Dao động và Sóng

Hiệu ứng Doppler

Chuyển động tương đối giữa nguồn sóng và người quan sát làm tần số nhận được khác tần số phát; với âm trong môi trường đứng yên, tiến lại gần làm tần số nghe cao hơn.

Còi xe cứu thương nghe cao hơn khi xe tiến đến và thấp hơn khi đi xa. Các đỉnh sóng phía trước nguồn chuyển động bị dồn gần, phía sau thưa hơn; tốc độ âm trong môi trường vẫn do môi trường quyết định. Hiện tượng mang tên nhà vật lý Christian Doppler, người đã nêu dự đoán về sự thay đổi màu sắc của sao chuyển động; với âm, ta quan sát sự đổi tần số.

f_{ m obs}=f, rac{v+v_o}{v-v_s}quad( ext{rapprochement}),qquad f_{ m obs}=f, rac{v-v_o}{v+v_s}quad( ext{éloignement})

Định nghĩa: Tần số Doppler

Ở đây $v$ là tốc độ âm so với môi trường, $v_o$ là tốc độ người quan sát hướng về nguồn (dấu dương khi tiến lại gần), còn $v_s$ là tốc độ nguồn hướng về người quan sát (dấu dương khi tiến lại gần). Công thức giả sử chuyển động dọc đường nối nguồn–người nghe và $v_s<v$ .

Nguồn di chuyển phát các vòng sóng cách đều theo thời gian; phía trước vòng sít hơn, phía sau thưa hơn, tạo dịch Doppler.

Nguồn chuyển động, người nghe đứng yên

Khi nguồn tiến lại gần người nghe đứng yên: $f_{ m obs}=f v/(v-v_s)$ . Khi nguồn đi xa: $f_{ m obs}=f v/(v+v_s)$ . Tần số phát không đổi; khoảng cách giữa các mặt sóng trong môi trường thay đổi. Nếu người nghe chuyển động, tử số cũng thay đổi.

Ví dụ: Ví dụ

Còi phát $f=500$ Hz tiến về người đứng yên với $v_s=20$ m/s. Lấy tốc độ âm $v=340$ m/s, tìm tần số nghe được.

Lời giải

$f_{ m obs}=fv/(v-v_s)=500 imes340/(340-20)=531{,}25$ Hz, cao hơn tần số phát.

Trắc nghiệm nhanh

Dịch Doppler của âm phụ thuộc chuyển động so với môi trường truyền, không chỉ khoảng cách tức thời giữa nguồn và người nghe. Nguồn tiến lại gần làm bước sóng phía trước ngắn hơn; người nghe chuyển động trong môi trường đứng yên gặp nhiều mặt sóng hơn mỗi giây. Hãy xét riêng vận tốc nguồn và người nghe theo phương nối hai bên rồi áp dụng quy ước dấu; không cộng vận tốc tùy tiện.

Khi áp dụng mô hình, hãy xác định rõ đại lượng nào được giữ cố định và chọn hệ quy chiếu phù hợp. Viết đơn vị ngay bên cạnh số liệu giúp phát hiện nhầm lẫn giữa các đại lượng cùng ký hiệu hoặc giữa giá trị đo với giá trị dự đoán. Sau khi tính, kiểm tra thứ nguyên, dấu và giới hạn: kết quả phải phù hợp với giả thiết đã dùng, chẳng hạn dao động nhỏ, môi trường đồng nhất hoặc bỏ qua lực cản. Nếu điều kiện thực tế khác giả thiết, cần giải thích sai lệch thay vì áp dụng công thức máy móc.

Một cách kiểm tra trực quan là thay các giá trị đặc biệt vào quan hệ đã lập: xét vị trí cân bằng, biên độ cực đại, một chu kỳ hoặc trường hợp không có chuyển động tương đối. Những trường hợp này thường làm một đại lượng bằng không hoặc đạt cực trị, giúp phát hiện sai dấu và nhầm giữa chu kỳ với tần số. Khi so sánh hai thí nghiệm, chỉ thay đổi một điều kiện mỗi lần để xác định quan hệ nhân quả rõ ràng.

Nguồn âm tiến lại gần người nghe đứng yên. Tần số nhận được so với tần số phát là gì?

Một nguồn phát 600 Hz đi xa đứng yên người nghe trong môi trường có $v=300$ m/s, tốc độ nguồn 30 m/s. Tần số nghe được là?

Tài liệu tham khảo

Young, Freedman (2019). University Physics