Nhiễu xạ sóng
“Nhiễu xạ sóng” là chương trình máy tính mô phỏng sự tạo sóng tự nhiên theo nguyên lý Huygens–Fresnel. Theo nguyên lý Huygens-Fresnel, trong môi trường đẳng hướng, mỗi điểm trên mặt sóng chính là một nguồn thứ cấp tạo sóng lan truyền ra xung quanh theo mặt cầu hay đường tròn. Sự chồng chập giao thoa của tất cả sóng thứ cấp này tạo nên hình dạng của sóng trên thực tế. Từ một nguồn ban đầu, sóng sẽ dần lan truyền sang các vùng lân cận, và cứ thế lan truyền đi xa.
Chương trình này miêu tả rõ nét một trong hai đặc trưng quan trọng nhất của sóng: hiện tượng nhiễu xạ. Đặc trưng còn lại, tức giao thoa, không được thể hiện trong chương trình này.
Xem bài viết về thí nghiệm ảo “Nhiễu xạ ánh sáng”.
Video minh hoạ nhiễu xạ sóng
Hiện tượng nhiễu xạ
Nhiễu xạ là hiện tượng sóng bị bẻ cong khỏi phương truyền thẳng khi đi qua gần mép vật cản. Nhiễu xạ xảy ra trên mọi loại sóng, cùng với giao thoa trở thành đặc trưng nhận diện tính chất sóng của các hiện tượng vật lý nhất định nào đó.
Khác với phản xạ và khúc xạ, vốn xảy ra trên mặt phân cách giữa hai môi trường, nhiễu xạ tự nó xảy ra trong cùng một môi trường đồng nhất. Trái ngược với “nhiễu xạ” là “truyền thẳng”.
Nhiễu xạ chỉ trở nên dễ quan sát khi kích thước vật cản không vượt quá bước sóng vài chục hoặc vài trăm lần. Vật cản ở đây có thể là khe, lỗ, tường, cột.. Nếu vật cản có kích thước quá lớn, lớn hơn bước sóng tầm nghìn lần trở lên, hiệu ứng nhiễu xạ sẽ trở nên khó quan sát và chúng ta thấy gần như chúng truyền thẳng.
Sóng nước là trường hợp dễ quan sát hiện tượng nhiễu xạ nhất.
Ta có thể đánh giá mức độ nhiễu xạ qua phép so sánh giữa bước sóng và kích thước vật cản. Bước sóng có sự liên hệ với tần số qua hệ thức:
\[\lambda=\frac{v}{f},\]
trong đó \(v\) – vận tốc truyền sóng, \(f\) – tần số. Theo đó, sóng âm thanh trong dải nghe thấy, từ 16 Hz đến 20000 Hz khi truyền trong không khí có bước sóng nằm trong khoảng
\[\frac{343}{20000}\rightarrow\frac{343}{16},\]
tức từ 1.7 cm đến 21 m. Những kích thước này tương đồng với kích thước nhà cửa, vật dụng trong đời sống hằng ngày, cho nên phần lớn âm thanh dễ dàng đổi hướng, len lỏi khắp nơi, giúp con người dễ dàng trò chuyện, trao đổi thông tin.
Ngược lại, sóng ánh sáng thuộc dải nhìn thấy có bước sóng từ 0.38 đến 0.76 \(\mu\)m. Để cho dễ hình dung, có thể nói rằng kích thước này chỉ bằng khoảng 1% so với đường kính của sợi tóc, quá nhỏ so với kích thước của vật dụng thông thường. Do đó trong đời sống thường nhật, ta thấy ánh sáng gần như truyền thẳng. Để tiện so sánh giữa truyền thẳng và nhiễu xạ, ta có thể hình dung về cuộc nói chuyện giữa hai người trong văn phòng, ngăn nhau qua bức vách nhỏ. Họ không nhìn thấy nhau, do ánh sáng khó bị bẻ cong bởi bước sóng quá ngắn, nhưng dễ dàng nghe thấy nhau, vì sóng âm nhiễu xạ để đi vòng qua bức vách.
