KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Một em bé đang chơi xích đu trong sân. Tại sao để xích đu tiếp tục dao động, người mẹ thỉnh thoảng lại đẩy nhẹ vào ghế xích đu?

Giải chi tiết:

Vì trong quá trình xích đu chuyển động có một phần động năng của xích đu chuyển thành dạng năng lượng khác khi cọ xát với không khí nên động năng nhỏ dần. Do vậy người mẹ cần đẩy vào xích đu để lại bù cho phần năng lượng động năng đã bị chuyển hóa này.

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

Câu 1: Hãy giải thích tại sao dao động của em bé chơi xích đu trong ví dụ ở đầu bài lại tắt dần nếu không có người mẹ thỉnh thoảng đẩy nhẹ vào em bé.

Giải chi tiết:

Vì trong quá trình xích đu chuyển động có một phần động năng của xích đu chuyển thành dạng năng lượng khác khi cọ xát với không khí nên động năng nhỏ dần. Nên nếu không có người mẹ đẩy nhẹ vào ghế thì xích đu sẽ chậm dần và dừng lại.

Câu 2: Thí nghiệm

Chuẩn bị:

Con lắc có quả nặng gắn bút dạ; tấm nhựa để ghi đồ thị của dao động; bộ phận tạo chuyển động đều cho tấm nhựa.

Tiến hành:

- Bố trí thí nghiệm như Hình 6.1b.
- Cho con lắc dao động ổn định và tấm nhựa chuyển động đều, bút dạ gắn ở vật nặng luôn tiếp xúc với tâm ghi đô thị. Khi con lắc dao động, bút dạ gắn trên quả nặng sẽ ghi lại biên độ dao động của con lắc đơn theo thời gian như Hình 6.1a.

Hãy nhận xét về biên độ và chu kì (hay tần số) dao động của con lắc trong thí nghiệm.

Giải chi tiết:

Biên độ dao động của con lắc trong thí nghiệm giảm dần.

Chu kì (hay tần số) của con lắc trong thí nghiệm không thay đổi vì chu kì (tần số) của dao động tắt dần không phụ thuộc vào biên độ mà phụ thuộc vào chu kì (tần số) của vật dao động.

Câu 3: Hãy tìm trong thực tế ví dụ về dao động tắt dần và cho biết trong mỗi trường hợp thì dao động tắt dần là có lợi hay có hại.

Giải chi tiết:

- Nếu sự tắt dần có hại thì ta phải chống lại sự tắt dần bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động. Ví dụ: con lắc đồng hồ,...

- Nếu sự tắt dần có lợi thì ta phải tăng cường ma sát để dao động tắt dần nhanh. Ví dụ: bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,...

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC

Câu 1: Tìm thêm ví dụ về dao động cưỡng bức.

Giải chi tiết:

Ví dụ về dao động cưỡng bức: Để giữ cho xích đu không dao động tắt dần người ta thường tác dụng lực vào mỗi nửa chu kì dao động của vật để xích đu được duy trì với biên độ không đổi.

Câu 2: Thí nghiệm

Chuẩn bị:
- Một thanh cứng hình trụ hai đầu thanh được gắn vào hai ổ trục để thanh có thể xoay dễ dàng quanh trục của nó.
- Một con lắc điều khiển Đ, ba con lắc thử 1, 2 và 3 được treo vào thanh cứng hình trụ.
- Bố trí thí nghiệm như Hình 6.3.
Tiến hành:
- Hãy dự đoán xem, trong thí nghiệm Hình 6.3, nếu con lắc điều khiển Đ được kéo sang một bên theo phương vuông góc với thanh rồi thả ra cho dao động thì các con lắc khác có dao động không? Con lắc nào dao động mạnh nhất? Tại sao?
- Làm thí nghiệm để kiểm tra.
Nhận xét:
So sánh kết quả quan sát được với dự đoán.

Giải chi tiết:

- Khi thả con lắc điều khiển Đ thì các con lắc khác có dao động.

- Con lắc số (3) dao động mạnh nhất vì con lắc dao động mạnh nhất là con lắc có chu kì gần nhất với chu kì dao động của con lắc điều khiển, mặt khác chu kì dao động của các con lắc đơn lại tỉ lệ với chiều dài -> con lắc (3) có chiều dài gần nhất với chiều dài của con lắc do đó sẽ dao động với biên độ lớn nhất.

- Kết quả thí nghiệm quan sát được giống như dự đoán.

III. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Câu 1: Hãy đánh giá sự có lợi hay có hại của cộng hưởng trong các ví dụ nêu trên.

Giải chi tiết:

Trong ví dụ về trò chơi xích đu ở đầu bài:

- Khi em bé bắt đầu chuyển động rời xa chỗ người mẹ thì người mẹ chỉ cần đẩy nhẹ vào xích đu, nó cũng có thể đạt tới biên độ rất lớn, trường hợp này hiện tượng cộng hưởng là có lợi.

- Nhưng nếu khi em bé đang chuyển động về phía người mẹ mà người mẹ tác dụng lực đẩy vào xích đu thì kết quả sẽ không như mong muốn vì lực cưỡng bức không tạo được cộng hưởng dao động mà cản trở dao động.

=> Những hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe,... đều có tần số tự nhiên. Do vậy, khi xây dựng nhà cửa, cầu đường hoặc chế tạo máy móc, cần phải tính toán không để cho các hệ này chịu tác dụng của các lực cưỡng bức mạnh vì cộng hưởng dao động trong các trường hợp này rất có hại.

Câu 2: Một con lắc dao động tắt dần. Cứ sau mỗi chu kì, biên độ giảm 3%. Tính phần năng lượng của con lắc bị mất đi trong một dao động.

Giải chi tiết:

Gọi A₀, A lần lượt là biên độ dao động ban đầu và sau một dao động toàn phần của con lắc. W₀, W lần lượt là năng lượng ban đầu và sau một dao động toàn phần của con lắc

Theo đề bài:

Suy ra phần năng lượng của con lắc mất đi trong một dao động toàn phần là:

Câu 3: Một con lắc dài 44 cm được treo vào trần của một toa xe lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh của toa xe gặp chỗ nối nhau giữa các thanh ray. Hỏi tàu chạy thẳng đều với tốc độ bằng bao nhiêu thì biên độ dao động của con lắc sẽ lớn nhất? Cho biết chiều dài của mỗi thanh ray là 12,5 m. Lấy g = 9,8 m/s².

Giải chi tiết:

Chu kì dao động riêng của con lắc:

s.

Con lắc dao động với biên độ cực đại khi xảy ra cộng hưởng: T = T₀.

Suy ra: m/s.