc khác nhau bị lệch nhiều hay ít sau khi qua lăng kính là do nguyên nhân, chiết suất của lăng kính đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là khác nhau.

timchamlamlucvangdacamd nnnnnnn Đó là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng tán sắc ánh sáng

1.3. Mối quan hệ giữa chiết suất môi trường và bước sóng ánh sáng (a) Bước sóng và màu sắc

Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có bước sóng xác định, màu ứng với ánh sáng đỏ gọi là màu đơn sắc đỏ hay màu quang phổ

Vùng đỏ: 0.760 m. 0.640 m. Vùng da cam 0.650 m. 0.590 m. Vùng vàng 0.600 m. 0.570 m. Vùng lục 0.575 m. 0.500 m. Vùng lam 0.510 m. 0.450 m. Vùng chàm 0.640 m. 0.430 m. Vùng tím 0.440 m. 0.380 m.

Chiết suất của môi trường và bước sóng ánh sáng



Ñeøn chieáu

S

M

S

1,2

Đèn chiếu

S

M1,2

S1,2

Chiết suất của một môi trường trong suốt nhất định đối với ánh sáng đơn sắc khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng đơn sắc đó.

Cùng một môi trường trong suốt nhất định ánh sáng có bước sóng dài thì chiết suất nhỏ hơn so với ánh sáng có bước sóng ngắn

2. Giao thoa ánh sáng 1. Hiện tượng nhiễu xạ

Hiện tượng Chiếu một chùm tia song song, đơn sắc vuông góc với màn chắn, trên màn chắn có khoét

một lỗ tròn có đường kính d. Nếu ánh sáng thuyền thẳng thi trên màn ảnh ta thu được một vệt sáng có đường kính bằng d, nhưng thực tế trên màn ảnh ta thu được một vệt sáng có đường kính lớn hơn nhiều.

Hiện tượng truyền sai lệch phương so với phương truyền thẳng khí ánh sáng gặp vật cản gọi là hiện tượng nhiễu xạ

Giải thích Để giải thích ta thừa nhận (có tính chất sóng) ánh sáng truyền đến mặt lỗ tròn thì phần

gặp bờ bị biến dạng, gây ra nhưng sóng lan truyền theo các phương khác nhau trong không gian sau lỗ tròn

2. Những kết quả cơ bản của lí thuyết về hiện tượng dao thoa sóng cơ học. Nếu hai sóng có cùng phương dao động lan truyền trong cùng một môi trường, đến gặp

nhau có thể xảy ra hiện tượng giao thoa Nếu hai dao động được biểu diễn bởi hai phương trình:

2022

1011

.cos.cos

tEEtEE

Điều kiện giao thoa cực đại (đồng pha): ....2,1,0;212 kk Cực tiểu giao thoa (ngược pha): ....2,1,0;)12(12 kk

3. Hiện tượng giao thoa ánh sáng Thí nghiệm giao thoa

Sơ đồ tn như hình vẽ, ánh sáng từ đèn D, qua kính lọc sắc F được chiếu lên một khe hẹp S trên màn chắn M1. S trở thành nguồn phát ánh sáng tới chiếu hai khe hẹp S1, S2 song song với khe S và rất gần nhau trên màn chắn M2. Đặt mắt sau màn chắn M2 sao cho có thể hứng được đồng thời hai chùm sáng phát ra từ S1, S2 vào mắt. Điều tiết mắt nhìn vào khe S, ta thấy có một vùng sáng hẹp mà tại đó có những vạch sáng tối xen kẻ nhau đều đặn và song song với S

Đây là hiện tượng giao thoa ánh sáng, các vạch sáng tối gọi là các vân giao thoa. Nếu ta dùng kính lọc sắc F khác nhau, thì kết quả cho thấy khoảng cách giữa các vân giao thoa là khác nhau.

Nêu dùng ánh sáng trắng, ta thấy có một vạch trắng ở giữa, hai bên có những giải màu cầu vòng gần nhau tím ở trong và đỏ ở ngoài

Giải thích Hiện tượng giao thoa ánh sáng trên có hình ảnh giống với giao thoa của sóng cơ học. Ở

đây ta thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng. F S S1 D S2



M

OD

1S

2S

1d

2d

Ánh sáng từ đèn D chiếu qua khe hẹp S, là cho khe hẹp S trở thành một nguồn phát sóng ánh sáng, truyền đến hai khe S1, S2. Hai khe S1, S2 được chiếu sáng trở thành hai nguồn phát sóng ánh sáng, phía sau chúng có một phần chồng lên nhau (do nhiễu xạ)

Lưu ý: hai khe S1 và S2 rất nhỏ và khoảng cách của chúng vào cỡ 10 -4 m, để quan sát được các vân giao thoa cần phải dùng một kính lúp có độ bội giác lớn mới quan sát được hình ảnh giao thoa

Hai khe S1,S2 thõa mãn điều kiện hai nguồn kết hợp: Cùng tần số Dao động do S1, S2 có độ lệch pha không đổi theo thời gian (khoảng cách S1 và S2 là

hoàn toàn xác định) Tại vùng chồng lên nhau xảy ra giao thoa ánh sáng. Xét một điểm A trên vùng giao thoa: Nếu tại A hiệu đường đi của hai sóng từ S1 và S2 tới A bằng một số nguyên lần

bước sóng ( k ) thì hai sóng tại đó tăng cường lẫn nhau và ta có vân sáng Nếu tại A hiệu đường đi của hai sóng từ S1 và S2 tới A bằng một số nguyên lẻ lần

nữa bước sóng 2

12 k thì hai sóng ở đó triệt tiêu lẫn nhau và ta có vân tối

Vậy hiện tượng giao thoa là một bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng

4. Xác định vị trí, khoảng vân, xác định bước sóng bằng giao thoa ánh sáng 1. Vị trí vân

Xét điểm M trên màn E thuộc vùng giao thoa được xác định tại vị trí

OAx Từ điểm M ta xác định MH vuông góc với S1S2, với aSS 21

Ta có: 2

S1axH và

2S2

axH

đặt OI = D (khoảng cách từ hai khe hẹp đến màn) với MSdMSd 2211 ;

Theo định lý pitago ta có:

22

22

22

21

2

2

Daxd

Daxd Suy ra:

axdd 221

22 axdddd 21212

Từ các kết quả thực nghiệm cho thấy các giao thoa chỉ quan sát được rỏ ở rất gần vị

trí O, nên ta có thể xem: Ddd 212 Daxdd 12

Tại M là vân sáng khi: .....3,2,1,0;12 kkdd và là bước sóng ánh sáng

Vị trí vân sáng: aDkxs

00 Sxk : ta có vân sáng bậc 0 (ứng với vân trung tâm).

aDkxk S

1 : ứng với vân sáng bậc 1

Tại M là vân tối khi: .....3,2,1,0;2

1212 kkdd



Vị trí vân tối: aDk

aDkxT

21

212

Lưu ý: không có vân tối trung tâm

với

aDx

aDx

kk

T

T

2

21

0

, gọi là vân tối bậc 1

2. Khoảng vân Xen giữa các vân sáng là vân tối, các vân sáng cũng như tối nằm cách đều nhau.

khoảng vân i là khoảng cách giữa hai vân sáng hay hai vân tối liên tiếp:

aDi

aDk

aDkxxi kk

11

2. Các loại quang phổ 2.1. Máy quang phổ lăng kính

Ống chuẩn trực Hệ tán sắc Buồng tối

2.2. Quang phổ liên tục a. Định nghĩa

Là quang phổ gồm nhiều dải sáng có màu sắc khác nhau biến đổi liên tục (biến thiên liên tục từ đỏ đến tím)

Ví dụ: quang phổ mặt trời, đèn sợi đốt b. Điều kiện phát

Do chất rắn, lỏng và những chất khí có tỉ khối lớn (áp suất cao) khi bị nung nóng đều phát ra quang phổ liên tục.

