Slide bài giảng Vật lí 11 chân trời bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Tóm lược nội dung

BÀI 4. DAO ĐỘNG TẮT DẦN VÀ HIỆN TƯỞNG CỘNG HƯỞNG

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

Thảo luận 1 trang 26 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 4.2 và mô tả chuyển động của xích đu, ván nhảy cầu sau khi ngừng tác dụng lực.

Đáp án rút gọn:

Khi ngừng tác dụng lực, xích đu và ván nhảy vẫn sẽ chuyển động nữa nhưng với biên độ nhỏ dần rồi từ từ dừng lại.

Thảo luận 2 trang 26 sgk vật lý 11 ctst

Nêu một số ví dụ thực tế khác về hiện tượng dao động tắt dần.

Đáp án rút gọn:

Ví dụ: dao động con lắc đồng hồ, dao động bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,…

Luyện tập trang 27 sgk vật lý 11 ctst

Bố trí sơ đồ thí nghiệm như Hình 4.4. Kéo vật nặng của con lắc lò xo khỏi vị trí cân bằng theo phương thẳng đứng một đoạn xác định và thả nhẹ để vật dao động không vận tốc ban đầu. Dự đoán và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng (nếu có điều kiện) về dao động của con lắc trong các trường hợp vật nặng thực hiện dao động trong: 

a) Không khí 

b) Chất lỏng (nước/dầu)

c) Chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản

Đáp án rút gọn:

a) Không khí: vật chuyển động nhanh với biên độ lớn và dừng lâu hơn hai trường hợp còn lại

b) Chất lỏng (nước/dầu): vật chuyển động chậm với biên độ nhỏ và dừng nhanh hơn so với không khí

c) Chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản: vật chuyển động với biên độ giới hạn  từ vị trí cân bằng đến vị trí gắn vật cản và sẽ dừng lại nhanh nhất

Vận dụng trang 28 sgk vật lý 11 ctst

Đưa ra một số ví dụ về tác hại và lợi ích của dao động tắt dần. Từ đó tìm hiểu và sưu tầm hình ảnh về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong cuộc sống.

Đáp án rút gọn: 

Sự tắt dần có hại thì phải chống lại sự tắt dần bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động. Ví dụ: con lắc đồng hồ...

Sự tắt dần có lợi thì phải tăng cường ma sát để dao động tắt dần nhanh. Ví dụ: bộ giảm xóc của ôtô, xe máy…

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Thảo luận 3 trang 28 sgk vật lý 11 ctst

Trên thực tế, sau khi được kích thích để dao động, xích đu (Hình 4.2a) hoặc võng sẽ dao động tắt dần. Làm cách nào để chúng có thể dao động với biên độ không đổi?

Đáp án rút gọn:

Để bù năng lượng tiêu hao do lực cản môi trường, ta có thể bổ sung năng lượng bằng hai cách: truyền năng lượng đúng phần tiêu hao ở cuối mỗi chu kỳ dao động bằng lực cùng chiều, hoặc sử dụng ngoại lực biến thiên điều hòa theo thời gian.

Luyện tập 1 trang 29 sgk vật lý 11 ctst

Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.

Đáp án rút gọn:

Ví dụ: Kéo một con lắc lò xo rồi thả ra. Con lắc lò xo sẽ dao động tắt dần, tác dụng một lực lên con lắc. Khi đó dao động này gọi là dao động cưỡng bức, 

Luyện tập 2 trang 30 sgk vật lý 11 ctst

Bố trí thí nghiệm hệ con lắc Barton như Hình 4.10. Mô hình gồm nhiều con lắc đơn có chiều dài dây treo khác nhau được gắn trên cùng một dây treo đàn hồi. Khi con lắc số 1 được kích thích để dao động, những con lắc còn lại (từ số 2 đến 7) sẽ bắt đầu dao động. Giải thích vì sao chúng dao động và dự đoán về biên độ dao động của chúng. Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng.

Đáp án rút gọn:

Các con lắc khác cũng dao động do hiện tượng cộng hưởng, mỗi con lắc dao động với tần số riêng. Con lắc có chu kỳ gần nhất với chu kỳ của con lắc số 1 sẽ dao động mạnh nhất. Trong trường hợp này, con lắc số 4 có biên độ lớn nhất vì nó có chiều dài gần nhất với chiều dài của con lắc số 1.

Thảo luận 4 trang 30 sgk vật lý 11 ctst

Trình bày một số lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng trong thực tế mà em biết.

