Bài học

Sóng âm và môi trường truyền âm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được sóng âm với các loại sóng cơ khác đã học, giải thích được vì sao âm không truyền được trong chân không, và nêu được nguồn âm là gì khi gặp một tình huống cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương sóng cơ vừa học định nghĩa sóng cơ là dao động lan truyền trong một môi trường vật chất, mang theo năng lượng chứ không mang theo phần tử vật chất đi cùng. Bài này áp dụng đúng định nghĩa đó cho một trường hợp riêng: sóng âm. Ở cấp học dưới, môn Khoa học tự nhiên đã nói âm thanh do vật dao động phát ra — điều đó vẫn đúng, nhưng chương trình lớp 11 đi sâu hơn: âm thanh thực chất là một sóng cơ, và việc nó có lan truyền được hay không phụ thuộc hoàn toàn vào môi trường xung quanh nguồn âm.

Khởi động

Nếu một quả chuông điện rung trong một bình thủy tinh kín, rồi người ta dùng bơm hút dần không khí ra khỏi bình, tiếng chuông sẽ to dần, nhỏ dần, hay không đổi? Quan sát kỹ tình huống này trước khi đọc phần dưới.

Kiến thức trọng tâm

Sóng âm là sóng cơ dọc: phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng, giống loại sóng dọc em đã gặp ở chương sóng cơ, khác với sóng ngang lan truyền trên một sợi dây. Vì là sóng cơ, sóng âm chỉ lan truyền được ở nơi có phần tử vật chất — tức là trong môi trường rắn, lỏng hoặc khí. Ở đâu có phần tử vật chất, dao động của phần tử này truyền dao động sang phần tử liền kề, cứ thế lan ra xa nguồn âm.

Kết luận đó được kiểm chứng bằng một thí nghiệm kinh điển: treo một chuông điện đang rung trong một bình thủy tinh kín, nối với một bơm hút khí. Ban đầu bình chứa đầy không khí, ta nghe rõ tiếng chuông. Bật bơm hút dần không khí ra khỏi bình: số phân tử khí còn lại trong bình giảm dần, nên số phần tử có thể dao động và truyền năng lượng sóng âm cũng giảm dần theo — tiếng chuông nhỏ dần rõ rệt. Khi hút gần hết không khí (gần chân không), âm nghe được gần như biến mất hoàn toàn, dù nhìn qua thành bình vẫn thấy chuông đang rung với biên độ không đổi. Đây chính là bằng chứng thực nghiệm: sóng âm không truyền được trong chân không.

Điều đó khác hẳn với sóng điện từ (ánh sáng, sóng vô tuyến, tia X...), vốn không cần môi trường vật chất và truyền được cả trong chân không — đó là vì sao ta vẫn nhìn thấy ánh sáng Mặt Trời dù khoảng không giữa Trái Đất và Mặt Trời gần như là chân không tuyệt đối.

Nguồn âm là vật đang dao động và phát ra sóng âm: dây đàn ghi ta khi bị gảy, màng loa khi có dòng điện biến thiên chạy qua, dây thanh quản khi ta nói hoặc hát. Điểm chung của mọi nguồn âm là chúng luôn đang dao động; vật ngừng dao động thì âm phát ra cũng tắt theo.

Nói rộng ra, bất kỳ chất rắn, lỏng hay khí nào cũng có thể trở thành môi trường truyền âm, nhưng bản thân môi trường không tự sinh ra âm — nó chỉ truyền lại dao động từ nguồn âm đi xa hơn. Vì vậy khi mô tả một hiện tượng âm thanh, luôn cần phân biệt rõ đâu là nguồn âm (vật đang dao động, phát năng lượng) và đâu là môi trường truyền âm (nơi dao động lan đi, không tự phát năng lượng); nhầm hai vai trò này là một sai lầm phổ biến khi mới học phần sóng âm.

**Sóng âm** là sóng cơ dọc: phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng, giống loại sóng dọc em đã gặp ở chương sóng cơ, khác với sóng ngang lan truyền trên một sợi dây. Vì là sóng cơ, sóng âm chỉ lan truyền được ở nơi có phần tử vật chất — tức là trong môi trường rắn, lỏng hoặc khí. Ở đâu có phần tử vật chất, dao động của phần tử này truyền dao động sang phần tử liền kề, cứ thế lan ra xa nguồn âm. Kết luận đó được kiểm chứng bằng một thí nghiệm kinh điển: treo một chuông điện đang rung trong một bình thủy tinh kín, nối với một bơm hút khí. Ban đầu bình chứa đầy không khí, ta nghe rõ tiếng chuông. Bật bơm hút dần không khí ra khỏi bình: số phân tử khí còn lại trong bình giảm dần, nên số phần tử có thể dao động và truyền năng lượng sóng âm cũng giảm dần theo — tiếng chuông nhỏ dần rõ rệt. Khi hút gần hết không khí (gần chân không), âm nghe được gần như biến mất hoàn toàn, dù nhìn qua thành bình vẫn thấy chuông đang rung với biên độ không đổi. Đây chính là bằng chứng thực nghiệm: **sóng âm không truyền được trong chân không**. Điều đó khác hẳn với sóng điện từ (ánh sáng, sóng vô tuyến, tia X...), vốn không cần môi trường vật chất và truyền được cả trong chân không — đó là vì sao ta vẫn nhìn thấy ánh sáng Mặt Trời dù khoảng không giữa Trái Đất và Mặt Trời gần như là chân không tuyệt đối. **Nguồn âm** là vật đang dao động và phát ra sóng âm: dây đàn ghi ta khi bị gảy, màng loa khi có dòng điện biến thiên chạy qua, dây thanh quản khi ta nói hoặc hát. Điểm chung của mọi nguồn âm là chúng luôn đang dao động; vật ngừng dao động thì âm phát ra cũng tắt theo. Nói rộng ra, bất kỳ chất rắn, lỏng hay khí nào cũng có thể trở thành môi trường truyền âm, nhưng bản thân môi trường không tự sinh ra âm — nó chỉ truyền lại dao động từ nguồn âm đi xa hơn. Vì vậy khi mô tả một hiện tượng âm thanh, luôn cần phân biệt rõ đâu là nguồn âm (vật đang dao động, phát năng lượng) và đâu là môi trường truyền âm (nơi dao động lan đi, không tự phát năng lượng); nhầm hai vai trò này là một sai lầm phổ biến khi mới học phần sóng âm.

