Mục lục bài họcĐang ở d03-b3
The electromagnetic spectrum and sound
The electromagnetic spectrum
In order of increasing frequency and therefore decreasing wavelength:
radio → microwave → infrared → visible → ultraviolet → X-ray → gamma
All of them are transverse waves, all travel at $3.0\times 10^{8}$ m/s in a vacuum, and all can travel through a vacuum. What differs is only frequency and wavelength — and therefore the energy each photon carries, which is why the right-hand end of the list is the dangerous end.
Uses worth knowing: radio for broadcasting; microwaves for cooking and mobile phones; infrared for heaters, remote controls and thermal imaging; visible for sight and optical fibres; ultraviolet for sterilising and detecting forged notes; X-rays for medical imaging and security; gamma for sterilising equipment and treating cancer.
Sound
- Sound is a longitudinal wave and cannot travel through a vacuum, because it needs particles to compress.
- It travels fastest in solids, slower in liquids, slowest in gases — the opposite order to light, because sound needs particles close together while light does not need them at all.
- Pitch depends on frequency; loudness depends on amplitude.
- The audible range for a healthy young person is about $20$ Hz to $20\,000$ Hz. Above that is ultrasound.
Measuring with an echo
$$v=\frac{2d}{t}$$The factor of $2$ is there because the sound travels to the reflector and back. Forgetting it doubles the answer, and the mistake never shows up in the units.
Phổ điện từ. Xếp theo tần số tăng dần, tức bước sóng giảm dần:
sóng vô tuyến → vi sóng → hồng ngoại → ánh sáng nhìn thấy → tử ngoại → tia X → tia gamma
Tất cả đều là sóng ngang, đều truyền với tốc độ $3{,}0\times 10^{8}$ m/s trong chân không, và đều đi được qua chân không. Thứ khác nhau chỉ là tần số và bước sóng — và do đó là năng lượng mỗi photon mang, đó là lý do đầu bên phải của danh sách là đầu nguy hiểm.
Các ứng dụng nên thuộc: sóng vô tuyến để phát thanh truyền hình; vi sóng để nấu ăn và cho điện thoại di động; hồng ngoại cho lò sưởi, điều khiển từ xa và ảnh nhiệt; ánh sáng nhìn thấy cho thị giác và cáp quang; tử ngoại để tiệt trùng và phát hiện tiền giả; tia X cho chụp ảnh y tế và soi an ninh; tia gamma để tiệt trùng dụng cụ và xạ trị ung thư.
Âm thanh.
- Âm là sóng dọc và không truyền được trong chân không, vì nó cần các hạt vật chất để nén lại.
- Âm truyền nhanh nhất trong chất rắn, chậm hơn trong chất lỏng, chậm nhất trong chất khí — ngược thứ tự với ánh sáng, vì âm cần các hạt ở gần nhau còn ánh sáng thì không cần hạt nào.
- Độ cao của âm phụ thuộc tần số; độ to phụ thuộc biên độ.
- Ngưỡng nghe của người trẻ khoẻ mạnh là khoảng $20$ Hz tới $20\,000$ Hz. Trên mức đó là siêu âm.
Đo bằng tiếng vọng.
$$v=\frac{2d}{t}$$Hệ số $2$ có mặt vì âm đi tới vật phản xạ rồi quay lại. Quên nó làm đáp số sai gấp đôi, và lỗi ấy không bao giờ lộ ra ở đơn vị — cả hai cách đều cho ra mét trên giây.
Một tàu phát một xung siêu âm xuống đáy biển và nhận được tiếng vọng sau $0.36$ s. Tốc độ âm trong nước biển là $1500$ m/s. Tính độ sâu.
Bước 1 — tính tổng quãng đường âm đi được.
$$s=vt=1500\times 0.36=540\ \text{m}$$Bước 2 — chia đôi. Quãng đường $540$ m là cả đi lẫn về, nên độ sâu chỉ bằng một nửa:
$$d=\frac{540}{2}=270\ \text{m}$$Vì sao bước 2 hay bị bỏ. Sau bước 1 đã có một con số mang đơn vị mét, trông y hệt một đáp số về độ sâu, và bài làm dừng lại ở đó. Không có gì trong đơn vị hay bậc độ lớn báo rằng nó sai gấp đôi.
Cách chặn: vẽ mũi tên đi và mũi tên về ra nháp trước khi tính. Hai mũi tên trên giấy thì tay tự chia đôi.
Kỹ thuật này gọi là định vị bằng tiếng vọng (echo sounding), và cùng một phép tính dùng cho siêu âm y khoa lẫn radar — chỉ đổi tốc độ sóng.
Một chuông điện đặt trong bình thuỷ tinh kín. Khi bơm hút dần không khí ra, tiếng chuông nhỏ dần rồi biến mất, nhưng vẫn nhìn thấy búa gõ. Giải thích hiện tượng, và nêu điều thí nghiệm này chứng tỏ về sóng điện từ.
Vì sao tiếng chuông biến mất. Âm là sóng dọc: nó truyền đi bằng cách các hạt vật chất bị nén lại rồi giãn ra liên tiếp, mỗi lớp hạt đẩy lớp kế tiếp.
Khi không khí bị hút ra, số hạt trong bình giảm dần, nên ngày càng ít hạt để truyền các vùng nén. Khi gần như không còn hạt nào, âm không có gì để truyền qua và không tới được thành bình.
Vì sao vẫn nhìn thấy búa gõ. Ánh sáng là sóng điện từ, và sóng điện từ là dao động của điện trường và từ trường — không cần bất kỳ hạt vật chất nào để truyền.
Thí nghiệm này vì thế chứng tỏ hai điều cùng lúc: âm cần môi trường vật chất, còn sóng điện từ thì không.
Hệ quả ở quy mô lớn. Đó là lý do vũ trụ hoàn toàn im lặng dù tràn ngập ánh sáng, và là lý do phi hành gia phải liên lạc bằng sóng vô tuyến chứ không thể gọi nhau qua khoảng chân không giữa hai bộ đồ.
Lưu ý cách diễn đạt: nói “chân không hấp thụ âm thanh” là sai — chân không không hấp thụ gì cả; đơn giản là không có gì để dao động.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Waves gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.