TLHT Chương I CHỦ ĐỀ 5 . DAO ĐỘNG TẮT DẦN-DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC-HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

 

Chủ đề 5:  DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC.

HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. DAO ĐỘNG TẮT DẪN

1.1. Dao động tắt dần

        Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần.

Hình 1.1. Dao động tắt dần có biên độ giảm dần theo thời gian

 1.2. Nguyên nhân

        Do lực ma sát và lực cản của môi trường sinh công làm mất dần năng lượng của dao động. Lực cản của môi trường càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh.

1.3. Đặc điểm của dao động tắt dần

 - Dao động tắt dần có có chu kỳ dao động tắt dần không đổi và bằng chu kì riêng của hệ dao động.

 - Trong dao động tắt dần, biên độ A giảm dần nên những đại lượng mang giá trị cực đại như v_max =ωA; a_max =ωA²; ...   cũng sẽ giảm dần theo thời gian.      

- Vì cơ năng W bằng giá trị cực đại của động năng tại vị trí cân bằng W_{đ max} và bằng với giá trị cực đại của thế năng tại biên W_tmax nên trong dao động tắt dần, nếu cơ năng giảm dần thì W_đmax và W_{t max} cũng giảm dần theo thời gian.

1.4. Các loại dao động tắt dần. 

Đồ thị các loại dao động tắt dần được mô tả như hình 

- Dao động tắt dần dưới hạn:Khi lực cản tác dụng lên vật có độ lớn nhỏ, vật thực hiện dao động với biên độ giảm dần theo thời gian và dừng lại sau một số chu kì dao động.      

- Dao động tắt dần tới hạn: Khi lực cản tác dụng lên vật có độ lớn vừa đủ, vật không thể thực hiện đủ một chu kì dao động mà trở về vị trí cân bằng tạm thời sau một khoảng thời gian ngắn khi lực kéo về có độ lớn không vượt quá lực ma sát nghỉ cực đại. 

- Dao động tắt dần vượt hạn: Khi lực cản tác dụng lên vật có độ lớn tăng lên, vật không thể thực hiện đủ một chu kì dao động mà trở về vị trí cân bằng sau một khoảng thời gian tương đối dài.  

1.5. Ứng dụng

Dao động tắt dần được dùng trong các thiết bị giảm xóc của ô tô, các thiết bị đóng cửa tự động.

 

2. DAO ĐỘNG DUY TRÌ

2.1. Định nghĩa

Dao động duy trì là một dao động tắt dần được cung cấp thêm năng lượng để bù vào sự tiêu hao do ma sát mà không làm thay đổi chu kì riêng của vật dao động. 

2.2. Ví dụ dao động duy trì:

Dao động của con lắc đồng hồ, bà đu đưa võng cho cháu ngủ

 

3. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC

3.1. Dao động cưỡng bức

        Là dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn, kết quả vật dao động cưỡng bức sẽ dao động với chu kỳ và tần số của lực cưỡng bức.           

                    Hình 1.3. Hình ảnh mô tả dao động cưỡng bức

3.2. Đặc điểm của dao động cưỡng bức

      - Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.

                              f_{cưỡng bức} = f_{ngoại lực}

 - Biên độ A_cb của dao động cưỡng bức vừa phụ thuộc vào biên độ dao động của ngoại lực, vừa phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa tần số ngoại lực cưỡng bức f_{ngoại lực}  và tần số dao động riêng f_o.

- Biên độ dao động cưỡng bức không phụ thuộc pha ban đầu của ngoại lực cưỡng bức cũng như pha ban đầu của dao động riêng.

3.3. Đồ thị sự phụ thuộc biên độ dao động cưỡng bức vào tần số.

   Trong hình

, tần số dao động riêng là f₀. Khi tần số ngoại lực cưỡng bức f càng gần giá trị f₀ thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn, khi tần số ngoại lực cưỡng bức f càng xa giá trị tần số dao động riêng f₀ thì biên độ dao động cưỡng bức càng nhỏ.

3.3. Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào lực cản của môi trường

   Nếu lực cản môi trường nhỏ, khi đó biên độ dao động sẽ lớn. Ngược lại khi lực cản môi trường lớn thì biên độ dao động cưỡng bức sẽ nhỏ.