Ví dụ

Giải thích thí nghiệm chuông trong bình chân không

1
Một quả chuông điện được treo trong một bình thủy tinh kín, nối với một bơm hút khí. Ban đầu bình chứa đầy không khí, ta nghe rõ tiếng chuông. Bật bơm hút dần không khí ra khỏi bình. Mô tả và giải thích điều xảy ra với âm thanh nghe được.
2
Ta có, ban đầu bình chứa không khí — một môi trường vật chất có các phân tử khí có thể dao động — nên sóng âm từ chuông truyền qua không khí trong bình rồi ra ngoài, đến tai người nghe.
3
Khi bơm hút dần không khí, số phân tử khí trong bình giảm dần. Ta có ít phần tử vật chất hơn để dao động và truyền năng lượng sóng âm, nên cường độ âm nghe được giảm dần — tiếng chuông nhỏ dần dù chuông vẫn rung với biên độ không đổi (quan sát được qua thành bình).
4
Khi hút gần hết không khí, số phần tử còn lại quá ít để duy trì sự lan truyền sóng âm. Do đó âm nghe được gần như biến mất hoàn toàn, dù chuông vẫn đang dao động — đây chính là bằng chứng thực nghiệm cho thấy sóng âm cần môi trường vật chất.
5
Có thể kiểm chứng thêm: nếu sau đó cho không khí trở lại từ từ vào bình, tiếng chuông sẽ to dần trở lại đúng theo lượng không khí được bơm vào — củng cố kết luận rằng chính môi trường vật chất, chứ không phải bản thân chuông, quyết định âm có truyền đi được hay không.
6
Vậy thí nghiệm chuông trong bình chân không chứng tỏ sóng âm không truyền được trong chân không; nó chỉ truyền được khi có môi trường vật chất (rắn, lỏng hoặc khí) chứa các phần tử có thể dao động.

Ví dụ

Phân biệt sóng âm và sóng vô tuyến khi liên lạc ngoài không gian

1
Hai phi hành gia đang làm việc ngoài khoảng không vũ trụ, cách xa tàu vũ trụ. Họ không nói chuyện trực tiếp mà dùng bộ đàm phát sóng vô tuyến gắn trong mũ bảo hộ. Giải thích vì sao, và cho biết sóng vô tuyến khác sóng âm ở đặc điểm nào khiến nó truyền được trong tình huống này.
2
Ta có, khoảng không vũ trụ xung quanh hai phi hành gia gần như là chân không, hầu như không có phần tử vật chất.
3
Theo tính chất của sóng âm (là sóng cơ), sóng âm cần một môi trường vật chất chứa các phần tử để dao động và truyền năng lượng. Không có phần tử vật chất đáng kể trong chân không, nên giọng nói (sóng âm) của một phi hành gia không thể truyền trực tiếp đến người kia.
4
Sóng vô tuyến là một dạng sóng điện từ, không cần môi trường vật chất để lan truyền — nó truyền được cả trong chân không, giống ánh sáng từ Mặt Trời đến Trái Đất. Vì vậy bộ đàm phát sóng vô tuyến vẫn hoạt động bình thường ngoài không gian.
5
Lưu ý "không cần môi trường vật chất" (đúng cho sóng điện từ) khác hẳn với "không cần thiết bị nào" — bộ đàm vẫn cần một mạch phát và một mạch thu hoạt động đúng cách; sóng vô tuyến chỉ giúp tín hiệu lan truyền được qua đoạn chân không giữa hai bộ đàm đó.
6
Vậy hai phi hành gia phải dùng bộ đàm sóng vô tuyến vì giọng nói (sóng âm, cần môi trường vật chất) không truyền được trong chân không, trong khi sóng vô tuyến (sóng điện từ) truyền được cả khi không có môi trường vật chất.

Sai lầm thường gặp

Một sai lầm thường gặp là nghĩ mọi loại sóng đều truyền được trong chân không như ánh sáng, nên đôi khi học sinh cho rằng có thể nghe được tiếng nổ trong các cảnh phim diễn ra ngoài vũ trụ. Cần nhớ: chỉ sóng điện từ (ánh sáng, sóng vô tuyến, tia X...) mới truyền được trong chân không; sóng cơ nói chung và sóng âm nói riêng luôn cần một môi trường vật chất.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Sóng âm là sóng cơ dọc, chỉ truyền được trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí), không truyền được trong chân không. Nguồn âm là vật đang dao động — hết dao động là hết âm.

Bài tiếp theo không hỏi âm có truyền được hay không nữa, mà hỏi tai người nghe được những sóng âm nào — từ đó phân biệt hạ âm, âm nghe được và siêu âm theo tần số dao động của nguồn âm.