Ví dụ: ánh sáng mặt trời phát ra quang phổ liên tục vì mặt trời là một khối khí có tỉ khối lớn nhiệt độ bề mặt cở 6000K

c. Tính chất, đặc điểm Quang phổ liên tục không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà

chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng Ví dụ: Miếng sắt, Sứ được nung nóng đến nhiệt độ như đồng nóng chảy, thì cả ba

đều phát ra quang phổ liên tục Nhiệt độ càng cao, miền quang phổ của vật càng tiến về phía ánh sáng có bước

sóng ngắn hơn Ví dụ: Các vật sáng ở nhiệt độ 5000 C phát ra tia sáng đỏ yếu, đến nhiệt độ 8000 C

phát ra ánh sáng đỏ tươi. Ở nhiệt độ 15000C phát ra quang phổ đủ 7 màu nhưng màu tím yếu

Đèn sợi đốt có nhiệt độ khoảng từ 25000C đến 30000C phát ra ánh sáng trắng Mặt trời có nhiệt độ bề mặt khoảng 60000C và vùng sáng mạnh của quang phổ

liên tục mặt trời nằm lân cận bước sóng 0.47 m. . Các ngôi sao có nền nhiệt độ cao hơn mặt trời thì cho ánh sáng màu xanh

d. Ứng dụng Dùng để xác định nhiệt độ các vật phát sáng, đặc biệt các vật ở xa ( mặt trời, các ngôi

sao…) hoặc các lò luyện thép, hồ quang… 2.3. Quang phổ vạch phát xạ

a. Định nghĩa Là quang phổ gồm một hệ thống các vạch màu riêng lẻ nằm trên nền tối b. Nguồn phát

Do chất khí bay hơi ở áp suất thấp, bị kích thích bằng đốt nóng hay phóng điện qua chúng.

Ví dụ: đèn hơi Na phát ra một vạch vàng (thực chất gồm hai vạch vàng rất sát nhau). c. Tính chất và đặc điểm



Thực nghiệm chứng tỏ rằng quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố hóa học khác nhau là khác nhau

Chúng có các bức xạ với các bước sóng xác định và cho một quang phổ vạch phát xạ riêng đặc trưng cho nguyên tố đó. Với mỗi nguyên tố có số lượng vạch, màu sắc xác định.

Ví dụ: quang phổ Na cho hai vạch màu vàng kép có bước sóng m.5890.0 và m.5896.0

Hiđro có 4 vạch đặc trưng: Vạch đỏ H m.6563.0 Vạch lam mH .4861.0 Vạch chàm (xanh dương) mH .4340.0 Vạch tím mH .4102.0

Cùng là vạch đỏ nhưng với các nguyên tố khác nhau thì cho vị trí khác nhau Vạch đỏ của Kali: m.770.0 Vạch đỏ của Liti: m.670.0 Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ cho chúng ta thấy với mỗi chất khí bay hơi, nóng

chảy ở áp suất thấp cho các quang phổ vạch phát xạ xác định d. Ứng dụng

Dùng để phân tích thành phần của mẫu vật, dựa vào thành phần của phổ phát xạ để tìm ra sự có mặt của các nguyên tố hoá học trong mẫu vật

2.4. Quang phổ vạch hấp thụ a. Định nghĩa Là một hệ thống các vạch tối riêng lẻ trên nền quang phổ liên tục b. Cách tạo ra quang phổ hấp thụ

Chiếu sáng khe của một máy quang phổ bằng đèn sợi đốt ta thu được một quang phổ liên tục. Bây giờ ta đặt vào giữa đèn và khe máy quang phổ một đèn hơi Na (17000C) thì ta thấy trên nền quang phổ liên tục xuất hiện hai vạch tối (kép) ở đúng vị trí vạch vàng của quang phổ phát xạ Na

Ta nhìn thấy hai vạch tối trên nên quang phổ liên tục, thực chất chúng có độ sáng mờ, do độ tương phản nên ta sẻ nhìn thấy vạch tối trên nên quang phổ liên tục. Nhìn thấy vạch mờ vì hai bức xạ có bước sóng của vạch vàng kép trong quang phổ liên tục bị hấp thụ và thay vào đó là hai vạch phát xạ của hơi Na ít sáng hơn c. Điều kiện

Nhiệt độ của đám khí bay hơi phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn phát quang phổ liên tục d. Hiện tượng đảo sắc

Trong thí nghiệm quang phổ vạch hấp thụ, nếu ta tắt nguồn phát quang phổ liên tục thì nền quang phổ liên tục bị biến mất. Tại vị trí vạch tối sẻ cho vạch quang phổ vạch phát xạ của nguyên tố vừa cho quang phổ vạch hấp thụ đó e. Kết luận

Ở một nhiệt độ nhất định một đám hơi (khí) có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào, thì có khả năng hấp thụ ánh ánh sáng đơn sắc đó f. Quang phổ hấp thụ Mặt trời

Quang quyển của Mặt trời bức xạ ra quang phổ liên tục bị sắc quyển ít nóng hơn có chứa các hơi kim loại và khí ở nhiệt độ thấp hơn hấp thụ mất đi các vạch mà chúng có thể phát xạ. Đó là lí do chúng ta phát hiện ra các nguyên tố có trên mặt trời

3. Phép phân tích quang phổ, và ứng dụng Là phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiên cứa thành phần phổ gọi

là phép phâ tích quang phổ Phân tích định tính:

Khi chỉ cần biết sự có mặt của các nguyên tố khác nhau trong mẫu vật Cho kết quả nhanh, độ nhạy cao và có thể cùng một lúc xác định được nhiều

nguyên tố khác nhau (nhanh hơn hoá học) Phân tích định lượng:



Khi cần biết nồng độ tất cả các chất trong mẫu vật, bằng cách đo cường độ các vạch phát xạ và hấp thu của nguyên tố đó Rất nhạy, có thể phát hiện lượng chất trong mẫu vật vào khoảng 0.0002%

4. Tia hồng ngoại, tử ngoại 1. Thí nghiệm phát hiện hồng ngoại và tử ngoại

Chiếu sáng máy quang phổ bằng một nguồn hồ quang điện J vào khe máy quang phổ lăng kính. Tại tiêu diện của thấu kính L2 trong buông ảnh sẻ có một quang phổ liên tục. Đặt một màn chắn có một khe hẹp F tại tiêu diện, sao cho có thể tách ra được một ánh sáng đơn sắc với màu nhất định. Chùm tia sáng này được chiếu vào mối hàn của một pin nhiệt điện cực nhạy còn mối kia được giữ cho nhiệt độ không đổi. Ta thấy kim điện kế chỉ một giá trị nào đó, điều này chứng tỏ rằng ánh đã có tác dụng nhiệt lên mối hàn.

