Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 24
Đề bài: 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:
Khi xích đu dao động, do lực ma sát ở chỗ treo và lực cản của không khí, một phần cơ năng của xích đu bị tiêu hao chuyển thành nhiệt năng → biên độ dao động giảm dần theo thời gian.
Để duy trì dao động (giữ biên độ không đổi), người mẹ phải thỉnh thoảng đẩy nhẹ vào ghế để bù lại phần năng lượng đã bị tiêu hao.
I. Dao động tắt dần
Câu hỏi trang 24
Đề bài: 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 ghế xích đu.
Lời giải:
Khi không có người đẩy, xích đu chịu tác dụng của:
- Lực ma sát ở chỗ dây treo tiếp xúc với khung xích đu.
- Lực cản của không khí lên ghế xích đu và người ngồi trên.
Hai lực này làm tiêu hao cơ năng của xích đu, chuyển hoá dần thành nhiệt năng → biên độ dao động giảm dần → dao động tắt dần và cuối cùng dừng lại.
Hoạt động trang 24
Đề bài: 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:
Quan sát đồ thị Hình 6.1a, ta nhận xét:
- Biên độ dao động của con lắc giảm dần theo thời gian (do ma sát ở chỗ treo, lực cản của không khí và lực ma sát giữa bút dạ với tấm nhựa làm tiêu hao cơ năng).
- Chu kì (hay tần số) dao động gần như không đổi.
Câu hỏi trang 25
Đề bài: 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:
Một số ví dụ về dao động tắt dần:
- Bộ phận giảm xóc của xe máy, ô tô: dao động của khung xe khi qua chỗ xóc tắt dần nhanh → có lợi (giúp người ngồi trên xe đỡ khó chịu).
- Cánh cửa có gắn lò xo + bộ giảm chấn: dao động đóng/mở cửa tắt dần → có lợi (cửa khép từ từ, không đập mạnh).
- Con lắc đồng hồ: dao động tắt dần do ma sát → có hại (nếu không có cơ cấu bổ sung năng lượng từ dây cót/pin thì đồng hồ sẽ ngừng chạy).
- Dao động của võng: nếu không có người đu thêm, võng sẽ dừng lại → có hại trong trường hợp muốn duy trì dao động.
II. Dao động cưỡng bức
Câu hỏi trang 25 (cuối trang)
Đề bài: Tìm thêm ví dụ về dao động cưỡng bức.
Lời giải:
Một số ví dụ về dao động cưỡng bức:
- Dao động của màng loa khi loa phát ra âm thanh (dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều biến thiên).
- Dao động của khung xe ô tô khi xe nổ máy (lực cưỡng bức từ pit-tông động cơ).
- Dao động của chiếc cầu dưới tác dụng của đoàn người đi đều bước.
- Dao động của thân tàu thuyền khi sóng biển vỗ vào.
- Dao động của cánh tay người chơi đàn khi gảy/đánh đàn theo nhịp.
III. Hiện tượng cộng hưởng
Hoạt động trang 26
Đề bài: Bố trí thí nghiệm như Hình 6.3 (con lắc điều khiển Đ và ba con lắc thử 1, 2, 3 cùng treo trên một thanh cứng). Hãy dự đoán xem, 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.
Lời giải:
Dự đoán:
- Khi con lắc Đ dao động, dao động của nó sẽ truyền qua thanh cứng làm các con lắc 1, 2, 3 đều dao động (đây là dao động cưỡng bức).
- Tần số của lực cưỡng bức đặt lên các con lắc 1, 2, 3 bằng tần số dao động của con lắc Đ.
- Con lắc nào có chiều dài bằng con lắc Đ thì có tần số riêng bằng tần số cưỡng bức → con lắc đó sẽ dao động mạnh nhất (xảy ra hiện tượng cộng hưởng).
Kết quả thí nghiệm: Phù hợp với dự đoán — con lắc nào có chiều dài bằng con lắc điều khiển Đ sẽ dao động mạnh nhất.
Câu hỏi trang 27
Đề bài:
- Hãy đánh giá sự có lợi hay có hại của cộng hưởng trong các ví dụ nêu trên.
- 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.
- 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 giữa các thanh 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 thanh ray là 12,5 m. Lấy g = 9,8 m/s².
Lời giải:
Câu 1. Đánh giá các ví dụ về cộng hưởng:
- Hộp đàn ghita, violon: cộng hưởng giúp khuếch đại âm thanh của dây đàn → có lợi.
- Lò vi sóng: cộng hưởng giữa sóng vi ba với phân tử nước trong thực phẩm giúp làm nóng thức ăn → có lợi.