Đồ thị sự phụ thuộc biên độ dao động cưỡng bức vào lực cản môi trường được mô tả như hình

3.4.Ví dụ về dao động cưỡng bức

         Khi xe đi qua các đoạn đường lồi lõm (ổ gà), xe sẽ bị rung (dao động) theo độ lồi lõm của mặt đường.

 4. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

4.1.Định nghĩa:

   Là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số f của ngoại lực lực cưỡng bức bằng tần số riêng f₀ của hệ dao động.

   Vậy hiên tượng cộng hưởng xảy ra khi khi  f =  f₀  ; ω = ω₀  ; T = T₀  

 ⟹ Biên độ dao động A đạt giá trị cực đại

4.2. Vai trò của hiện tượng cộng hưởng

   - Cộng hưởng có hại: 

hệ dao động như toà nhà, cầu, bệ máy, khung xe… khi chịu dao động cưỡng bức và xảy ra cộng hưởng cơ học sẽ gây hư hại và nguy hiểm.

   - Cộng hưởng có lợi: 

trong các hộp đàn của các đàn ghita, viôlon … đã ứng dụng hiện tượng cộng hưởng để làm tăng cường độ âm.

   - Hiện tượng cộng hưởng càng thể hiện rõ nhất khi lực cản môi trường càng nhỏ.

Ví dụ 1: Vào những buổi chiều tại các trường học, các em học sinh tiểu học thường ngồi chơi trên những chiếc xích đu để chờ ba mẹ đón các em về. Ban đầu các em đẩy mạnh để kích thích cho xích đu dao động. Sau một thời gian xích đu từ từ dừng lại.

a) Dao động của xích đu thuộc loại dao động nào?

b) Vì sao xích đu lại dao động tắt dần?

c) Để cho xích đu dao động qua lại với biên độ không đổi các em học sinh phải làm sao?

Hướng dẫn giải

a) Dao động của xích đu có biên độ giảm dần theo thời gian. Do đó dao động của xích đu thuộc loại dao động tắt dần.

b) Nguyên nhân xích đu dao động tắt dần do lực ma sát và lực cản của môi trường sinh công làm mất dần năng lượng của dao động. Do đó biên độ dao giảm dần theo thời gian.

c) Để duy trì dao động của xích đu, sau mỗi dao động các em thường dùng chân đẩy nhẹ xuống đất. Động tác này nhằm bổ sung một phần năng lượng dao động đã tiêu hao do ma sát sau mỗi chu kỳ mà không làm thay đổi chu kỳ dao động của xích đu.

Ví dụ 2: Một con lắc lò xo gồm một lò xo có độ cứng 100 N/m, vật nặng khối lượng 250 gam. Kéo vật khỏi vị trí cân bằng một khoảng 4 cm theo chiều dương rồi thả cho vật dao động theo phương nằm ngang. Biết rằng sau mỗi chu kỳ dao động biên độ giảm 4%.

 a) Tính chu kì dao động của vật.

b) Tính cơ năng ban đầu của vật.

c) Tính cơ năng của vật sau 2 chu kỳ dao động.

d) Sau bao nhiêu lần dao động cơ năng của vật còn lại 0,049 J?

Hướng dẫn giải

Ví dụ 3: Một con lắc lò xo gồm vật nặng khối lượng 100 g, lò xo có độ cứng 100 (N/m) dao động theo phương ngang. Hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là 0,1. Kéo vật khỏi vị trí cân bằng một khoảng 2 cm theo chiều dương rồi thả không vận tốc đầu. Tính

a) độ giảm biên độ sau mỗi ½ chu kỳ dao động.

b) số dao động vật thực hiện cho tới khi dừng lại.

c) thời gian từ lúc vật bắt đầu dao động cho đến khi dừng lại.

d) quãng đường từ lúc vật bắt đầu dao động cho tới khi dừng lại.

Ví dụ 4: Một con lắc lò xo dao động tắt dần trên mặt phẳng nằm ngang có đồ thị (x-t) như hình

Biết rằng lò xo có độ cứng 50 (N/m). Lấy g = 10 m/s².

a) Xác định khối lượng của vật.

b) Xác định độ giảm biên độ của vật trong ½ chu kỳ dao động.

c) Xác định hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang.

II. Luyện tập

1. Luyện tập trắc nghiệm _ 4 đáp án lựa chọn 1 . ( 20 /40 câu trắc nghiệm )

2. Trắc nghiệm Đúng - Sai

3. Trắc nghiệm Viết kết quả

4. Luyện đề