Khi xê dịch mối hàn từ màu đỏ đến tím, thì kim điện kế luôn bị dịch và chỉ số điện kế có thay đổi. Điều này có nghĩa là tác dụng nhiệt của ánh sáng đơn sắc khác nhau là khác nhau

Khi tiếp tục di chuyển khe F ra ngoài dải quang phổ liên tục thì ta thấy rằng kim điện kế vẫn bị lệch, điều này chứng tỏ rằng bên ngoài đó vẫn có những ánh sáng khác (ta gọi là bức xạ) không nhìn thấy được. Phần gần tia màu đỏ gọi nó là Hồng ngoại, phía tia tím gọi là tử ngoại 2. Tia hồng ngoại

a. Định nghĩa Là những bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng lớn hơn ánh sáng màu đỏ:

mmm 3.0.760.0 , có bản chất là sóng điện từ b. Điều kiện phát sinh

Một vật dù ở nhiệt độ thấp đều có thể phát ra tia hồng ngoại Ví dụ: cơ thể người 370C phát ra tia hồng ngoại và mạnh nhất ở bươc sóng m.9 Vật ở nhiệt độ 5000C bắt đầu phát ra ánh sáng đỏ sẩm, nhưng mạnh nhất vẫn là tia

hồng ngoại ở m.7,3 Ở nhiệt độ vài nghìn độ C vật phát ra ánh sáng trắng nhưng thành phần hồng ngoại

vẫn chiếm tỉ lệ lớn Ví dụ: ánh sáng Mặt trời có tới 50% năng lượng của tia hồng ngoại

Các nguồn phát hồng ngoại thong dụng: lò than, lò điện, đèn điện dây tóc…. c. Đặc điểm, tính chất

Tác dụng nỗi bật của hồng ngoại là tác dụng nhiệt: vật hấp thụ hồng ngoại sẻ bi nóng lên

Tác dụng lên kính ảnh hồng ngoại (kính đặc biệt được chế tạo để chụp ảnh với tia hồng ngoại)

Gây ra hiệu ứng quang điện ở một số chất Bị nước hấp thụ mạnh

d. Ứng dụng Dùng để sấy hoặc sưởi: trong công nghiệp dung hồng ngoại để sấy khô các sản

phẩm sơn. Nông nghiệp sấy khô các sản phẩm nông nghiệp. Dùng trong khí tài quân sự Y học: dùng hồng ngoại sưởi ấm da giúp máu lưu thông tốt hơn

3. Tia tử ngoại a. Định nghĩa

Là những bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng nhở hơn ánh sáng tím: 00

400010 AA , có bản chất là sóng điện từ b. Nguồn phát Những vật có nhiệt độ cao hơn 20000C đều phát ra tia tử ngoại

Ví dụ: Đèn hơi thuỷ ngân cao áp Hồ quang điện 9% công suất của ánh sáng Mặt trời thuộc về tia tử ngoại

c. Đặc điểm và tính chất Tác dụng mạnh lên kính ảnh, ion hóa chất khí Kích thích sự phát quang của một số chất, có thể gây ra một số phản ứng quang

hoá, quang hợp.



Bị thuỷ tinh, nước…hấp thụ mạnh Thạch anh gần như trong suốt đối với tia tử ngoại có bước sóng từ:

mm .4,0.18,0 Có tác dụng sinh lí Có thể gây ra hiện tượng quang điện

d. Công dụng Khử trùng thực phẩm, và dụng cụ y tế Chữa bệnh còi xương Dò tìm các vết nứt trên bề mặt kim loại

5. Tia X Là sóng điện từ có bước sóng khoảng từ 10 -8 m đến 10 -12 m, ngắn hơn bước sóng tia tử ngoại Có hai loại tia X: tia X cứng và tia X mềm

5.1. Cách tạo tia X. Ống Culigiơ Được tạo ra khi tia âm cực đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn (Platin, Volfram) có nhiệt độ nóng chảy cao

Về nguyên tắc có thể làm cho bất kì chất rắn, lỏng thậm chí là khí có thể phát ra tia X, bằng cách bắn phá nó bằng một chùm electron có vận tốc lớn

Ống Culigiơ (Coolidye) là một ống thuỷ tính được hút hết không khí (áp suất cỡ 10 -3mmHg) có gắn 3 điện cực:

Một dây mayso FF’ bằng Volfram (nguồn cung cấp electron) Một catốt K hình chỏm cầu để các electron phóng ra từ FF’ đều hội tụ vào đối catốt A

(tức anốt A) Một anốt A (bằng volfram)

Nối A và K với một hiệu điện thế xoay chiều khoảng từ 20 kV đến 50 kV, và FF’ được nối với một hiệu điện thế để nung nóng, các electron từ FF’ (do bức xạ nhiệt) sẻ được gia tốc trong điện trường mạnh đến đập vào A phát ra tia X. Vì điện áp đặt vào A và K là xoay chiều nên quá trình tạo tia X chỉ xảy ra trong một nữa chu kì khi A có điện áp dương, nhưng nó không ảnh hưởng đến việc quan sát tia X. Trên thực tế chỉ có 1% (có thể nhỏ hơn) có tác dụng tạo nên tia X, phần còn lại (99%) chỉ có tác dụng làm nóng A. Do đó A nóng lên rất nhanh và người ta phải làm nguội nó bằng một dòng nước chảy trong lòng A

5.2. Cơ chế phát tia X Các electron trong tia catốt dược gia tốc trong điện trường mạnh, nên thu được một động năng

rất lớn. Khi tới đối âm cực chúng gặp các nguyên tử đối âm cực A, xuyên sâu vào những lớp bên trong vỏ nguyên tử và tương tác với hạt nhân và các electron ở lớp trong này. Trong sự tương tác này sẻ phát ra một sóng điện từ có bước sóng rất ngắn mà ta gọi là một bức xạ hãn. Đó là ta X

Khi nói về laser chúng ta sẻ nói kĩ hơn về bức xạ hãm 5.3. Bản chất của tia X

Không bị lệch trong điện trường và từ trường như vậy nó không mang điện tích Là một sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn tia tử ngoại. Von Lause năm 1912 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đã chứng nó có bản chất sóng điện từ

(sau 17 năm khi tia X được phát hiện) Là sóng điện từ có bước sóng từ 10-12 m (cứng) đến 10-8 m (mềm)

5.4. Tính chất và công dụng Khả năng đâm xuyên cao (đồng thời có tính lọc lựa): Có thể xuyên qua nhưng vật chắn sáng

thông thường như giấy bìa, gỗ. Qua kim loại khó khăn hơn (các kim loại có kl riêng càng lớn thì khả năng cản trở càng cao).