Muốn quan sát được nhiễu xạ, hay tính truyền cong của ánh sáng, chúng ta cần những vật kích thước nhỏ tương ứng. Sợi tóc người với đường kính khoảng trên dưới 100 \(\mu\)m là vật cản cho phép quan sát được nhiễu xạ ánh sáng. Trong thực nghiệm, để theo vết được “tính cong” của các tia sáng này, người ta quan sát giao thoa của các tia sau khi bị bẻ cong và truyền đến màn. Nói cho chính xác, nhiễu xạ chỉ là phần xảy ra trên rìa mép vật cản, vân sáng tối trên màn lại là giao thoa.
Để truyền tin dưới dạng sóng trong không gian, người ta dùng các sóng điện từ thuộc nhiều tần số khác nhau, mỗi tần số có giá trị tương ứng với mục đích nhất định. Sóng điện thoại di động dùng cho đời sống thường nhật, buộc phải có bước sóng tương đương với sóng âm thanh. Thực vậy, điện thoại di động hoạt động ở dải tần 900 MHz và 1800 MHz có bước sóng lần lượt bằng \(\frac{3\cdot 10^8}{900\cdot 10^6}=33\) cm và \(\frac{3\cdot 10^8}{1800\cdot 10^6}=17\) cm. Nhờ vậy sóng di động dễ dàng len lỏi khắp các vị trí dù khuất trong nhà hay trên đường phố.
Trong thế giới tự nhiên, một số loại sinh vật biết cách dùng sóng để định vị. Dơi có thể dùng siêu âm, tức sóng âm ở tần số rất cao, giúp thay cho mắt quan sát trong bóng đêm. Cá voi giữa đại dương có thể dùng hạ âm để xác định khoảng cách và truyền tin. Đặc điểm chung của cách vận dụng sóng trong định vị là: sóng cần có tính chất truyền thẳng, tương tự sóng ánh sáng đối với mắt.
Với kích thước hang động, cây cối, nhà cửa… siêu âm có bước sóng ngắn hơn 1 cm, nhỏ hơn nhiều so với các vật thông thường, ít nhiễu xạ, mang tính truyền thẳng nên giúp con dơi dễ “hình dung” ra thù hình các vật xung quanh. Tất nhiên, 1 cm không phải là quá ngắn, độ phân giải “hình ảnh” không quá tốt, nhưng đủ cho dơi cảm nhận thế giới một cách “mờ ảo”, ít ra thay được con mắt vì chúng chỉ hoạt động trong đêm tối.
Hạ âm phát ra bởi cá voi lại có bước sóng rất lớn, tầm hơn 1 km. Tuy nhiên nếu so sánh với kích thước giữa đại dương, đó vẫn là một con số đủ để xem là nhỏ và truyền thẳng. Sóng hạ âm có ưu điểm truyền đi rất xa và ít bị lẫn với các loại sóng khác. Cho nên cá voi giữa đại dương như đang sống giữa mặt hồ phẳng lặng. Chúng dễ dàng xác định khoảng cách lẫn nhau và khoảng cách đến bờ.
Chi tiết về chương trình
Giao diện chương trình thể hiện một hồ nước, trên đó sóng nước được tạo ra và lan truyền tự nhiên theo nguyên lý Huygens-Fresnel. Chương trình cho phép dùng chuột để vẽ các vật cản. Sau khi vẽ, chọn nút ADD, vật cản sẽ được nạp vào.
Chúng ta có 3 lựa chọn nguồn sóng: nguồn sóng tròn liên tục, nguồn sóng phẳng liên tục và sóng tạo bởi chạm tay vào mặt nước.
Trên hình 1 là ví dụ về việc tạo sóng lan truyền theo đường tròn. Tuy nhiên khi gặp vật cản, một đê chắn sóng chẳng hạn, các sóng thứ cấp theo Huygens-Fresnel làm bẻ cong phương truyền của nó, khiến những nơi bên kia con đê sóng vẫn lan truyền đến.
Hình 2 biểu diễn một sóng phẳng truyền qua một khe. Phía sau khe ta có thể thấy sóng bị đổi phương truyền và lan theo mọi phía.