Toptailieu.vn biên soạn và giới thiệu lời giải Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 5: Động năng. Thế năng. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà hay, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng trả lời câu hỏi từ đó học tốt môn Vật lí 11. 

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 5: Động năng. Thế năng. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà

Khởi động trang 20 Vật Lí 11: Ở lớp 10, khi học về chuyển động của vật, ta đã biết có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng của vật. Vậy trong dao động điều hoà có sự chuyển hoá tương tự không?

Lời giải:

Trong dao động điều hoà có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng.

Nếu bỏ qua mọi ma sát thì cơ năng của dao động điều hoà bảo toàn, khi động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại.

Hoạt động 1 trang 21 Vật Lí 11: Hình 5.3 là đồ thị động năng và thế năng của một vật dao động điều hoà theo li độ. Hãy phân tích sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng bằng đồ thị.

Lời giải:

- Tại vị trí biên âm, thế năng có độ lớn cực đại và bằng cơ năng trong khi đó động năng bằng 0. Khi vật chuyển động từ biên âm tiến về VTCB thì thế năng giảm dần về 0 (bằng 0 tại VTCB) và động năng tăng đến giá trị cực đại (tại VTCB).

- Khi vật chuyển động từ VTCB ra biên dương thì động năng giảm dần về 0 và thế năng tăng dần đến giá trị cực đại (tại biên dương).

Hoạt động 2 trang 21 Vật Lí 11: Hình 5.4 là đồ thị động năng và thế năng của một vật dao động điều hoà theo thời gian.

a) Động năng và thế năng của vật thay đổi như thế nào trong các khoảng thời gian: từ 0 đến $\frac{T}{4}$, từ $\frac{T}{4}$ đến $\frac{T}{2}$, từ $\frac{T}{2}$ đến $\frac{3T}{4}$, từ $\frac{3T}{4}$ đến T.

b) Tại các thời điểm: $t=0;t=\frac{T}{8};t=\frac{T}{4};t=\frac{3T}{8}$, động năng và thế năng của vật có giá trị như thế nào (tính theo W). Nghiệm lại để thấy ở mỗi thời điểm đó W_đ + W_t = W.

Lời giải:

a) Từ 0 đến $\frac{T}{4}$, động năng tăng dần từ 0 đến giá trị cực đại còn thế năng giảm dần từ giá trị cực đại về 0. Trong khoảng thời gian này có thời điểm động năng bằng thế năng và bằng một nửa cơ năng.

- Từ $\frac{T}{4}$ đến $\frac{T}{2}$, động năng giảm dần từ cực đại về 0 còn thế năng tăng dần từ 0 lên giá trị cực đại. Trong khoảng thời gian này có thời điểm động năng bằng thế năng và bằng một nửa cơ năng.

- Từ $\frac{T}{2}$ đến $\frac{3T}{4}$, động năng tăng dần từ 0 đến giá trị cực đại còn thế năng giảm dần từ giá trị cực đại về 0. Trong khoảng thời gian này có thời điểm động năng bằng thế năng và bằng một nửa cơ năng.

- Từ $\frac{3T}{4}$ đến T, động năng giảm dần từ cực đại về 0 còn thế năng tăng dần từ 0 lên giá trị cực đại. Trong khoảng thời gian này có thời điểm động năng bằng thế năng và bằng một nửa cơ năng.

b) Tại thời điểm t = 0, động năng = 0, thế năng = cơ năng (W).

Tại thời điểm $t=\frac{T}{8}$, động năng = thế năng = $\frac{1}{2}$cơ năng

Tại thời điểm $t=\frac{T}{4}$, động năng = cơ năng, thế năng = 0

Tại thời điểm $t=\frac{3T}{8}$, động năng = thế năng = $\frac{1}{2}$cơ năng

Nghiệm lại tại các thời điểm trên (hay thời điểm bất kì) thì tổng động năng và thế năng đều không đổi.

Hoạt động trang 22 Vật Lí 11: Làm thí nghiệm để xác nhận rằng khi góc lệch ${\alpha }_{0 }\le {10}^0$ thì chu kì của con lắc đơn gần như không phụ thuộc vào biên độ dao động.

Lời giải:

Học sinh tự thực hiện thí nghiệm kiểm tra và đưa ra được kết luận: Khi góc lệch ${\alpha }_{0 }\le {10}^0$ thì chu kì của con lắc đơn gần như không phụ thuộc vào biên độ dao động.

