Khám phá điện trường – từ trường dao động, xem sóng điện từ lan truyền trong chân không và tự khám phá phổ sóng điện từ theo bước sóng, tần số.
Phát biểu được khái niệm sóng điện từ; giải thích vì sao sóng điện từ là sóng ngang, có thể lan truyền trong chân không và truyền năng lượng. Biết tại một điểm của sóng phẳng trong chân không, điện trường và từ trường biến thiên cùng pha.
Vận dụng \(c=\lambda f\); đổi đơn vị nm, μm, mm và MHz/GHz; sắp xếp các bức xạ theo tần số, bước sóng, liên hệ ánh sáng nhìn thấy với các dải hồng ngoại, tử ngoại, vô tuyến, tia X, tia γ và một số ứng dụng an toàn.
Điện từ trường biến thiên lan truyền trong không gian tạo nên sóng điện từ. Sóng điện từ truyền được trong chân không với tốc độ xấp xỉ \(3\times10^8\,\mathrm{m/s}\). Ánh sáng là một phần của phổ sóng điện từ.
Từ tần số thấp đến cao: sóng vô tuyến → vi ba → hồng ngoại → ánh sáng nhìn thấy → tử ngoại → tia X → tia γ. Chiều bước sóng giảm tương ứng tần số tăng. Vi ba thường được xếp vào sóng vô tuyến, ở đây được tách thành nhóm minh họa ứng dụng.
| Vùng phổ | Bước sóng điển hình / gần đúng | Ứng dụng – lưu ý |
|---|---|---|
| Vô tuyến (gồm vi ba) | Khoảng 1 mm – 100 km | Liên lạc, phát thanh, viễn thông |
| Vi ba | Khoảng 1 mm – 1 m | Radar, vệ tinh, lò vi sóng |
| Hồng ngoại | Khoảng 0,76 μm – 1 mm | Cảm biến nhiệt, điều khiển từ xa |
| Nhìn thấy | Khoảng 0,38 – 0,76 μm | Thị giác, chiếu sáng, quang học |
| Tử ngoại | Khoảng 10 – 400 nm | Khử khuẩn chuyên dụng; có nguy cơ gây hại da/mắt |
| Tia X | Khoảng 0,03 – 3 nm | Chẩn đoán hình ảnh; bức xạ ion hóa |
| Tia γ | Thường rất ngắn, nhiều nguồn và dải chồng lấn tia X | Y học hạt nhân, nghiên cứu; bức xạ ion hóa |
Các mốc chỉ là khoảng tham khảo theo phân loại phổ thông, không phải phân giới tuyệt đối. Tia X và γ còn được phân biệt theo cơ chế phát sinh, không chỉ theo bước sóng.
Trong chân không, sóng điện từ lan truyền với tốc độ ánh sáng, không cần môi trường vật chất. Trong vật chất, tốc độ có thể khác và tùy thuộc tần số.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(c\) | Tốc độ ánh sáng trong chân không | m/s |
Điều kiện/phạm vi: Giá trị gần đúng dùng ở phổ thông, áp dụng trong chân không.
Trong chân không, bước sóng giảm thì tần số tăng. Khi sang môi trường khác, tần số không đổi qua mặt phân cách đứng yên nhưng tốc độ và bước sóng có thể thay đổi.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\lambda\) | Bước sóng trong chân không | m |
| \(f\) | Tần số | Hz |
| \(c\) | Tốc độ trong chân không | m/s |
Điều kiện/phạm vi: Sóng điện từ điều hòa trong chân không. Nếu trong môi trường, dùng \(v=\lambda f\).
Chu kì là khoảng thời gian để vectơ điện trường hoặc vectơ từ trường tại một điểm dao động lặp lại như cũ.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(T\) | Chu kì | s |
| \(f\) | Tần số | Hz |
Điều kiện/phạm vi: Sóng có tính tuần hoàn, tần số dương.
Trong sóng điện từ phẳng truyền trong chân không, \(\vec E\), \(\vec B\) và phương truyền đôi một vuông góc; điện trường và từ trường dao động cùng pha.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec E\) | Vectơ cường độ điện trường | V/m |
| \(\vec B\) | Vectơ cảm ứng từ | T |
| \(\vec v\) | Vectơ vận tốc truyền sóng | m/s |
Điều kiện/phạm vi: Mô hình sóng phẳng trong chân không. Trên hình vẽ, đường hình sin biểu diễn đầu mút vectơ, không phải quỹ đạo của hạt.
Đổi về mét trước khi sử dụng công thức \(c=\lambda f\). Trong ứng dụng viễn thông, hay dùng MHz, GHz; trong quang học, hay dùng nanomét.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\mathrm{nm}\) | Nanomét | 10⁻⁹ m |
| \(\mu\mathrm m\) | Micrômét | 10⁻⁶ m |
| \(\mathrm{GHz}\) | Gigahéc | 10⁹ Hz |
Điều kiện/phạm vi: Đơn vị được quy đổi theo hệ SI.
Ánh sáng tím có bước sóng ngắn và tần số cao hơn ánh sáng đỏ trong chân không. Đây là dải gần đúng dùng trong SGK.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\lambda\) | Bước sóng trong chân không | m |
| \(f\) | Tần số ánh sáng | Hz |
Điều kiện/phạm vi: Khoảng gần đúng; mắt và nguồn sáng tạo nên những ranh giới cảm nhận không sắc nét.
Khi xác định thời gian truyền tín hiệu giữa hai điểm, phải tính đúng quãng đường tín hiệu đi qua. Với vệ tinh chuyển tiếp, tín hiệu đi qua ít nhất hai đoạn và cần cộng thời gian tương ứng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(s\) | Tổng độ dài đường truyền | m |
| \(\Delta t\) | Thời gian lan truyền | s |
| \(c\) | Tốc độ sóng trong chân không | m/s |
Điều kiện/phạm vi: Bỏ qua thời gian xử lí thiết bị, sự khúc xạ trong khí quyển và độ lệch tốc độ so với chân không.
Sóng vô tuyến có bước sóng \(\lambda=3\,\mathrm m\) trong chân không. Tính tần số.
\(f=c/\lambda=3\times10^8/3=10^8\,\mathrm{Hz}=\boxed{100\,\mathrm{MHz}}\).
Lưu ý: MHz = 10⁶ Hz.
Sóng có tần số 2,4 GHz. Tính bước sóng trong chân không.
\(\lambda=3\times10^8/(2{,}4\times10^9)=\boxed{0{,}125\,\mathrm m}\).
Lưu ý: Không tự coi đây là khoảng cách phủ sóng hoặc bán kính truyền.
Ánh sáng trong chân không có bước sóng 600 nm. Xác định tần số.
\(\lambda=600\times10^{-9}\,\mathrm m\), do đó \(f=3\times10^8/(600\times10^{-9})=\boxed{5\times10^{14}\,\mathrm{Hz}}\).
Lưu ý: Đổi nm ra m trước khi chia.
Hai ánh sáng đơn sắc có bước sóng 700 nm và 400 nm trong chân không. Ánh sáng nào có tần số lớn?
Ánh sáng 400 nm có tần số \(7{,}5\times10^{14}\,\mathrm{Hz}\), lớn hơn 700 nm (xấp xỉ \(4{,}29\times10^{14}\,\mathrm{Hz}\)).
Lưu ý: Bước sóng nhỏ hơn tương ứng tần số lớn hơn.
Sóng điện từ đi từ vệ tinh đến thiết bị thu qua khoảng cách 36 000 km trong chân không. Bỏ qua trễ xử lí. Tính thời gian.
\(s=3{,}6\times10^7\,\mathrm m\); \(\Delta t=s/c=\boxed{0{,}12\,\mathrm s}\).
Lưu ý: Đây là đường truyền một chiều và giả sử đường đi thẳng.
Tín hiệu đi thẳng từ trạm phát tới vệ tinh 36 000 km rồi trở lại một trạm ở khoảng cách 36 000 km. Tính thời gian lan truyền.
\(s=2\times36\,000\,\mathrm{km}=7{,}2\times10^7\,\mathrm m\). \(\Delta t=\boxed{0{,}24\,\mathrm s}\).
Lưu ý: Không nhầm một chặng với hai chặng.
Bức xạ có bước sóng 10 μm trong chân không thuộc vùng nào?
\(10\,\mu\mathrm m\) dài hơn giới hạn đỏ của ánh sáng nhìn thấy và ngắn hơn 1 mm; đó là tia hồng ngoại.
Lưu ý: Ranh giới phổ là gần đúng; vùng lân cận có thể chồng lấn.
Một sóng điện từ truyền từ vệ tinh đến anten mặt đất qua chân không. Có phải các hạt vật chất bay từ vệ tinh đến anten?
Không. Sóng điện từ là sự lan truyền của điện từ trường, mang năng lượng và có thể mang tín hiệu. Nó không cần các phần tử của môi trường vật chất dao động để truyền qua chân không.
Lưu ý: Phân biệt truyền năng lượng với vận chuyển vật chất.
Ba hoạt động tương tác cùng sử dụng \(c=3\times10^8\,\mathrm{m/s}\) khi tính giá trị trong chân không. Tần số minh họa ở Hoạt động 1 được làm chậm để thấy hình chuyển động; không phải tần số thực của sóng điện từ.
Đường xanh minh họa thành phần điện trường theo trục y; đường cam minh họa thành phần từ trường theo trục z (chiếu lên mặt phẳng vẽ riêng). Hai trường cùng pha và vuông góc phương truyền +Ox. Không phải đường đi của hạt.
Phân loại xấp xỉ; tại vùng ranh giới có thể có tên gọi trùng lặp. Di chuyển thanh từ trái sang phải sẽ làm \(\lambda\) tăng và \(f\) giảm.
Màu trên màn hình chỉ là biểu diễn RGB gần đúng; màn hình không phát ra ánh sáng đơn sắc có đúng bước sóng đã chọn. Cảm nhận màu thực còn phụ thuộc thiết bị và người quan sát.
Bắt đầu từ mô hình sóng phẳng trong chân không. Nhấn Chạy hoặc kéo từng tham số để quan sát.
Nhập giá trị số, không kèm đơn vị; đọc kỹ đơn vị đích yêu cầu trong đề. Sau mỗi bài có thể xem gợi ý và lời giải. Phần này không tính vào điểm kiểm tra.
8 ABCD (2 điểm) · 4 Đúng/Sai, mỗi câu 4 ý (4 điểm) · 8 trả lời ngắn (2 điểm) · 2 tự luận (2 điểm). Đúng/Sai tính theo số ý đúng trong mỗi câu: 1 ý = 0,10; 2 ý = 0,25; 3 ý = 0,50; 4 ý = 1,00 điểm. Câu tự luận được người học đối chiếu thang rubric.
Chọn một nhánh để hệ thống hóa đặc điểm sóng điện từ, công thức, phổ và ứng dụng.
James Clerk Maxwell phát triển lí thuyết điện từ và tiên đoán sóng điện từ. Heinrich Hertz đã chứng minh được sự tồn tại của sóng điện từ qua thực nghiệm; từ đó mở đường cho vô tuyến điện.
Dù truyền gần tốc độ ánh sáng, tín hiệu vệ tinh phải đi qua quãng đường rất lớn; một đường truyền lên vệ tinh rồi xuống đất có độ trễ truyền sóng đáng kể, chưa kể thời gian xử lí ở thiết bị và mạng.
Ánh sáng tử ngoại có thể gây tổn thương da và mắt; tia X và tia γ là bức xạ ion hóa cần kiểm soát liều và tuân thủ quy trình an toàn. Vô tuyến và vi ba là bức xạ không ion hóa, nhưng nguồn công suất lớn vẫn cần tuân thủ giới hạn phơi nhiễm. Không suy luận nguy cơ chỉ từ tên bức xạ mà bỏ qua liều, công suất, thời gian và điều kiện tiếp xúc.
Tài liệu tham khảo để đối chiếu phạm vi bài: SGK Vật lí 11 Kết nối tri thức, Bài 11, trang 44–47. Nội dung trình bày và câu hỏi do HAT biên soạn độc lập.