Sách bài tập Vật lí 11 Bài 4 (Chân trời sáng tạo): Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Giải SBT Vật lí 11 Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Câu 4.1 (B) trang 16 Sách bài tập Vật Lí 11: Khi không còn ngoại lực duy trì, dao động của con lắc đơn trong không khí bị tắt dần do

A. trọng lực tác dụng lên vật.                     

B. lực căng của dây treo.

C. lực cản của môi trường.                          

D. do dây treo có khối lượng không đáng kể.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Dao động tắt dần do lực cản của môi trường.

Câu 4.2 (B) trang 16 Sách bài tập Vật Lí 11: Phát biểu nào dưới đây không đúng khi nói về dao động tắt dần?

A. Cơ năng của dao động giảm dần.

B. Độ lớn lực cản càng lớn thì sự tắt dần càng nhanh.

C. Biên độ của dao động giảm dần.

D. Tần số dao động càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Tần số dao động càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh – sai.

Câu 4.3 (B) trang 16 Sách bài tập Vật Lí 11: Chỉ ra phát biểu sai.

A. Dao động tắt dần càng nhanh khi độ lớn của lực cản môi trường càng lớn.

B. Dao động duy trì có chu kì bằng chu kì dao động riêng của hệ.

C. Biên độ của dao động cưỡng bức không phụ thuộc vào tần số của ngoại lực cưỡng bức.

D. Dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số của ngoại lực cưỡng bức.

Câu 4.4 (B) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Một vật có tần số riêng 20 Hz đang thực hiện dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn $F=20\text{cos}\left(50\pi t+\pi \right)\left(\text{N}\right)$. Tần số dao động của vật trong giai đoạn ổn định là

A. 50 Hz.             

B. 20 Hz.             

C. 25 Hz.             

D. 100 Hz.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của lực cưỡng bức:

$f=\frac{\omega }{2\pi }=\frac{50\pi }{2\pi }=25\text{ Hz}$

Câu 4.5 (B) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi

A. tần số của ngoại lực cưỡng bức nhỏ hơn tần số riêng của hệ.

B. chu kì của ngoại lực cưỡng bức nhỏ hơn chu kì riêng của hệ.

C. tần số góc của ngoại lực cưỡng bức bằng tần số góc riêng của hệ.

D. biên độ của ngoại lực cưỡng bức bằng biên độ dao động của hệ.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của ngoại lực cưỡng bức bằng tần số góc riêng của hệ.

Câu 4.6 (H) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Một chiếc ô tô đang chạy trên đoạn đường lát gạch, cứ cách khoảng 5 m lại có một rãnh nhỏ. Tần số dao động riêng của khung xe trên các lò xo giảm xóc là 0,5 Hz. Ô tô bị xóc mạnh nhất khi chạy với tốc độ bao nhiêu?

A. 2,5 m/s.           

B. 10 m/s.            

C. 50 m/s.            

D. 5 m/s.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Ô tô bị xóc mạnh nhất khi chu kì của ngoại lực bằng với chu kì dao động riêng của khung xe. Khi đó, ô tô có tốc độ là: $v=\frac{s}{T}=s.f=\mathrm{5.0,5}=\mathrm{2,5}\text{ m/s}$

Câu 4.7 (H) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng 500 g gắn vào một lò xo có độ cứng 50 N/m. Con lắc này chịu tác dụng của ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn. Khi tần số góc của ngoại lực lần lượt là 5 rad/s và 8 rad/s thì biên độ của dao động con lắc lần lượt là A₁ và A₂. Hãy so sánh A₁ và A₂.

A. $A_1=2A_2$

B. $A_1>A_2$

C. $A_1=A_2$

D. $A_1<A_2$

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Tần số góc riêng của hệ là ${\omega }_0=\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{50}{\mathrm{0,5}}}=10\text{rad/s}$. Do tần số góc 8 rad/s gần với giá trị ${\omega }_0$, nên biên độ A₂ lớn hơn biên độ A₁.