Trong y học nhờ khả năng đâm xuyên mà người ta dung để chiếu điện, chụp điện Trong CN dùng để dò các lỗ hỏng khuyết tật nằm trong các sản phẩm đúc. Tác dụng mạnh lên kính ảnh, ion hóa chất khí (dùng làm máy đo liều lượng tia X) Gây phát quang cho nhiều chất Có thể gây nên hiện tượng quang điện ở hầu hết các kim loại Tác dụng sinh lí: có thể huỷ hoại tế bào, giết vi khuẩn (chữa ung thư nông, ngoài da)

5.5. Thang sóng điện từ



Có thể chia thang sóng điện từ thành 3 vùng: Vùng bức xạ có năng lượng cao và tần số cao (do quá trình bên trong hạt nhân và nguyên

tử) Vùng sóng vô tuyến (các mạch dao động) Vùng trung gian bức xạ của nguyên tử và phân tử (gồm bức xạ hồng ngoại và ánh sáng

khả kiến, tử ngoại gọi chung là vùng bức xạ quang học) Đổi đơn vị:

mmmA

mmmpmmmmnmmmmm

1040

129

96

63

10101

101011010110101

Vùng bức xạ quang học: 1. hồng ngoại Nằm giữa sóng vô tuyến cực ngắn và ánh sáng nhìn thấy: mmm 76.01.0

hồng ngoại gần: mm 576.0 hồng ngoại trung bình: mm 252 hồng ngoại xa: mm 10020

2. tử ngoại Nằm giữa miền ánh sáng cực tím và bức xạ tia X mềm: nmnm 5380

tử ngoại gần: nmnm 180380 (trong suốt với thạch anh) miền Suman: nmnm 120180 miền Lyman: nmnm 50120 miền Milikan: nmnm 550

3. ánh sáng khả kiến Nằm trong vùng giữa tử ngoại gần và hồng ngoại gần: nmnm 380760 . Khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số không đổi, mà bước sóng bị thay đổi

pp vô tuyến Phương pháp chụp ảnh

Phương pháp quang điện

Phương pháp nhiệt điện

Dao động nguyên tử, phân tử d/đ hạt nhân

p/p ion hóa

d/đ điện

Sóng vô tuyến hồng ngoại tử ngoại Tia X Tia

gamma

Ánh sáng khả kiến

3.1011 3.1017 3.1020 Hz



bảng phân loại sóng điện từ Miền sóng điện từ bước sóng (m) tần số (Hz)

Sóng vô tuyến 44 1010.3 124 10.310 Hồng ngoại 73 10.6,710 1411 10.410.3

Ánh sáng nhìn thấy 77 10.8,310.6,7 1614 10.810.4 Tử ngoại 97 1010.4 1716 10.310.8

Tia X 129 1010 2017 10.310.3 Tia Gamma dưới 1110 Trên 2010.3



VI. LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG VI.1 Hiện tượng quang điện. Thuyết lượng tử ánh sáng

1.1 Thí nghiệm Hecxơ (thực hiện năm 1887) Chiếu một chùm sáng do nguồn sáng hồ quang phát ra vào một tấm Zn tích điện âm, được gắn

trên điện nghiệm. Kim điện nghiệm bị cụp lại chứng tỏ rằng tấm kẻm bị mất điện tích âm. Nếu tấm Zn tích điện dương thì không có hiện tượng xãy ra ( thực tế thì vẫn có electron thoát ra

nhưng ngay lập tức nó bị hút trở lại). Nếu thay tấm Zn bằng cá kim loại khác như: Cu, Al, Ag, Ni… thì ta vẫn thấy có hiện tượng xãy

ra. Bây giờ dùng một tấm thủy tinh không màu (cho ánh sáng đi qua) chắn chum hồ quang chiếu

đến tấm Zn thì không xảy ra hiện tượng (thủy tinh hấp thụ tia tử ngoại). 1.2 Định nghĩa

Hiện tượng khi chiếu một chùm sáng thích hợp (bước sóng ngắn) vào một tấm kim loại thì nó làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (quang điện ngoài) 1.3 Các định luật quang điện

1.3.1 Định luật quang điện một (đ/l về giới hạn quang điện) hay (đ/l về gới hạn đỏ) Đối với mỗi kim loại dùng làm Katốt có một bước sóng giới hạn 0 nhất định gọi là giới hạn

quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xãy ra khi bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện 0 hay 0ff

Ví dụ KL K Na Li Hg Fe Ag Au Ta Zn Al Ca Xd

)(0 nm 550 540 500 273.5 262 261 265 305 350 360 450 660 vậy đa số kim loại có 0 ở miền tử ngoại, đối với kim loại kiềm ở vùng ánh sáng nhìn thấy

1.3.2 Định luật quang điện 2 (đ/l về dòng bão hoà) hay (đ/l Stoletov) Cường độ dòng điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chum sáng kích thích. hoặc: Số electron

quang điện bị bứt ra khỏi bề mặt Katôt trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với quang thông mà Katôt nhận được.

1.3.3 Định luật quang điện 3 (đ/l về động năng cực đại ban đầu của electron) Động năng cực đại ban đầu của electron quang điện không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng

kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại. 1.4 Thuyết lượng tử ánh sáng

1.4.1 Giả thuyết Plank Đưa ra năm 1900 đặt nền tảng cho thuyết lượng tử, Plank đề cập đến tính gián đoạn của năng

lượng bức xạ hay hấp thụ của một vật đen tuyệt đối. Trên cơ sở đó năm 1905 Einstein đưa ra giả thuyết: Ánh sáng hấp thụ và bức xạ truyền đi thành những lượng năng lượng gián đoạn

Lượng tử năng lượng: hf với )(10.625,6 34 Jsh gọi là hằng số Plank 1.4.2 Thuyết lượng tử Plank

Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, đều mang năng lượng hf Phôton truyền đi với vận tốc ánh sáng 3.108 m/s, dọc theo tia sáng Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số Photon phát ra từ nguồn Nguyên tử hay phân tử chỉ phát xạ hay hấp thụ một photon Photon chỉ tồn tại ở trạng thái chuyển động, không có trạng thái nghỉ

1.5 Giải thích các định luật quang điện 1.5.1 Công thức Einstein Khi chiếu một chum photon vào bề mặt kim loại. Giả sử rằng mỗi photon chỉ tương tác với một

electron trong kim loại và truyền toàn bộ năng lượng hf cho electron. Electron chuyển động tới bề mặt KL thì bị hao phí mất một phần năng lượng A1 cho những va chạm không đàn hồi trong KL, và một phần nữa để sinh công thoát A, để thoát ra khỏi bề mặt KL. Phần còn lại chuyển thành động năng của electron.



Theo định luật bảo toàn năng lượng: 21 2

1 mvAAhf . Vì số electron thoát ra khỏi bề mặt KL

có những electron ở bề mặt và cũng có những electronở sâu trong KL nên electron thoát ra với vận tốc khác nhau.

