Giải Câu hỏi 1 trang 42 Chuyên đề Vật lí 12

Lời giải

Nguyên tắc tạo ảnh siêu âm

Ảnh siêu âm được tạo ra nhờ sóng siêu âm phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường (mô, cơ quan) khác nhau bên trong cơ thể. Đầu dò vừa phát sóng, vừa thu sóng phản xạ rồi dựng thành hình ảnh. Phần nào phản xạ sóng càng mạnh thì trên ảnh càng sáng, càng rõ nét.

Mức độ phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch trở kháng âm

Mỗi môi trường được đặc trưng bởi trở kháng âm (trở kháng âm học) $Z = \rho v$, với $\rho$ là khối lượng riêng và $v$ là tốc độ truyền âm trong môi trường đó. Khi sóng siêu âm đi từ môi trường có trở kháng $Z_1$ sang môi trường có trở kháng $Z_2$:

- Nếu $Z_1$ và $Z_2$ chênh lệch nhiều $\Rightarrow$ phần năng lượng bị phản xạ lại lớn $\Rightarrow$ cho ảnh rõ, sáng.
- Nếu $Z_1 \approx Z_2$ (gần bằng nhau) $\Rightarrow$ sóng hầu như truyền thẳng qua, phần phản xạ rất nhỏ $\Rightarrow$ ảnh mờ, không rõ.

Giải thích cụ thể

a) Da và xương hiển thị rõ: Xương có khối lượng riêng và tốc độ truyền âm lớn hơn hẳn các mô mềm, nên trở kháng âm của xương rất lớn so với mô xung quanh. Tương tự, mặt da (ranh giới giữa không khí/lớp tiếp xúc và mô cơ thể) cũng có sự chênh lệch trở kháng âm lớn. Vì $|Z_2 - Z_1|$ lớn nên sóng siêu âm bị phản xạ mạnh tại các mặt phân cách này $\Rightarrow$ da và xương hiện lên rõ ràng.

b) Các cơ quan mềm bên trong hiển thị không rõ: Các mô mềm và các cơ quan mềm bên trong cơ thể có khối lượng riêng và tốc độ truyền âm gần như nhau, nên trở kháng âm của chúng xấp xỉ bằng nhau ($Z_1 \approx Z_2$). Do đó tại ranh giới giữa các cơ quan mềm, sóng siêu âm bị phản xạ rất ít (phần lớn truyền qua) $\Rightarrow$ ảnh thu được mờ nhạt, không rõ ràng.

Kết luận: Sự hiển thị rõ hay mờ trên ảnh siêu âm do mức độ chênh lệch trở kháng âm $Z = \rho v$ giữa các môi trường quyết định: chênh lệch lớn (da, xương) thì phản xạ mạnh, ảnh rõ; chênh lệch nhỏ (các cơ quan mềm) thì phản xạ yếu, ảnh mờ.

Đáp số