BÀI 6. DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG
Trang bìa
Trang bìa
BÀI 6. DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG
Ảnh
Khởi động
Giới thiệu bài
Ảnh
Giới thiệu bài
Câu hỏi khởi động
Khởi động: 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?
Trả lời: 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.
Ảnh
Dao động tắt dần
1. Dao động tự do
+ Trong các bài trước, ta đã giả thiết không có ma sát tác dụng vào con lắc. Con lắc dao động với biên độ và tần số riêng: (kí hiệu là latex(f_0)) không đổi. + Dao động như vậy gọi là dao động tự do vì nó chỉ phụ thuộc vào đặc tính của con lắc
Câu hỏi
Câu hỏi: 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.
Trả lời: 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.
2. Dao động tắt dần
Trong thực tế, khi kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả cho nó dao động thì biên độ của nó giảm dần (Hình 6.1). Dao động như vậy gọi là dao động tắt dần.
Ảnh
Thí nghiệm
Ảnh
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.
Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm: Khi con lắc dao động, nó chịu đựng ma sát ở chỗ treo và ở chỗ tiếp xúc giữa bút dạ với tấm nhựa. Ngoài ra, nó còn chịu lực cản của không khí. Lực ma sát và lực cản của không khí đều làm tiêu hao cơ năng của con lắc, chuyển hóa dần cơ năng thành nhiệt năng. Vì thế, biên độ dao động của con lắc giảm dần và cuối cùng, con lắc dừng hẳn.
Ảnh
3. Ứng dụng
Ảnh
+ Bộ phận giảm sóc của xe máy Hình 6.2 là ứng dụng của dao động tắt dần.
+ Khi xe máy đi qua chỗ mấp mô, xe bị nảy lên và dao động. Nếu dao động kéo dài làm người ngồi trên xe khó chịu. Vì thế, người ta lắp thêm một bộ phận gióc xóc để làm tắt nhanh dao động của khung xe.
Câu hỏi tình huống
Câu hỏi: 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.
Trả lời: + 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…
Dao động cưỡng bức
1. Khái niệm dao động cưỡng bức
Khái niệm: Dao động cưỡng bức là dao động xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số f bất kì. Khi dao động ổn định tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực. Ví dụ: Khi đến bến xe buýt, xe chỉ tạm dừng nên không tắt máy, thân xe vẫn dao động. Dao động đó là dao động cưỡng bức dưới tác dụng của lực cưỡng bức tuần hoàn gây ra bởi chuyển động của pít-tông trong xi lanh của máy nổ.
2. Đặc điểm
Dao động cưỡng bức khi ổn định có những đặc điểm sau đây: + Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức. + Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ ngoại lực, độ lớn lực cản của môi trường, độ chênh lệch giữa tần số của ngoại lực và tần số riêng của hệ dao động.
Câu hỏi tình huống
Câu hỏi: Tìm thêm ví dụ về dao động cưỡng bức.
Trả lời: + Khi đẩy xích đu, phải đẩy liên tục để dao động của xích đu không bị giảm. + Một người thợ làm gốm tác dụng lực vào bàn quay để bàn quay có thể quay liên tục đều đặn để làm ra những sản phẩm bằng gốm + Chuyển động của con lắc đồng hồ sau một thời gian sẽ chậm dần nên phải cung cấp một lực để con lắc dao động ổn định...
Thí nghiệm
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
Ảnh
* 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
* * Giải thích hiện tượng Thí nghiệm
Nhận xét: So sánh kết quả quan sát được với dự đoán
Ảnh
Giải thích: 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.
Hiện tượng cộng hưởng
1. Định nghĩa
Từ kết quả thí nghiệm trên, ta có thể rút ra điều kiện để xảy ra hiện tượng cộng hưởng. + Hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng fo của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng. + Đường cong trên đồ thị Hình 6.4 gọi là đồ thị cộng hưởng. Đồ thị càng nhọn khi lực cản của môi trường càng nhỏ (điểm A). Điều kiện f = fo gọi là điều kiện cộng hưởng.
Ảnh
2. Giải thích
+ Khi tần số của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ dao động thì hệ được cung cấp năng lượng một cách nhịp nhàng, đúng lúc, do đó biên độ dao động của hệ tăng dần lên. Biên độ dao động đạt tới giá trị cực đại khi tốc độ tiêu hao năng lượng do ma sát bằng tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ. + Trong trò chơi đu, người đu phải tác dụng lực vào đu bằng cách nhún người khi đu bắt đầu đổi chiều ở vị trí cao nhất. Trong trò chơi này, người chơi và đu đóng vai trò là một con lắc, lực nhún của của người chơi đóng vai trò là ngoại lực. Vì ngoại lực luôn tác dụng vào con lắc tại những thời điểm nhất định (có cùng tần số với tần số dao động của đu) nên mặc dù người chơi chỉ cần nhún nhẹ nhàng cũng có thể đưa được đu lên rất cao.
3. Hiện tượng cộng hưởng trong đời sống
Cộng hưởng là một hiện tượng vật lí quan trọng có thể xuất hiện trong nhiều tình huống khác nhau. Trong một số trường hợp, hiện tượng cộng hưởng có lợi như: + Hộp đàn của các đàn ghi ta, violon... là những hộp cộng hưởng được cấu tạo sao cho không khí trong hộp có thể dao động cộng hưởng với nhiều tần số dao động khác nhau của dây đàn. + Nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng dựa trên cộng hưởng. Ở các lò vi sóng này, sóng được sử dụng có tần số phù hợp với tần số dao động riêng của các phân tử nước trong thực phẩm. Các phân tử nước đóng vai trò là hệ cộng hưởng cũng dao động cưỡng bức, nên hấp thụ năng lượng của sóng được sử dụng và nóng lên. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác hiện tượng cộng hưởng lại có hại.
Câu hỏi tình huống
Câu hỏi tình huống 1
Câu hỏi 1: Đánh giá được sự có lợi hay có hại của cộng hưởng trong các ví dụ nêu trên.
Trả lời: + 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 lực cưỡng bức gây ra hiện tượng cộng hưởng dao động là có lợiđộng ổn định... + Những hệ dao động như toà 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 có tần số bảng tần số riêng ấy có thể dẫn dẫn đỗ hoặc gãy, vì cộng hưởng dao động trong các trường hợp này là có hại.
Câu hỏi tình huống 2
Câu hỏi 2: Một con lắc dao động tắt dần. Cứ sau mỗi chu kì, biến độ giảm 3%. Tính phần năng lượng của con lắc bị mất đi trong một dao động toàn phần.
Trả lời: W, W' lần lượt là năng lượng ban đầu và sau một dao động toàn phần của con lắc. -> Phần năng lượng của con lắc mất đi trong một dao động toàn phần là 5,9%
Ảnh
Câu hỏi tình huống 3
Câu hỏi 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 nổi nhau của đường 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 đường ray là 12,5 m. Lấy g = 9,8 m/s².
Trả lời: Chu kì dao động riêng của con lắc là:
+ Để con lắc dao động với biên độ lớn nhất thì phải xảy ra hiện tượng cộng hưởng do đó latex(T_(xe lửa)) = T =1,33 (s) Chu kì của xe lửa là thời gian xe đi hết quãng đường 12,5 m
Ảnh
Ảnh
Dặn dò
- Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Ôn lại các kiến thức vừa học. Làm thêm bài tập trong sách bài tập. Chuẩn bị trước bài sau.
- Cảm ơn
Ảnh