Các electron ở bề mặt KL nên 01 A nên vận tốc của electron có giá trị cực đại, ta có: 2

21 mvAhf gọi là phương trình Einstein. với A: công thoát của KL; 2

21 mv : động năng cực đại

ban đầu 1.5.2 Giải thích định luật giới hạn quang điện

Theo phương trình Einstein hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi: hAfAhf đặt

00 ffhAf , f0 là tần số nhỏ nhất mà ánh sáng còn gây nên hiện tượng quang điện, tức là tần số

giới hạn. Hay bước sóng: 0 1.5.3 Giải thích định luật 2

Theo quan điểm lượng tử thì cường độ chum sáng chiếu vào Katôt được xác định bởi số photon trong 1đvtg, trên 1đvdt bề mặt.

n: số electron bứt ra khỏi Katôt trong 1đvtg n’: số electron tới Katôt trong 1đvtg

Với ánh sáng đơn sắc chiếu vào Katôt có tần số f thì hfEn , trong đó E tỉ lệ với I vậy n ~n’

mặt khác n’ ~ E do đó n ~ I 1.5.4 Giải thích định luật quang điện 3

Theo định lý động năng ta có: heUmv 2

21 thay vào pt Einstein ta có:

eAhfU h

. Vậy hiệu

điện thế hãm Uh là một hàm bậc nhất của tần số f mà không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích, có nghĩa là động năng cực đại ban đầu không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng mà chỉ phụ thuộc vào tần số ánh sáng kích thích 1.6 Lưỡng tính sóng hạt của ánh sang

Ngoài năng lượng photon còn có khối lượng và xung lượng như những hạt cơ bản khác (electron, p, n…) .

Theo thuyết tương đối năng lượng liên hệ với khối lượng: 2mc do đó photon có khối lượng

22 chf

cm

(1)

Mặt khác vì photon chuyển động với vận tốc lớn nên khối lượng phụ thuộc vào vận tốc:

2

20

1cv

mm

, m: khối lượng của photon khi chuyển động, mo: khối lượng nghỉ của photon. Khi v = c

thì m : điều này không có ý nghĩa vật lí. Để m không tới vô hạn thì mo = 0, điều này nói lên rằng photon không có khối lượng nghỉ. Nghĩa là photon chỉ tồn tại ở trạng thái chuyển động. Đây là điểm khác nhau giữa khối lượng của photon và khối lượng của các hạt cơ bản khác.

Động lượng của photon: h

chfc

chfmcp 2 dung véctơ song k

với

2

k ta có khp

2

Như vậy photon cũng tương tự như bất kì một hạt hay một vật chuyển động nào khác đều có năng lượng, khối lượng, động lượng là 3 đặc trưng của một hạt. Mặt khác photon có lien hệ với đặc trưng của song ánh sang có tần số f, hay bước song ta nói ánh sang có lưỡng tính song hạt. ngày nay người ta đã biết lưỡng tính sóng hạt còn có cả ở vật chất

VI.2 Hiện tượng quang điện trong 2.1 Khái niệm

Khi chiếu sáng một số bán dẫn và điện môi, những electron bị bứt ra không thoát ra bên ngoài mà vẫn ở lại bên trong vật làm tăng độ dẫn điện và làm giảm điện trở của vật đó (các electron trở nên tự do khi thoát khỏi các liên kết). gọi là hiện tượng quang điện trong.



2.2 Giải thích Khi bán dẫn hấp thụ một phôton thì sẻ có một electron trong bán dẫn được giải phóng khỏi liên

kết với các nguyên tử, trở thành các electron tự do đồng thời để lại một lõ trống mang điện dương. Các lỗ trống cũng có thể chuyển động tự do trong vật và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Chính sự xuất hiện của các electron và lỗ trống mà chất bán dẫn trở nên dẫn điện khí được chiếu sáng.

Với các kim loại không quan sát được hiệu ứng quang điện trong bởi vì sự thay đổi nồng độ của electron tự do là không đáng kể.

2.3 Đặc điểm Với hiện tượng quang điện trong thì không có dòng bão hòa Độ lớn của dòng quang điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai điện cực Dòng quang điện trong tỉ lệ với cường độ dòng sáng chiếu tới (nhưng không tuyến tính) Dòng quang điện có quán tính (nghĩa là nó không đạt ngay giá trị cực đại khi được chiếu

sáng, hay các giá trị giảm dần khi tắt nguồn sáng). Quán tính từ 10-3 đến 10-7 giây 2.4 Điều kiện

Ứng với mỗi chất bán dẫn có một bước sóng giới hạn gọi là giới hạn quang dẫn, đó là bước sóng dài nhất (tần số nhỏ nhất) của ánh sáng có khả năng gây nên quang dẫn

2.5 Chất quang dẫn Là những chất dẫn điện kém, nhưng khi được chiếu sáng thích hợp thì trở nên dẫn điện tốt hơn

2.6 Quang điện trở Là một điện trở chế tạo từ chất quang dẫn, đó là một điện trở có thể thay đổi giá trị nhờ thay đổi

cường độ chùm sáng chiếu vào gọi là LDR ( Ligh dependant resistor) 2.7 Pin quang điện

2.7.1 Khái niệm Là một nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng. Pin hoạt

động dựa trên hiện tượng quang điện trong xãy ra đối với một bán dẫn 2.7.2 Pin Selen

Cấu tạo: 1. Điện cực dương bằng Cu 2. Lớp vàng (Au) rất mỏng cở m1 để ánh sáng có thể lọt qua 3. Lớp tiếp xúc giữa vàng và bán dẫn Selen 4. bán dẫn Selen 5. Đế bằng Fe làm cực âm

Lớp tiếp xúc 3 được hình thành khi phun Selen lên lớp vàng, nó dễ dàng cho electron đi qua Selen từ vàng. Khi chiếu sáng vào pin, ánh sáng xuyên qua lớp Au chiếu vào lớp tiếp xúc 3, do hiệu ứng quang điện trong mà lớp tiếp xúc hình thành cặp electron-lỗ trống, các electron đi qua lớp tiếp xúc tới Selen còn lỗ trống thì đi qua vàng. Kết quả giữa Au và Se có một hiệu điện thế (chính là suất điện động của pin). Khi nối 1 và 5 với tải mạch ngoài thì có một dòng điện đi từ 1 về 5

VI.3 Hiện tượng quang, phát quang 1.1 Quang - phát quang 1.1.1 Sự phát quang

Là hiện tượng một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác 1.1.2 Đặc điểm

Ánh sáng còn kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích, thời gian này phụ thuộc vào chất phát quang 1.1.3 Huỳnh quang và Lân quang

Huỳnh quang là sự phát quang của chất lỏng, khí có ánh sáng phát quang tắt ngay sau khi tắt ánh sáng kích thích

Lân quang là sự phát quang của một số chất rắn có ánh sáng phát quang còn kéo dài sau khi đã tắt ánh sáng kích thích (thời gian khoảng vài phần mười giây) 1.2 Đặc điểm

Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng kích thích VI.4 Mẩu nguyên tử Bohr



4.1 Các định đề của Bohr 4.1.1 Định đề về trạng thái dừng

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là trạng thái dừng. Khi ở trong trạng thái dừng nguyên tử không bức xạ.

Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, electron chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng

Năng lượng nguyên tử ở những trạng thái dừng khác nhau thay đổi gián đoạn. Tập hợp tất cả các trạng thái dừng tạo thành các mức năng lượng trong nguyên tử. Khi chịu tác dụng bên ngoài, nguyên tử có thể chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác nghĩa là từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác để bức xạ hay hấp thụ. Trạng thái dừng có mức năng lượng càng thấp thì càng bền vững, vì ở mức năng lượng cao nguyên tử có xu hướng chuyển về trạng thái dừng có năng lượng thấp

4.1.2 Định đề về sự bức xạ và hấp thụ (về tần số) Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng En sang trạng thái dừng có năng lượng

thấp Em thì nó phát ra một phôton có năng lượng đúng bằng hiệu: En - Em mn EEhf

Ngược lại, nếu nguyên tử đang tồn tại ở trạng thái dừng có năng lượng Em mà hấp thụ một phôton có năng lượng đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao En

4.2 Quang phổ phát xạ và hấp thụ trong nguyên tử Hidro Bohr đã giả thuyết nguyên tử chỉ phát xạ khi một electron lúc đầu ở trên một quỹ đạo bền cho

phép với năng lượng En khi chuyển sang một quỹ đạo khác có năng lượng Em thấp hơn. Lúc đó năng lượng phôton phát xạ bằng hiệu năng lượng của electron trên hai quỹ đạo cho phép.

hệ thức: mn EEhf hay mn EEhc

11

công thức với các mức quỹ đạo:

22

111mn

R

với 1

310.097,1

oAR hằng số Redberg

4.2.1 Quang phổ vạch nguyên tử Hidro Quang phổ vạch của nguyên tử Hidro được sắp xếp thành những dãy xác định và tách rời

Dãy Lyman (vùng tử ngoại) với n = 1 và m = 2; 3; 4; 5…. Dãy Balmer (vùng khả kiến) với n = 2 và m = 3; 4; 5; 6… Dãy này có một phần thuộc miền tử ngoại, phần ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch đặc trưng

cho nguyên tử Hidro vạch đỏ: mH .6563,0 vạch lam: mH .4861,0 vạch xanh dương (chàm): mH .4340,0 vạch tím: mH .4102,0 Dãy Paschen (vùng hồng ngoại) với n = 3 và m = 4; 5; 6; 7…. Dãy Brackett (vùng hồng ngoại xa) với n = 4 và m = 5; 6; 7; 8…. Và tiếp tục cho những dãy khác

quỹ đạo dừng tương ứng với số lượng tử lượng tử số 1 2 3 4 5 6 Tên quỹ đạo K L M N O P

Ở trạng thái bình thường (mức cơ bản) nguyên tử có mức năng lượng thấp nhất, electron chuyển động trên quỹ đạo K



(6) P (5) Q (4) N (3) M (2) L (1) K

0.00 -0.38

-0.54

-0.85

-1.51

-3.40

-13.6 (eV)

Dãy Lyman (tử ngoại)

Dãy Balmer (nhìn thấy)

Dãy PasChen (hồng ngoại)

Bradkett (hồng ngoại xa)

giản đồ quang phổ Hidro Khi nguyên tử nhân năng lượng kích thích electron chuyển lên quỹ đạo có mức năng lượng cao

hơn L, M, N, O, P,… ( chúng ta hiểu năng lượng cao hơn ở đây là năng lượng cần thiết cung cấp để điện tử electron ra xa nguyên tử hơn)

Nguyên tử sống ở trạng thái kích thích trong thời gian rất ngắn cỡ 10-8 giây, sau đó các electron chuyển về quỹ đạo bên trong và phát xạ phôton.

Mỗi electron khi chuyển từ quỹ đạo có năng lượng cao về quỹ đạo có năng lượng thấp thì phôton phát xạ có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức: mn EEhf vì vậy trong quá trình này ta có quang phổ phát xạ của nguyên tử Hidro

Sự tạo thành các dãy như sau: dãy Lyman được tạo thành khi các electron chuyển trực tiếp từ các quỹ đạo ngoài về quỹ đạo K: ....;;;; KPKOKNKMKL 4.2.2 Quang phổ hấp thụ Hidro

Tương ứng với mỗi vạch của quang phổ phát xạ H thì ta có một vạch quang phổ hấp thụ H. Đó là lúc các electron ở mức năng lượng thấp hấp thụ một phôton có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng giữa hao mức thì nó sẻ chuyển lên mức năng lượng tương ứng cao hơn.

Trên giản đồ năng lượng phát xạ và hấp thụ

4.3 Nhưng hạn chế của lý thuyết Bohr Lý thuyết Bohr chứa đựng những mâu thuẩn nội tại có tính chất nguyên tắc, lý thuyết đã dựa trên

những cơ sở không hoàn toàn cổ điển nhưng đồng thời cũng không hoàn toàn là lượng tử. Mặc dù quan điểm lượng tử và cổ điển khá mâu thuẩn nhau.

Brack đã nói lý thuyết Bohr (đùa) theo Bohr thì trong các ngày thứ 2, 4, 6 chúng ta dùng quan điểm cổ điển và thứ 3, 5, 7 dùng quan điểm lượng tử

Lý thuyết Bohr không cho phép dẫn giải một loạt tính chất quan trọng của phổ bức xạ như cường độ sóng, độ phân cực, tính chất bội của vạch

Thất bại của của lý thuyết Bohr bộc lộ khi áp dụng tính năng lượng nguyên tử Heli có hai điện tử (electron). Kết quả không phù hợp với thực nghiệm

hf hf

En (cao)

Em (thấp)



Theo lý thuyết Bohr thì nguyên tử H có trục đối xứng chứ không phải đối xứng cầu. thực nghiệm cho thấy nguyên tử H ở trạng thái cơ bản (K) có tính đối xứng cầu.

VI.5 Sơ lược về Laser Laser viết tắt của từ “Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa là “máy

khuyếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng”. Năm 1958 do hai nhà bác học Liên Xô Nicolai Baxop và Alech Xang Prokhorop và hai nữ Savơlôp và Lauxơ nghiên cứu độc lập tìm ra, được giải Nobel vật lí năm 1965

5.1 Khái niệm Là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng có cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng

phát xạ cảm ứng 5.2 Đặc điểm của Laser

Có tính đơn sắc cao Có tính định hướng cao Tính kết hợp rất cao và cường độ lớn

5.3 Sự phát xạ tự phát và phát xạ cảm ứng Khi nguyên tử ở trạng thái E1 hấp thụ phôton có năng lượng 12 EEhf chuyển lên trạng thái

kích thích có năng lượng E2 5.3.1 Phát xạ tự phát

Nguyên tử ở trạng thái kích thích E2 sau một khoảng thời gian ngắn (cở 10-8) tự động chuyển về trạng thái E1 có năng lượng thấp hơn và phát ra một phôton có năng lượng

12 EEhf : quá trình này gọi là phát xạ tự phát. Vì rằng sự phát xạ tự phát của cùng một nguyên tử ở cùng các thời điểm khác nhau cũng

khác nhau, cũng như cá nguyên tử ở cùng thời điểm đó không có liên quan gì với nhau, cho nên pha và biên độ của các bức xạ tự phát cũng độc lập với nhau. Do đó bức xạ tự phát là không kết hợp 5.3.2 Phát xạ cảm ứng

