Toptailieu.vn biên soạn và giới thiệu lời giải Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 6: Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng 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 6: Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng

Khởi động trang 24 Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

Do trong quá trình dao động, năng lượng mà xích đu nhận được bị chuyển hóa một phần thành các năng lượng hao phí dẫn đến dao động bị tắt dần nên cần phải cung cấp năng lượng để duy trì dao động.

Câu hỏi trang 24 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Do trong quá trình dao động có sự ma sát với không khí, lực cản của môi trường, các vị trí tiếp xúc của các bộ phận xích với khung giá đỡ có sự ma sát. Ma sát là nguyên nhân gây ra sự tiêu hao cơ năng của ghế xích đu (cơ năng chuyển hóa dần thành nhiệt năng), nên để duy trì được dao động như ban đầu thì người mẹ phải thỉnh thoảng đẩy nhẹ vào em bé để bù vào phần cơ năng đã bị chuyển hóa.

Hoạt động trang 24 Vật Lí 11:

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 tấm ghi đồ 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.

Lời giải:

Nhận xét:

+ Biên độ của con lắc đơn giảm dần theo thời gian.

+ Chu kì (tần số) của dao động tắt dần không phụ thuộc và biên độ dao động mà phụ thuộc vào chu kì (tần số) dao động riêng của vật.

Câu hỏi trang 25 Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

- Ví dụ dao động tắt dần có lợi:

Bộ phận giảm xóc xe ô tô, xe máy: Khi đi qua đoạn đường gồ ghề thì xe sẽ bị dao động mạnh lên xuống gây khó chịu cho người ngồi trên xe. Nhờ có bộ phận giảm xóc mà dao động của xe được tắt dần nhanh chóng.

- Ví dụ dao động tắt dần có hại:

Đồng hồ quả lắc: Khi con lắc dao động tắt dần sẽ làm cho đồng hồ chạy không chính xác.

Câu hỏi trang 25 Vật Lí 11: Tìm thêm ví dụ về dao động cưỡng bức.

Lời giải:

Ví dụ về dao động cưỡng bức:

Kéo một con lắc lò xo rồi thả ra. Con lắc lò xo sẽ dao động tắt dần, bây giờ ta đặt một lực do tay ta tạo ra lên con lắc. Khi đó dao động này gọi là dao động cưỡng bức, do vật dao động phụ thuộc vào lực do tay ta tạo nên, tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.

Hoạt động trang 26 Vật Lí 11:

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.

Lời giải:

Khi con lắc điều khiển Đ được kéo sang một bên theo phương vuông góc với thanh rồi thả cho dao động thì các con lắc 1, 2, 3 cũng dao động theo với tần số giống nhau, biên độ khác nhau. Vì:

- Con lắc 1, 2, 3 đang dao động cưỡng bức (thông qua con lắc điều khiển Đ) nên tần số của cả 3 con lắc này bằng nhau và bằng tần số dao động của con lắc điều khiển Đ.

- Biên độ của 3 con lắc trên khác nhau là do biên độ của dao động cưỡng bức không chỉ phụ thuộc vào biên độ của lực cưỡng bức mà còn phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ dao động. Khi tần số của lực cưỡng bức càng gần tần số riêng thì biên độ dao động của hệ càng lớn.

Ta đã biết tần số của con lắc đơn: $f=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{g}{\mathcal{l}}}$ nên chiều dài càng lớn thì tần số riêng càng nhỏ, khi đó độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ càng lớn dẫn đến biên độ dao động của hệ càng nhỏ.

Nhìn vào thí nghiệm ta thấy con lắc thử thứ 3 có chiều dài lớn nhất nên tần số riêng của con lắc này là nhỏ nhất, độ chênh lệch tần số lớn nhất nên biên độ dao động nhỏ nhất, ngược lại con lắc thử thứ 1 sẽ có biên độ dao động lớn nhất.

Câu hỏi 1 trang 27 Vật Lí 11: Đánh giá được sự có lợi hay có hại của cộng hưởng trong các ví dụ nêu trên.

Lời giải:

- Đánh giá hiện tượng cộng hưởng có lợi trong các trường hợp:

+ Hộp đàn của các đàn ghi – ta, violon có tác dụng làm cho âm thanh phát ra được to hơn.

Lò vi sóng hoạt động dựa trên hiện tượng cộng hưởng giúp thực phẩm được nóng lên nhanh hơn.

- Đánh giá hiện tượng cộng hưởng có hại trong các trường hợp:

Hiện tượng cộng hưởng làm cho các hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe dao động mạnh hơn dẫn đến bị đổ hoặc gãy gây thiệt hại về tài sản, kinh tế.

Câu hỏi 2 trang 27 Vật Lí 11: 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 toàn phần.

Lời giải:

Giả sử năng lượng ban đầu của con lắc là ${\text{W}}_1=\frac{1}{2}k{A}_1^2$

Sau một chu kì, năng lượng của con lắc là ${\text{W}}_2=\frac{1}{2}k{A}_2^2$

Mà cứ sau mỗi chu kì, biên độ giảm 3% nên A₂ = A₁ - 0,03 A₁ = 0,97 A₁

Vậy phần năng lượng của con lắc bị mất đi trong một dao động toàn phần là 

$\frac{\Delta \text{W}}{{\text{W}}_1}=\frac{{\text{W}}_1-{\text{W}}_2}{{\text{W}}_1}=\frac{\frac{1}{2}k.A_1^2-\frac{1}{2}k.A_2^2}{\frac{1}{2}k.A_1^2}=\frac{A_1^2-{\left(\mathrm{0,97}{A}_1\right)}^2}{A_1^2}\approx \mathrm{0,06}=6\%$

Câu hỏi 3 trang 27 Vật Lí 11: 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 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 12,5m. Lấy g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Chu kì của con lắc là $T=2\pi \sqrt{\frac{\mathcal{l}}{g}}=2\pi \sqrt{\frac{\mathrm{0,44}}{\mathrm{9,8}}}=\mathrm{1,33}s$

Con lắc dao động với biên độ lớn nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng tức là chu kì của xe lửa bằng chu kì dao động của con lắc.

Mà chu kì của xe lửa chính là thời gian để xe lửa đi hết một thanh ray: t = T = 1,33s.

Ta có: $t=\frac{s}{v}\Rightarrow v=\frac{s}{t}=\frac{\mathrm{12,5}}{\mathrm{1,33}}=\mathrm{9,4}m/s$

Em có thể trang 27 Vật Lí 11: Lấy được ví dụ thực tế về dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng.

Lời giải:

- Ví dụ dao động tắt dần: Khi kéo con lắc lò xo khỏi vi trị cân bằng, ta thấy càng dao động thì biên độ con lắc lò xo càng giảm và đến một lúc nào đó thì dừng lại.

- Ví dụ dao động cưỡng bức: Các loại máy đầm, máy phá hủy công trình xây dựng đều làm cho các vật phải dao dộng theo tần số của các loại máy móc đó.

- Ví dụ hiện tượng cộng hưởng: Một con lắc lò xo có tần số góc bằng 10 rad. Người ta làm thí nghiệm và thấy rằng khi tần số ngoại lực bằng 10 rad thì biên độ của con lắc lò xo đạt cực đại.

Em có thể trang 27 Vật Lí 11: Nhận biết được sự có lợi hay có hại của cộng hưởng và vận dụng nó vào cuộc sống.

Lời giải:

Ví dụ: Vào thế kỉ XIX, một quân đoàn Nga đi đều bước qua một cây cầu và không may tần số bước chân của quân đoàn lại bằng tần số riêng của cây cầu và tai nạn không mong muốn đã xảy ra. Từ đó quân đội Nga không còn quy định mỗi khi đi qua cầu nữa. Như vậy trong trường hợp trên, hiện tượng cộng hưởng có hại.

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

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

Vật lí 11 (Kết nối tri thức) Bài 11: Sóng điện từ