BÀI 1. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

KHỞI ĐỘNG 

Câu hỏi: Hằng ngày, chúng ta thấy rất nhiều chuyển động, trong đó, có những vật chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng. Chuyển động của người chơi đu là một ví dụ như vậy (Hình 1.1). Những chuyển động đó được gọi là dao động. Mô tả dao động như thế nào?

Đáp án chuẩn:

Chuyển động qua lại vị trí cân bằng. Khi người chơi đạt đến điểm thấp nhất trong dao động, tốc độ sẽ lớn nhất và năng lượng cơ giác sẽ được chuyển đổi thành năng lượng động học.

I. DAO ĐỘNG

1. Thí nghiệm tạo dao động

Câu hỏi 1: Dùng một lò xo, một quả cầu nhỏ bằng kim loại, sợi dây và giá thí nghiệm, thảo luận với bạn xây dựng phương án và thực hiện phương án tạo ra dao động của quả cầu treo ở một đầu lò xo.

Đáp án chuẩn:

Bước 1: Sử dụng sợi dây để gắn chặt quả cầu vào

Bước 2: Treo lò xo và quả cầu lên giá thí nghiệm

Bước 3: Kéo quả cầu lên và thả nó

Bước 4: Quan sát và đo chu kỳ dao động

Câu hỏi 2: Nêu ví dụ về dao động mà bạn quan sát được trong thực tế.

Đáp án chuẩn:

- Quả lắc đồng hồ

- Dao động tay khi đánh bóng, đánh cầu

- Dao động của dây đàn 

2. Dao dộng tự do

 Câu hỏi 3: Với một cái thước mỏng đàn hồi, hãy đề xuất phương án tạo ra dao động tự do của thước và mô tả cách làm.

Đáp án chuẩn:

Khi móc vật nặng lên đầu thước, vật không quá nặng, và không quá nhẹ. Khi thả thước và vật nặng, thước không bị gập hoặc chạm vào bất kỳ vật nào khác, để đảm bảo dao động tự do của thước. 

Luyện tập 1: Nếu bỏ qua lực cản, chuyển động nào sau đây là dao động tự do?

A. Một con muỗi đang đập cánh.

B. Tòa nhà rung chuyển trong trận động đất.

C. Mặt trống rung động sau khi gỗ.

D. Bông hoa rung rinh trong gió nhẹ.

Đáp án chuẩn:

C. 

3. Biên độ, chu kì, tần số của dao 

Câu hỏi 4: Từ đồ thị Hình 1.7, mô tả sự thay đổi li độ của xe theo thời gian.

Đáp án chuẩn:

Vật bắt đầu chuyển động tại vị trí có li độ lớn nhất, sau đó li độ giảm dần đến 0 rồi đến li độ nhỏ nhất. Sự thay đổi diễn ra tuần hoàn, theo chu kì.

Câu hỏi 5: Tìm mối liên hệ giữa chu kì T và tần số f của dao động.

Đáp án chuẩn:

Luyện tập 2: Xác định biên độ, chu kì và tần số của dao động có đồ thị li độ – thời gian được biểu diễn ở Hình 1.9.

Đáp án chuẩn:

A = 10 cm ; T = 120 s; (Hz)

Vận dụng: Tim co bóp theo nhịp do được điều khiển bằng một hệ thống các xung điện dẫn truyền trong cơ tim. Máy điện tim ghi nhận những xung điện này và hiển thị dưới dạng đường điện tâm đồ. Đó là những đường gấp khúc, lên xuống biến thiên theo nhịp co bóp của tim.

Dựa vào hình ảnh điện tâm đồ ở Hình 1.10, xác định chu kì đập của tim. Biết rằng mỗi khoảng vuông (theo chiều ngang) tương ứng với khoảng thời gian 0,12 s.

Đáp án chuẩn:

T = 0,9 s

II. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 

1. Định nghĩa 

Câu hỏi 6: Thế nào là dao động điều hoà?

Đáp án chuẩn:

Dao động điều hoà là dao động trong đó li độ của vật là một hàm côsin (hoặc sin) của thời gian.