Nguyên tử ở trạng thái kích thích E2 bị tác dụng của các bức xạ ngoài có năng lượng 12 EEhf bị cưỡng bức chuyển về trạng thái E1 đồng thời phát ra phôton có năng lượng

12 EEhf quá trình này gọi là sự phát xạ cưởng bức hay phát xạ cảm ứng. Như vậy sự phát xạ cưởng bức chỉ xãy ra khi có tác dụng của trường điện từ ngoài. Tần

số, phân cực và pha của bức xạ cưởng bức do nguyên tử phát ra trùng với các đặc trưng của bức xạ ngoài tác dụng nguyên tử. Vì vậy bức xạ cưởng bức là bức xạ kết hợp. Đây là cơ sở cho nguyên tắc hoạt động của Laser

5.4 Cấu tạo của Laser 5.4.1 Điều kiện để tạo Laser

Phải tạo được một môi trường hoạt động: bằng phương pháp đảo lộn mật độ trên các mức

Tạo mối liên hệ phản hồi: nghĩa là phải làm cho ánh sáng do các nguyên tử phát ra được truyền đi truyền lại nhiều lần trong môi trường hoạt động. Nói cách khác là phải là cho ánh sáng do nguyên tử phát ra theo một phương xác định. Để thực hiện được điều này người ta dùng hệ gương phản xạ, và được gọi là hộp cộng hưởng quang học, môi trường hoạt động được đặt giữa hai tấm gương

Hai gương M1, M2 có thể là 2 gương song song hay gương cầu làm bằng chất điện môi. Một trong hai gương này phản xạ toàn phần và gương kia phản xạ một phần, 2 gương đặt vuông góc với trục của môi trường hoạt động.

hf hf

E2

E1



Khi phôton bay dọc theo trục 2 gương sẻ làm sản sinh ra vô số phôton cưởng bức khác nhau các phôton này cũng bay dọc theo trục của 2 gương. Như vậy nhờ hộp cộng hưởng mà môi trường hoạt động tạo nên được một thác phôton, dòng phôton này khi tới M2 sẻ phản xạ một phần trở lại môi trường hoạt động phần còn lại đi ra ngoài ta có chùm Laser

Phải chọn gương phản xạ M2 có thông số thích hợp, để hệ số khuyếch đại của bức xạ cưởng bức luôn lớn hơn một giá trị nào đó gọi là ngưỡng phát 5.4.2 Laser Rubi Cấu tạo

Môi trường hoạt động thanh Rubi hình trụ (là một loại tinh thể Al2O3 pha ion tạp chất Cr+3 có nồng độ từ 0.05% đến 0.5%) đường kính cở 1 cm, độ dài từ vài cm đến 50 cm. Công suất của Laser phụ thuộc vào độ dài của thanh, càng dài thì công suất càng lớn. Hai đầu thanh Rubi được mài nhẵn và song song, được đặt vào giữa hai gương phải xạ M1 và M2. Bơm Laser Rubi bằng đèn Xenon (công suất cở vài trăm kW), đèn có thể hình xoắn, chử U, hình trụ… và đặt gần thanh Rubi Hoạt động

Hoạt động dựa trên sơ đồ mức 3 năng lượng của nguyên tử Cr, có trạng thái cơ bản E1 và 2 trạng thái kích thích E2b và E2a. Đó là hai mức năng lượng hẹp, những sự chuyển động lượng tử E2a ,E2b về mức cơ bản phát ra tia Laser. Tai mức E2 nguyên tử tồn tại lâu hơn 10-3 s gấp 105 lần so với thông thường, do đó tạo nên khe năng tích lũy nguyên tử ở trạng thái kích thích E2, có một môi trường hoạt động.

Khi đèn Xenon phát ra các xung sáng có công suất lớn, làm cho nguyên tử Cr bị kích thích lên trạng thái E3 và E4 và lập tức chuyển về trạng thái E2, sau thời gian 10-3 s chuyển

về trạng thái E1 phát ra tia Laser có bước sóng 0

6943,0 A (đỏ thẩm) Ngày nay người ta đã chế tạo được nhiều loại Laser rắn có công suất lớn như: Laser thủy tinh pha Neodym công suất 20 tỉ W một xung Laser khí: He-Ne; CO2; Ar; bán dẫn CoAs;…

5.5 Ứng dụng Thông tin liên lạc: có ưu điểm là giữ được bí mật khi liên lạc, tiêu hao năng lượng ít. Sóng ngắn có tính chất là trong một giải tần số có thể phát đi một lúc nhiều chương trình phát thanh vô tuyến.

Ví dụ: Nếu dùng sóng có bước sóng từ 13m đến 500m thì có thể phát một lúc 500 chương trình, nhưng nếu dùng ánh sáng có bước sóng từ mm 7,04,0 thì có thể phát một lúc 80 triệu chương trình. Những chương trình này chỉ cách nhau một khoảng là 10 MHz theo chuẩn quốc tế. Thông tin liên lạc vũ trụ Xác định vị trí, khoảng cách: (rađa quang học)

Ví dụ: Rađa quang học vượt xa Rađa vô tuyến về phương diện tầm hoạt động cũng như độ chính xác, vì rađa quang học có tính định hướng cao và ít tiêu hao năng lượng. ( ví dụ: với công suất 100 W rađa quang học có thể phát hiện mục tiêu cách xa 160.000 km với sai số không quá 2 km) Dùng làm nguồn sáng để nghiên cứu khoa học Dùng trong phẩu thuật y học, khoan, hàn, cắt trong công nghiệp

Ví dụ: Có thể dùng một chùm tia Laser công suất lớn, được tập trung trên một diện tích hẹp chỉ trong khoảng thời gian nữa triệu giây thì nhiệt độ có thể lên tới 10000 C (thực nghiệm) Dùng làm vũ khí

Ví dụ: Dùng tia Laser để tiêu diệt các mục tiêu tên lửa. Bởi vì nếu đục thủng một lỗ nhỏ trên thân tên lửa, thì nó rung lên dữ dội và làm lệch đường đi, nếu trúng điểm yếu thì bị hỏng hoàn toàn Dùng trong toàn kí, chụp ảnh

Toàn kí là phép chụp ảnh ba chiều của vật



VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

1. Tính chất và cấu tạo hạt nhân 1.1. Cấu tạo hạt nhân 1.1.1.Cấu tạo

Kích thước hạt nhân rất nhỏ cỡ 10-10 đến 10-15 m, thực nghiệm chứng tỏ rằng chúng còn được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn là nuclon.