Câu 4.8 (H) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng m gắn vào một lò xo có độ cứng 50 N/m. Tác dụng lên vật ngoại lực cưỡng bức $F=40\text{cos}\left(10\pi t-\pi \right)\left(\text{N}\right)$ dọc theo trục lò xo thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Lấy ${\pi }^2=10$. Giá trị của m là

A. 5 kg.               

B. 5.10^-2 kg.         

C. 5 g.                           

D. 0,05 g.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Khi cộng hưởng xảy ra: $\omega ={\omega }_0\iff 10\pi =\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{50}{m}}$

Suy ra: $m=\frac{50}{{\left(10\sqrt{10}\right)}^2}={5.10}^{-2}\text{ kg}$

Câu 4.9 (H) trang 17 Sách bài tập Vật Lí 11: Vật nhỏ nặng 100 g gắn với một lò xo nhẹ đang dao động điều hoà dọc theo một trục nằm trong mặt phẳng ngang trên đệm không khí có li độ $x=\sqrt{2}\text{sin}\left(100\pi t-\frac{\pi }{3}\right)\left(\text{cm}\right)$. Nếu tắt đệm không khí, độ giảm cơ năng của vật đến khi vật hoàn toàn dừng lại là bao nhiêu?

A. 2 J.                           

B. 10 000 J.          

C. 1 J.                  

D. 0,1 J.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Độ giảm cơ năng của vật đến khi vật hoàn toàn dừng lại là:

$\text{Δ}W=W=\frac{1}{2}m{\omega }^2{A}^2=\frac{1}{2}\mathrm{.0,1.}{\left(100\pi \right)}^2.{\left(\sqrt{2}{.10}^{-2}\right)}^2\approx 1\text{ J}$

Câu 4.10 (VD) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm một lò xo có độ cứng 100 N/m gắn với vật nặng 100 g dao động điều hoà trong không khí dưới ngoại lực cưỡng bức $F=F_0\text{sin}\left(50\pi t\right)\left(\text{N}\right)$. Để có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng, người ta thực hiện phương án nào sau đây?

A. Tăng tần số của ngoại lực.                     

B. Thay lò xo có độ cứng lớn hơn.

C. Thay lò xo có độ cứng nhỏ hơn.              

D. Tăng khối lượng của vật nặng.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Tần số riêng của hệ ${\omega }_0=\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{100}{\mathrm{0,1}}}=10\sqrt{10}\text{rad/s}\approx 10\pi \text{rad/s}$,nhỏ hơn tần số của ngoại lực cưỡng bức nên để xảy ra cộng hưởng phải giảm tần số ngoại lực hoặc thay đổi hệ để tăng tần số riêng.

Câu 4.11 (VD) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Một con lắc lò xo dao động điều hoà trên mặt phẳng nằm ngang gồm một vật nhỏ có khối lượng 100 g gắn vào lò xo nhẹ có độ cứng 98 N/m. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,02 . Lấy $g=\mathrm{9,8}\text{ m}/{\text{s}}^2$. Tính độ giảm biên độ sau mỗi lần vật qua vị trí cân bằng.

A. 0,08 mm.         

B. 0,04 mm.         

C. 0,8 mm.           

D. 0,4 mm.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Độ giảm cơ năng sau nửa chu kì bằng công của lực ma sát thực hiện trong nửa chu kì đó:

 $$\begin{gathered} \frac{k{A}^2}{2}-\frac{k{A}^{\text{'}2}}{2}=F_{\text{ms}}\left(A+A^{\text{'}}\right) \\ \iff \frac{k}{2}\left(A+A^{\text{'}}\right)\cdot \left(A-A^{\text{'}}\right)=F_{\text{ms}}\left(A+A^{\text{'}}\right) \end{gathered}$$

