Tự luận trang 16, 17, 18, 19 SBT Vật lý 11 - Chân trời sáng tạo: Hãy nêu hai ví dụ cho mỗi hiện tượng: dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và cộng hưởng trong đời sống...

4.1

Đề bài:

Hãy nêu hai ví dụ cho mỗi hiện tượng: dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và cộng hưởng trong đời sống.

Phương pháp giải

Vận dụng kiến thức đời sống

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 tòa nhà có chiều cao xác định bị tàn phá mạnh nhất trong động đất.

4.2

Đề bài:

Hãy giải thích nguyên nhân gây ra dao động tắt dần

Phương pháp giải

Sử dụng lý thuyết dao động tắt dần

Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chuyển động của vật. Nguyên nhân gây ra dao động tắt dần của con lắc đơn trong không khí là do lực cản của môi trường. Do đó, lực cản tác dụng làm cho cơ năng giảm. Từ đó, biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian

4.3

Đề bài:

Hãy phân biệt dao động tắt dần và dao động cưỡng bức.

Phương pháp giải

Sử dụng lý thuyết về dao động cưỡng bức và dao động tắt dần

4.4

Đề bài:

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 thành phòng to hơn phòng thông thường.

c) Cầu vồng sau mưa.

Phương pháp giải

Vận dụng kiến thức đời sống

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.

4.5

Đề bài:

Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ gắn vào một lò xo, viên bị có thể dao động điều hoà với tần số góc riêng 20 rad/s. Con lắc dao động cưỡng bức theo phương trình với trục của lò xo dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn F=F₀cos(Ωt). Khi thay đổi 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 bị theo tần số góc của ngoại lực tuần hoàn các điểm tương ứng với giá trị A₁ và A₂.

Phương pháp giải

Vận dụng lý thuyết về dao động cưỡng bức

a) Vì Ω₁<Ω₂ A₁<A₂

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

4.6

Đề bài:

Cho một dao động tắt dần, nếu xem gần đúng dao động tắt dẫn 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?

Phương pháp giải

Sử dụng công thức tính độ giảm cơ năng suy ra độ giảm biên độ

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′=0,76W. Do đó, biên độ của dao động sau một chu kì là \({A_1} = \sqrt {0,76} {A_0}\)

Vậy sau n chu kì, biên độ dao động là \({A_n} = {\left( {\sqrt {0,76} } \right)^n}{A_0}\)

Khi \({A_n} = \frac{1}{2}{A_0}\), ta thu được n = 5. Vậy sau khoảng 5 chu kì, biên độ còn giảm một nửa

4.7

Đề bài:

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 . Ngoại lực do đĩa tác dụng lên lò xo có dạng F = F0 sin(ω t ). Khi đó, vật sẽ dao động điều hoà với biên độ được chứng minh bằng lý thuyết là \(A = \frac{{{F_0}}}{{\sqrt {{m^2}({\omega ^2} - \omega _0^2) + {b^2}{\omega ^2}} }}\) 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 F₀ =10N, khi thay đổi tần số góc, tại giá trị ω = 100π rad/s, người là ghi nhận được con lắc dao động với biên độ lớn nhất A_max = 5 cm. Hay tỉnh hệ số ma sát nhớt của chất lỏng.

Phương pháp giải

Áp dụng công thức tính A đề bài cho

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

Khi xảy ra cộng hưởng thì ω=ω₀

Với = 100 rad/s, con lắc dao động với biên độ cực đại

\(A = {A_{\max }} = \frac{{{F_0}}}{{b\omega }} \Rightarrow b = \frac{{{F_0}}}{{{A_{\max }}\omega }} = \frac{{10}}{{100\pi .0,05}} = 0,64kg\)

4.8

Đề bài:

Trong một cửa hàng, cửa ra vào được thiết kế đóng tự động nhỏ 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 lý hoạt động của cửa đóng tự động này.

Phương pháp giải

Vận dụng kiến thức về dao động tắt dần

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.