Đặc điểm của hạt nhân: Có dạng gần hình cầu, kích thước thực tế phụ thuộc vào số nuclon theo ct r = r0A1/3 với r0 = (1,2~1,3).10-15, mật độ vật chất là đồng đều với các hạt nhân

(thực tế chỉ với 12A ): 3839

0

1010.71

..4.3

ArAn

nuclon/m3

Số proton trong hạt nhân bằng Z, với Z là nguyên tử số, tổng số nuclon kí hiệu bằng chữ A, số notron A - Z

Có hai loại nuclon: Proton (p) o Mang điện tích nguyên tố dương +1,6.10-19C o Khối lượng nghỉ: mp = 1,007277u = 938,256 MeV/c2 = 1,67252.10-27kg o Proton có chu kì bán rã vô cùng lớn (1039s), trạng thái tự do không phân rã

Notron (n) o Không mang điện tích o Khối lượng nghỉ: mn = 1,008665u = 939,550 MeV/c2 = 1,67482.10-27kg o Notron có thời gian bán rã 932s (cở 12 phút), nếu các notron được để riêng lẻ

1.1.2.Kí hiệu Dùng kí hiệu hóa học của nguyên tố đó: AX hay XA

Z 1.1.3.Đồng vị

Là các chất có cùng nguyên tử sô Z (proton), nhưng khác nhau về khối lượng nguyên tử (nuclon). Có hóa tính giống nhau

Ví dụ: Hidro: HHH 31

11

21 ;; , hay Cacbon: CCCCCCC 16

6156

146

136

126

116

106 ;;;;;;

1.2. Khối lượng hạt nhân 1.2.1.Đơn vị khối lượng hạt nhân

Đơn vị khối lượng hạt nhân u có giá trị bằng 1/12 khối lượng đồng vị C126

1u = 1,66055.10-27 kg; NA = 6,023.1023 nguyên tử/mol 1u = 931,5 MeV/c2 1MeV/c2 = 1,7827.10-30kg hay 1kg = 0,561.1030 MeV/c2

1.2.2.Khối lượng và năng lượng Theo hệ thức Einstein: 2mcE . Vậy bất kì một gam chất nào cũng có một năng lượng

xác định băng 25.106 kWh 2. Năng lượng liên kết và phản ứng hạt nhân 2.1.Lực hạt nhân

Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt mang điện dương và hạt không mang điện nhưng khá bền vững. Vì vậy lực liên kết các nuclon trong hạt nhân phải có bản chất khác so với các lực như trọng lực, lực điện… gọi là lực hạt nhân. Nó có tác dụng rất mạnh trong phạm vi bán kính hạt nhân 10-15 m

Lực hạt nhân xuất hiện trong 3 nhóm quá trình sau: Tương tác của 2 nuclon tự do tạo thành hạt nhân của Đơnton và gây tán xạ nuclon-

nuclon Tán xạ của nuclon (tự do) với hạt nhân Tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân

Các tính chất lực hạt nhân Bán kính tác dụng ngắn cở 10-15 Lực hạt nhân về căn bản là lực hút rất mạnh Lực hạt nhân có thể xem là lực thế Một số bài toán có thể xem lực hạt nhân là đối xứng cầu



Có đặc tính của tương tác mạnh, cường độ lớn Với mr 1510.5,0 thì lực hạt nhân là lực đẩy Lực hạt nhân phụ thuộc vào tính định hướng tương đối của Spin các nuclon Lực hạt nhân không xuyên tâm Không phụ thuộc vào vận tốc các nuclon Không phụ thuộc vào điện tích Có đặc tính là lực trao đổi

2.2.Năng lượng liên kết hạt nhân 2.2.1.Độ hụt khối

Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclon tự do tạo nên hạt nhân đó

Độ hụt khối: Xnp mmZAZmm 2.2.2.Năng lượng liên kết

Theo thuyết tương đối của Einstein thì năng lượng toàn phần của hạt nhân bé hơn năng lượng toàn phần của các nuclon khi tách chúng ra riêng lẻ một lượng là: 2mcE gọi là năng lượng liên kết hạt nhân

22 ).(. cmmZAZmcmE Xnp 2.2.3.Năng lượng liên kết riêng

Là lượng năng lượng lien kết trung bình của một nuclon trong hạt nhân được xác định bởi

tỉ số: AE

. năng lượng liên kết riêng phụ thuộc vào A và Z, lớn thì hạt nhân càng bền

vững MeV00,8~ /nuclon

2.4 Phản ứng hạt nhân 2.4.1 Định nghĩa và Đặc tính Phản ứng hạt nhân tự phát: đó là quá trình phân rã hạt nhân Phản ứng hạt nhân kích thích: phản ứng phân hạch và nhiệt hạch Là sự tương tác giữa 2 hạt nhân dẫn đến sự biến đổi chúng thành hạt nhân khác, sơ đồ phản

ứng hạt nhân: DCBA Các hạt nhân trước và sau phản ứng có thể nhiều hoặc ít hơn 2 hạt, trước và sau phản ứng

có thể có hạt sơ cấp như: 2.4.2 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân 2.4.3 Năng lượng phản ứng hạt nhân

3. Phóng xạ 3.1.Hiện tượng phóng xạ

3.1.1.Định nghĩa 3.1.2.Các dạng phóng xạ

3.1.2.1. Phóng xạ 3.1.2.2. Phóng xạ 3.1.2.3. Phóng xạ

3.2.Định luật phóng xạ 3.2.1.Đặc tính quá trình phóng xạ 3.2.2.Định luật phóng xạ 3.2.3.Chu kì bán rã

3.3.Đồng vị phóng xạ nhân tạo 3.3.1.Phóng xạ nhân tạo và phương pháp đánh dấu nguyên tử 3.3.2.Đồng vị 14C

4. Phản ứng phân hạch 4.1.Cơ chế của phản ứng phân hạch

4.1.1.Khái niệm 4.1.2.Phản ứng phân hạch kích thích

4.2.Năng lượng phân hạch 4.2.1.Phản ứng phân hạch toả năng lượng



4.2.2.Phản ứng phân hạch dây chuyền 4.2.3.Phản ứng phân hạch có điều khiển

4.3.So sánh phản ứng phân hạch và hiện tượng phóng xạ 5. Phản ứng nhiệt hạch 5.1.Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch

5.1.1.Khái niệm 5.1.2.Điều kiện thực hiện

5.2.Năng lượng nhiệt hạch 5.3.Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất 5.4.Những ưu việt của phản ứng nhiệt hạch

VIII. TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ 1. Các hạt sơ cấp 1.1.Khái niệm hạt sơ cấp

1.1.1. Khái niệm 1.1.2. Hạt sơ cấp 1.1.3. Phân loại

1.2.Tính chất hạt sơ cấp 1.2.1. Thời gian sống 1.2.2. Phản hạt

1.3.Tương tác của các hạt sơ cấp 1.3.1. Tương tác điện từ 1.3.2. Tương tác mạnh 1.3.3. Tương tác yếu 1.3.4. Tương tác hấp dẫn

2. Cấu tạo vũ trụ 2.1.Hệ mặt Trời

2.1.1. Mặt Trời 2.1.2. Các hành tinh 2.1.3. Các tiểu hành tinh 2.1.4. Sao Chổi và Thiên thạch

2.2.Các Sao và Thiên Hà 2.2.1. Các Sao 2.2.2. Thiên hà 2.2.3. Thiên hà của chúng ta: Ngân Hà

Documents

Lý thuyết Vật Lí 12