- Cầu Fontanka (Nga) và cầu Tacoma (Mỹ): cộng hưởng giữa bước đi đều của đoàn quân (hoặc gió) với tần số riêng của cầu làm cầu rung mạnh và sập → có hại.
Câu 2.
Gọi biên độ ban đầu là A, sau một chu kì biên độ là A’:
$$A’ = A – 3\% \cdot A = 0{,}97 A$$
Cơ năng dao động tỉ lệ với bình phương biên độ ($W = \dfrac{1}{2}m\omega^2 A^2$). Gọi cơ năng ban đầu là W, sau một chu kì là W’:
$$\dfrac{W’}{W} = \left(\dfrac{A’}{A}\right)^2 = (0{,}97)^2 = 0{,}9409$$
Phần năng lượng bị mất trong một chu kì:
$$\dfrac{\Delta W}{W} = \dfrac{W – W’}{W} = 1 – 0{,}9409 = 0{,}0591 \approx 5{,}91\%$$
→ Sau mỗi chu kì, con lắc mất khoảng 5,91% cơ năng ban đầu.
Câu 3.
Cho biết: $l = 44$ cm $= 0{,}44$ m; $l_{ray} = 12{,}5$ m; $g = 9{,}8$ m/s².
Bước 1: Điều kiện để biên độ dao động lớn nhất.
Biên độ dao động của con lắc lớn nhất khi xảy ra cộng hưởng, tức là tần số kích động (do bánh xe gặp chỗ nối thanh ray) bằng tần số riêng của con lắc. Khi đó:
$$T_{kích,động} = T_{riêng}$$
Bước 2: Tính chu kì riêng của con lắc.
$$T = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}} = 2\pi\sqrt{\dfrac{0{,}44}{9{,}8}} \approx 1{,}33 ; \text{s}$$
Bước 3: Liên hệ chu kì kích động với tốc độ tàu.
Mỗi khi bánh xe đi qua một thanh ray (dài $l_{ray}$), con lắc bị kích động một lần. Vậy chu kì kích động bằng thời gian tàu đi qua một thanh ray:
$$T_{kích,động} = \dfrac{l_{ray}}{v}$$
Bước 4: Tính tốc độ tàu khi cộng hưởng.
Cho $T_{kích,động} = T$:
$$\dfrac{l_{ray}}{v} = T \Rightarrow v = \dfrac{l_{ray}}{T} = \dfrac{12{,}5}{1{,}33} \approx 9{,}4 ; \text{m/s}$$
Đổi sang km/h: $v \approx 9{,}4 \cdot 3{,}6 \approx 33{,}8$ km/h.
→ Khi tàu chạy với tốc độ khoảng 9,4 m/s (≈ 33,8 km/h) thì biên độ dao động của con lắc lớn nhất.
Em có thể
Lấy được ví dụ thực tế về dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng
Lời giải:
Dao động tắt dần:
- Con lắc đồng hồ khi hết dây cót/pin.
- Xích đu khi không có người đẩy thêm.
- Bộ phận giảm xóc của xe máy, ô tô.
Dao động cưỡng bức:
- Dao động của khung xe khi xe nổ máy.
- Dao động của màng loa khi loa phát âm thanh.
- Dao động của thân tàu khi sóng biển vỗ vào.
Hiện tượng cộng hưởng:
- Hộp đàn ghita, violon khuếch đại âm thanh dây đàn.
- Lò vi sóng làm nóng thức ăn.
- Cầu rung lắc mạnh khi đoàn quân đi đều bước.
Nhận biết được sự có lợi hay có hại của cộng hưởng và vận dụng nó vào cuộc sống
Lời giải:
Cộng hưởng có lợi:
- Nhạc cụ: hộp cộng hưởng được thiết kế để khuếch đại âm thanh phong phú.
- Lò vi sóng: dùng tần số vi sóng phù hợp với tần số riêng của phân tử nước để làm nóng thức ăn nhanh.
- Mạch dao động trong radio: dùng cộng hưởng để chọn đúng đài phát mong muốn.
Cộng hưởng có hại:
- Cầu, nhà cao tầng, bệ máy: có thể bị cộng hưởng do gió, động đất hoặc lực kích thích từ máy móc → gây rung lắc mạnh, có thể đổ sập.
Vận dụng vào cuộc sống:
- Khi đoàn quân đi qua cầu, phải đi loạn nhịp (không đi đều) để tránh cộng hưởng làm cầu sập.
- Khi thiết kế cầu, nhà cao tầng, bệ máy phải tránh để tần số riêng trùng với các nguồn lực kích thích thường gặp (gió, sóng biển, động cơ máy…).
- Tận dụng cộng hưởng trong chế tạo nhạc cụ, lò vi sóng, máy thu sóng vô tuyến.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn