Giải Vật Lí 11 Bài 6 (Kết nối tri thức): 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:

Vì trong quá trình xích đu chuyển động có một phần động năng của xích đu chuyển thành dạng năng lượng khác (thế năng) 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.

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:

Vì trong quá trình xích đu chuyển động có một phần động năng của xích đu chuyển thành dạng năng lượng khác ( thế năng ) 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.

Thực hành trang 24 Vật lí 11: 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.

Lời giải:

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.

Giải Vật lí 11 trang 25

Câu hỏi 1 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:

- 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…

Câu hỏi 2 trang 25 Vật lí 11: Tìm thêm ví dụ về dao động cưỡng bức

Lời giải:

- 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.

…

Giải Vật lí 11 trang 26

Thực hành trang 26 Vật lí 11: 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 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.

Giải Vật lí 11 trang 27

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:

Nếu tần số ngoại lực bằng với tần số dao động riêng của hệ sẽ làm cho hệ dao động với biên độ rất lớn, gây ra hiện tượng hư hỏng, đổ gãy. Vậy nên khi thiết kế cây cầu, bệ máy, khung xe, … cần phải lưu ý để cho tần số dao động riêng của chúng phải khác nhiều so với tần số của các lực cưỡng bức thường xuyên tác dụng lên.

Câu hỏi 2 trang 27 Vật lí 11: 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.

Lời giải:

$\frac{{\mathrm{W}}^{\prime }}{\mathrm{W}}=\frac{\frac{1}{2}k{A}^{{}^{\prime }2}}{\frac{1}{2}k{A}^2}={\left(\frac{A^{\prime }}{A}\right)}^2=0,{97}^2=0,94$

⇒ W' = 94%W

Phần năng lượng của con lắc mất đi trong một dao động toàn phần là 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 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.

Lời giải:

Chu kì dao động riêng của con lắc là:

$T=2\pi \sqrt{\frac{l}{g}}=T=2\pi \sqrt{\frac{0,44}{9,8}}\approx 1,33(s)$

Để con lắc dao động với biên độ lớn nhất thì phải xảy ra hiện tượng cộng hưởng do đó Txe lửa = T =1,33 (s)

Chu kì của xe lửa là thời gian xe đi hết quãng đường 12,5 m

$\Rightarrow v=\frac{s}{T}=\frac{12,5}{1,33}\approx 9,4(m/s)$