Suy ra độ giảm biên độ sau mỗi lần vật qua vị trí cân bằng (sau nửa chu kì) là:

$$\begin{gathered} \text{Δ}{A}^{\text{'}}=\frac{2F_{\text{ms}}}{k}=\frac{2\mu mg}{k} \\ =\frac{2\cdot \mathrm{0,02}\cdot \mathrm{0,1}\cdot \mathrm{9,8}}{98}=4\cdot {10}^{-4}\text{ m}=\mathrm{0,4}\text{ mm}. \end{gathered}$$

Câu 4.1 (B) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Hãy nêu hai ví dụ cho mỗi hiện tượng: dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và cộng hưởng trong đời sống

Lời giải:

- Dao động tắt dần: Xích đu dao động chậm dần khi không còn ngoại lực, ván nhảy cầu dao động sau khi vận động viên nhảy khỏi ván.

- Dao động cưỡng bức: Dao động của võng điện, dao động của mặt cầu khi có phương tiện giao thông đi qua.

- Cộng hưởng: Hộp đàn guitar, hiện tượng một số toà nhà có chiều cao xác định bị tàn phá mạnh nhất trong động đất.

Câu 4.2 (B) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Hãy giải thích nguyên nhân gây ra dao động tắt dần.

Lời giải:

Ta đã biết, lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chuyển động của vật. Do đó, lực cản tác dụng lên vật làm cho cơ năng giảm. Từ đó biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian.

Câu 4.3 (H) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Hãy phân biệt dao động tắt dần và dao động cưỡng bức.

Lời giải:

Câu 4.4 (H) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Trong các trường hợp sau, trường hợp nào có khả năng xảy ra hiện tượng cộng hưởng? Giải thích cơ chế cộng hưởng.

a) Đoàn người bước đều qua cầu, làm cầu rung lắc mạnh.

b) Âm thanh trong thính phòng to hơn phòng thông thường.

c) Cầu vồng sau mưa.

Lời giải:

a) Trường hợp này có khả năng xảy ra cộng hưởng: Đoàn người bước đều, tạo ra dao động có tần số bằng tần số riêng của cầu.

b) Trường hợp này có khả năng xảy ra cộng hưởng: Kiến trúc của thính phòng được thiết kế để xảy ra hiện tượng cộng hưởng âm thanh, làm âm thanh trở nên to hơn và khán giả có thể nghe rõ dù ca sĩ không dùng micro.

c) Đây không phải hiện tượng cộng hưởng vì cầu vồng xuất hiện do hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Câu 4.5 (H) trang 18 Sách bài tập Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ gắn vào một lò xo, viên bi có thể dao động điều hoà với tần số góc riêng 20 rad/s. Con lắc dao động cưỡng bức theo phương trùng với trục của lò xo dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn $F=F_0\text{cos}\left(\text{Ω}t\right)$. Khi thay đổi $\text{Ω}$ ta ghi nhận được tại giá trị tần số góc 10 rad/s và 15 rad/s thì biên độ dao động của viên bi tương ứng là A₁ và A₂.

a) So sánh A₁ và A₂.

b) Biểu diễn trên đồ thị biên độ của viên bi theo tần số góc của ngoại lực tuần hoàn các điểm tương ứng với giá trị A₁ và A₂.

Lời giải:

a) Vì ${\text{Ω}}_1<{\text{Ω}}_2<{\omega }_0$ nên $A_1<A_2$

b) Đồ thị biên độ của viên bi theo tần số góc của ngoại lực tuần hoàn.

Câu 4.6 (VD) trang 19 Sách bài tập Vật Lí 11: Cho một dao động tắt dần, nếu xem gần đúng dao động tắt dần này là dao động điều hoà, cứ sau mỗi chu kì thì cơ năng của hệ sẽ giảm 24%. Hỏi sau khoảng bao nhiêu chu kì, biên độ của dao động sẽ giảm còn một nửa?