Hoạt động trang 22 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo có độ cứng k và vật nặng có khối lượng m.

1. Tính chu kì T.

2. Đo chu kì T bằng đồng hồ. So sánh hai kết quả thu được với kết quả tính ở Câu 1.

Lời giải:

1. Chu kì $T=\frac{2\pi }{\omega }=2\pi \sqrt{\frac{\mathcal{l}}{g}}$

2. Sử dụng một lò xo có độ cứng k (có giá trị cụ thể) và gắn vào một vật có khối lượng m (đã được xác định). Tạo ra dao động điều hoà và dùng đồng hồ bấm giây để xác định chu kì (hoặc có thể sử dụng điện thoại thông minh có phần mềm đo thời gian dao động). Từ đó có thể so sánh được, ta thấy kết quả xấp xỉ nhau.

Câu hỏi 1 trang 23 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo có vật nặng khối lượng 0,4 kg, dao động điều hoà. Đồ thị vận tốc v theo thời gian t như Hình 5.7.

Tính:

a) Vận tốc cực đại của vật;

b) Động năng cực đại của vật;

c) Thế năng cực đại của con lắc;

d) Độ cứng k của lò xo.

Lời giải:

Từ đồ thị xác định được chu kì T = 1,2 s

a) Vận tốc cực đại của vật: v_max = 0,3 cm/s

b) Động năng cực đại Wđmax = $\frac{1}{2}m{v}_{\max }^2=\frac{1}{2}\mathrm{.0,4.}{\left({\mathrm{0,3.10}}^{-2}\right)}^2={\mathrm{1,8.10}}^{-6}J$

c) Thế năng cực đại = động năng cực đại = 1,8.10-6 J

d) Độ cứng: $k=m{\omega }^2=m.{\left(\frac{2\pi }{T}\right)}^2=\mathrm{0,4.}{\left(\frac{2\pi }{\mathrm{1,2}}\right)}^2\approx 11N/m$

Câu hỏi 2 trang 23 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm lò xo có độ cứng k = 100 N/m, vật nặng có khối lượng m = 200 g, dao động điều hoà với biên độ A = 5 cm.

a) Xác định li độ của vật tại thời điểm động năng của vật bằng 3 lần thế năng của con lắc.

b) Xác định tốc độ của vật khi vật qua vị trí cân bằng.

c) Xác định thế năng của con lắc khi vật có li độ x = -2,5 cm.

Lời giải:

a) Tại thời điểm động năng của vật bằng 3 lần thế năng của con lắc:

$\left\{\begin{array}{l}{W}_d=3W_t\\ W_d+W_t=W\end{array}\right.\Rightarrow W_t=\frac{1}{4}W\Rightarrow \frac{1}{2}k{x}^2=\frac{1}{4}.\frac{1}{2}k{A}^2\Rightarrow x=\pm \frac{A}{2}=\pm \mathrm{2,5}cm$

b) Khi qua VTCB: $v_{\max }=A\omega =A.\sqrt{\frac{k}{m}}=\mathrm{0,05.}\sqrt{\frac{100}{\mathrm{0,2}}}=\frac{\sqrt{5}}{2}m/s$

c) Thế năng của con lắc khi vật có li độ x = -2,5 cm:

$W_t=\frac{1}{2}k{x}^2=\frac{1}{2}\mathrm{.100.}{\left(-{\mathrm{2,5.10}}^{-2}\right)}^2=\mathrm{0,03}J$

Em có thể trang 23 Vật Lí 11: Phân tích sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng trong dao động điều hoà ở một số ví dụ trong đời sống.

Lời giải:

Ví dụ về dao động điều hoà trong đời sống: Con lắc của đồng hồ hồ quả lắc

Khi con lắc ở vị trí biên thì thế năng cực đại, động năng bằng không, khi con lắc tiến về VTCB thì thế năng giảm dần về 0 và động năng tăng dần đến giá trị cực đại. Trong quá trình dao động, thế năng và động năng chuyển hoá qua lại lẫn nhau, nếu bỏ qua mọi ma sát thì tổng động năng và thế năng không đổi.

Xem thêm các bài giải Vật lí 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 6: Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 7: Bài tập về sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 8: Mô tả sóng

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 9: Sóng ngang. Sóng dọc. Sự truyền năng lượng của sóng cơ

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 10: Thực hành: Đo tần số của sóng âm