Đáp án rút gọn:

Hiện tượng cộng hưởng tạo ra âm thanh đa dạng trong nhạc cụ như ghita, violon. Tuy nhiên, nếu không kiểm soát, nó có thể gây hỏng hóc cho cấu trúc kỹ thuật như cây cầu, bệ máy, và khung xe nếu tần số ngoại lực gần bằng với tần số dao động riêng của chúng.

Luyện tập 3 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Tìm hiểu và trình bày hoạt động của bộ giảm chấn khối lượng, là một con lắc được treo trên toà nhà Taipei 101 tại thành phố Đài Bắc, Đài Loan (Hình 4.1).

Đáp án rút gọn:

Bộ giảm chấn khối lượng là một con lắc thép nặng 660 tấn (tương đương 728 tấn Mỹ), treo từ tầng 92 xuống tầng 87 của một tòa nhà để bù chuyển động do gió mạnh gây ra. Nó bao gồm một khối cầu thép lớn nhất thế giới, được hàn từ 41 tấm thép tròn có đường kính khác nhau, có đường kính 5,5 m. Hai thiết bị giảm chấn khối lượng khác cũng được sử dụng để giảm tổn thất cho cấu trúc. Trong một cơn gió mạnh từ Bão Soudelor vào ngày 8 tháng 8 năm 2015, bộ giảm chấn chính di chuyển lớn nhất từng được ghi nhận, lên đến 100 centimet.

Vận dụng trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn phương án kĩ thuật để hạn chế thiệt hại cho các toà nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng, tại những nơi thường xảy ra động đất như Nhật Bản.

Đáp án rút gọn:

  Nhật Bản áp dụng nhiều công nghệ chống động đất độc đáo, trong đó có việc sử dụng con lắc thép khổng lồ trên đỉnh tòa nhà cao tầng. Hệ thống này giúp giảm chấn động lên đến 60% và rút ngắn thời gian chịu tác động từ dư chấn của tòa nhà. Một công trình khác là sử dụng thiết bị cách ly động đất dạng "con nhún" dưới móng của tòa nhà để giảm chấn động đất. Ngoài ra, công nghệ piston được áp dụng để hấp thụ lực tác động và giảm thiểu chuyển động rung lắc giữa các tầng lầu của các tòa nhà tháp. Trên thế giới, công nghệ van điều tiết khối lượng (TMD) cũng được sử dụng, với việc gắn một quả cầu thép nặng vào tòa nhà để chống lại chuyển động của nó.

Bài tập 1 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Cho ví dụ về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn.

Đáp án rút gọn:

Các thiết bị đóng cửa tự động hay giảm xóc ô tô, xe máy... là những ứng dụng của dao động tắt dần.

Bài tập 2 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Hãy chỉ ra hai trường hợp cộng hưởng có lợi và hại trường hợp cộng hưởng có hại. Trong từng trường hợp hãy chỉ rõ hệ dao động và nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng.

Đáp án rút gọn:

  Cộng hưởng được sử dụng trong nhiều ứng dụng có ích như máy thu sóng, máy chụp cộng hưởng từ trong y học và dẫn điện không dây. Tuy nhiên, nó cũng có thể gây ra các vấn đề như dao động không mong muốn trong thiết kế máy móc và công trình xây dựng.

Bài tập 3 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Máy đo địa chấn được sử dụng để phát hiện và đo đạc những rung động địa chấn được tạo ra bởi sự dịch chuyển của lớp vỏ Trái Đất. Năng lượng từ các cơn địa chấn có khả năng kích thích con lắc lò xo bên trong máy đo làm đầu bút di chuyển để vẽ lên giấy (Hình 4P1).

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là loại dao động gì? Giải thích.

b) Tần số của những cơn địa chấn thường nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz. Để kết quả ghi nhận là tốt nhất, hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế để có tần số dao động riêng trong khoảng nào?

Đáp án rút gọn:

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là đạo động cưỡng bức. Con lắc lò xo trong máy đo địa chấn dao động do lực cưỡng bức từ sóng động đất, làm mặt đất rung chuyển và tạo ra lực này.

 b) Để ghi nhận tín hiệu hiệu quả, hệ con lắc cần được thiết kế sao cho tần số dao động riêng nằm trong khoảng 30 Hz - 40 Hz, giúp tăng biên độ và dễ dàng xử lý tín hiệu.