2. Tần số góc

Câu hỏi 7: Tần số góc và tần số của dao động điều hoà có liên hệ như thế nào?

Đáp án chuẩn:

3. Vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa 

Câu hỏi 8: Dựa vào đồ thị Hình 1.12, xác định các đại lượng sau:
a) Tần số góc của dao động.

b) Biên độ của dao động.

c) Vận tốc cực đại của vật dao động.

d) Gia tốc cực đại của vật dao động.

Đáp án chuẩn:

a)

b) A = 2 cm

c) v_max = 0,3 m/s

d) a_max = 5 m/s2

4. Pha của dao động và độ lệch pha 

Câu hỏi 9: Xác định pha của dao động tại vị trí 3 và vị trí 4

Đáp án chuẩn:

Vị trí 4 là (rad)

Vị trí 3 là (rad)

Luyện tập 3: Một vật dao động điều hòa với phương trình li độ:

. Xác định pha của dao động tại thời điểm 1/30 s.

Đáp án chuẩn:

rad

Luyện tập 4: Mô tả trạng thái của hai vật dao động ở thời điểm t₃ và t₄ trong  thị Hình 1.14.

Đáp án chuẩn:

t3: vị trí cân bằng và di chuyển theo chiều dương 

t4: vị trí biên âm. 

Luyện tập 5: Đồ thị Hình 1.18 biểu diễn hai dao động ngược pha. Dựa vào đồ thị, xác định độ lệch pha của hai dao động này.

Đáp án chuẩn:

 Δφ =π

Câu hỏi khám phá: 

Dụng cụ

Quả cầu kim loại nhỏ, sợi dây mảnh nhẹ, giá thí nghiệm.

Tiến hành

+ Treo quả cầu vào giá thí nghiệm.

+ Khi quả cầu đứng yên tại vị trí cân bằng, dây treo có phương thẳng đứng, kéo quả cầu khỏi vị trí cân bằng một đoạn nhỏ rồi buông tay cho quả cầu chuyển động (Hình 1.2).

+ Mô tả chuyển động của quả cầu.

Đáp án chuẩn:

Quả cầu sẽ chuyển động từ A về B và chuyển động sang phía đối diện C. Sau đó từ C chuyển động về B và trở về biên A. Cứ như thế, chuyển động sẽ lặp đi lặp lại nhiều lần. 

Tìm hiểu thêm: Dựa vào độ dốc của đồ thị li độ - thời gian, ta có thể xác định vận tốc của xe kĩ thuật số tại mỗi thời điểm. Từ các số liệu này, có thể vẽ được đồ thị hình sin biểu diễn sự liên hệ giữa vận tốc và thời gian (Hình 1.12b). Ví dụ, trong Hình 1.12a, tại t = 0, độ dốc của đồ thị li độ – thời gian bằng 0, vận tốc bằng 0. Khi t tăng từ 0 s đến 0,2 s, độ dốc âm, vận tốc có giá trị âm. Tại t = 0,2 s, độ dốc bằng 0 một lần nữa. Từ t = 0,2 s đến t = 0,4 s, độ dốc dương, vận tốc có giá trị dương. Độ dốc của đồ thị li độ – thời gian có độ lớn cực đại tại các thời điểm t = 0,1 s; 0,3 s; 0,5 s... Bằng cách tương tự, dựa vào độ dốc của đồ thị vận tốc – thời gian ở Hình 1.12b, ta có thể tìm được gia tốc của xe tại mỗi thời điểm và vẽ được đồ thị hình sin như Hình 1.12c.

Dựa vào các đồ thị ở Hình 1.12, tìm:

Các thời điểm gia tốc của xe bằng 0.

Các thời điểm gia tốc của xe cực đại.

Giải thích cách làm.

Đáp án chuẩn:

- a = 0 tại t = 0,1 s; 0,3 s; 0,5 s vì độ dốc tại các thời điểm đó bằng 0.

- a = max tại t = 0,2 s; 0,4 s; 0,6 s vì độ dốc tại các thời điểm đó lớn nhất.