Lời giải:

Cơ năng ban đầu của dao động là $W=\frac{1}{2}k{A}^2$

Cơ năng của dao động sau một chu kì còn lại là $W^{\text{'}}=\mathrm{0,76}W$. Do đó, biên độ của dao động sau một chu kì là $A_1=\sqrt{\mathrm{0,76}}{A}_0$

Vậy sau n chu kì, biên độ dao động là $A_n={\left(\sqrt{\mathrm{0,76}}\right)}^n{A}_0$

Khi $A_n=\frac{1}{2}{A}_0$, ta thu được $n\approx 5$. Vậy sau khoảng 5 chu kì, biên độ còn giảm một nửa.

Câu 4.7 (VD) trang 19 Sách bài tập Vật Lí 11: Để đo hệ số ma sát nhớt của chất lỏng, người ta thực hiện một thí nghiệm đơn giản dựa trên hiện tượng dao động cưỡng bức như Hình 4.1. Gắn một vật có khối lượng m vào một lò xo có độ cứng k trong chất lỏng, đầu còn lại của lò xo được gắn vào một đĩa được điều khiển bởi động cơ có tốc độ điều chỉnh được. Động cơ quay với tần số góc ω. Ngoại lực do đĩa tác dụng lên lò xo có dạng $F=F_0\text{sin}\left(\omega t\right)$. Khi đó, vật sẽ dao động điều hoà với biên độ được chứng minh bằng lí thuyết là:

$A=\frac{F_0}{\sqrt{m^2{\left({\omega }^2-{\omega }_0^2\right)}^2+b^2{\omega }^2}},$ trong đó ${\omega }_0=\sqrt{\frac{k}{m}}$ là tần số góc riêng của con lắc lò xo, b là hệ số ma sát nhớt được xác định là hệ số tỉ lệ của lực cản môi trường và tốc độ của vật. Biết $F_0=10\text{ N}$, khi thay đổi tần số góc, tại giá trị $\omega =100\pi \text{rad/s}$, người ta ghi nhận được con lắc dao động với biên độ lớn nhất $A_{\text{max}}=5\text{ cm}$. Hãy tính hệ số ma sát nhớt của chất lỏng.

Lời giải:

Ta có: $A=\frac{F_0}{\sqrt{m^2{\left({\omega }^2-{\omega }_0^2\right)}^2+b^2{\omega }^2}}$

Khi xảy ra cộng hưởng thì $\omega ={\omega }_0$

Với $\omega =100\pi \text{rad/s}$, con lắc dao động với biên độ cực đại (cộng hưởng).

$$\begin{gathered} \Rightarrow A=A_{\text{max}}=\frac{F_0}{b\omega } \\ \Rightarrow b=\frac{F_0}{\omega A_{\text{max}}}=\frac{10}{100\pi \cdot \mathrm{0,05}}\approx \mathrm{0,64}\text{ kg/s} \end{gathered}$$

Câu 4.8 (VD) trang 19 Sách bài tập Vật Lí 11: Trong một cửa hàng, cửa ra vào được thiết kế đóng tự động nhờ một hệ thống lò xo bên trong bản lề. Sau khi khách hàng mở cửa và ngừng tác dụng lực, cánh cửa sẽ dao động quanh trục quay và dừng lại ở vị trí ban đầu. Hãy cho biết đây là ứng dụng của hiện tượng nào và tìm hiểu nguyên lí hoạt động của cửa đóng tự động này.

Lời giải:

Đây là ứng dụng của hiện tượng dao động tắt dần. Khi người ngừng tác dụng lực, cánh cửa có thể dao động quanh vị trí cân bằng và tắt dần do ma sát. Thông thường, các cánh cửa đóng tự động được dán một lớp cao su hoặc nhung dưới đáy nhằm tăng ma sát để quá trình tắt dần xảy ra nhanh hơn, đồng thời giúp cửa đóng một cách từ từ, tăng tuổi thọ thiết bị và khả năng an toàn cho người sử dụng.

Xem thêm các bài giải SBT Vật lí 11 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 5: Sóng và sự truyền sóng

Bài 6: Các đặc trưng vật lí của sóng

Bài 7: Sóng điện từ

Bài 8: Giao thoa sóng

Bài 9: Sóng dừng