Giải Vật lí 11 Bài 4 (Cánh diều): Dao động tắt dần - Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

Giải Vật lí 11 Bài 4: Dao động tắt dần - Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

Giải Vật lí 11trang 28

Mở đầu trang 28 Vật Lí 11:Toà nhà Đài Bắc 101 (Taipei 101) cao 509 m xác lập kỉ lục là toà nhà cao nhất thế giới vào năm 2004 và duy trì vị thế này cho đến năm 2010 khi toà nhà Buji Kalifa (Bu-zi Ca-li-fa) ở Dubai (Đu-bai) được khánh thành. Để bảo vệ toà nhà khỏi rung lắc mạnh dưới tác dụng của gió, bão hay động đất, một quả cầu giảm chấn khổng lồ đường kính 5,5 m, khối lượng 662 tấn được treo lơ lửng từ tầng 92 xuống tầng 87 của toà nhà. Khối cầu này giúp giảm rung lắc của toà nhà bằng cách nào?

Lời giải:

Khi có tác động ngoại lực (gió, bão, động đất…) lên toà nhà thì cả toà nhà sẽ bị dao động theo (rung lắc), nhờ có con lắc giảm chấn này mà nó sẽ triệt tiêu được đáng kể ngoại lực tác dụng. Hay cụ thể là con lắc giảm chấn có vai trò hạn chế dao động của toà nhà bằng cách làm cho dao động này tắt dần nhanh chóng.

Nguyên tắc là làm thay đổi tần số dao động của toà nhà để nó không có tần số dao động bằng tần số dao động riêng của hệ.

I. Dao động tắt dần

Giải Vật Lí 11 trang 29

Câu hỏi 1 trang 29 Vật Lí 11:Giải thích tại sao, trong môi trường có lực cản, dao động của các vật lại tắt dần.

Lời giải:

Trong môi trường có lực cản, sẽ sinh ra ma sát từ đó phát sinh năng lượng hao phí dẫn đến năng lượng ban đầu của dao động chuyển hoá dần thành các dạng năng lượng khác (nhiệt, âm thanh,…). Từ đó biên độ dao động giảm dần và tắt hẳn dẫn đến dao động của các vật sẽ tắt dần theo thời gian.

Câu hỏi 2 trang 29 Vật Lí 11:Vì sao nếu chỉ đẩy một lần, xích đu sẽ dao động một vài chu kì rồi dừng lại?

Lời giải:

Vì trong quá trình dao động, xích đu chịu tác dụng của ngoại lực tác dụng (lực cản không khí, lực ma sát, …) dẫn đến năng lượng bị chuyển hoá thành năng lượng hao phí, biên độ giảm dần và cuối cùng xích đu sẽ dừng lại sau một vài chu kì.

Luyện tập 1 trang 29 Vật Lí 11:Lấy ví dụ về dao động tắt dần trong thực tế.

Lời giải:

Ví dụ về dao động tắt dần:

- Bộ phận đóng khép cửa tự động

- Dao động của xe máy khi qua đoạn đường bị xóc (bộ phận giảm xóc của xe máy)

…

II. Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

Giải Vật Lí 11 trang 30

Câu hỏi 3 trang 30 Vật Lí 11:Lấy ví dụ các hệ dao động cưỡng bức trong thực tế.

Lời giải:

Ví dụ: Trong trò chơi xích đu bạn nam tác dụng lực vào bạn nữ để xích đu chuyển động. Xích đu sẽ dao động tắt dần, bạn nam tiếp tục tác dụng một lực lên xích đu, làm cho xích đu dao động theo tần số của lực do tay tạo nên. Lúc này dao động của xích đu được gọi là dao động cưỡng bức.

Câu hỏi 4 trang 30 Vật Lí 11:Tìm tần số dao động riêng của con lắc lò xo trong Hình 2.4.

Tần số này phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Lời giải:

Dựa vào dữ kiện ở nội dung Mục III – Bài 2 – Trang 20 ta nhận được kết quả về chu kì của con lắc đơn trong hình trên khi chịu ngoại lực tác dụng là T = 0,2 s.

Tần số dao động riêng: $f=\frac{1}{T}=\frac{1}{\mathrm{0,2}}=5Hz$

Tần số này phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng vào vật.

Câu hỏi 5 trang 30 Vật Lí 11:Dựa vào đồ thị Hình 4.4, mô tả sự thay đổi của biên độ dao động cưỡng bức theo tần số của ngoại lực tuần hoàn.

Lời giải:

Biên độ của dao động cững bức tăng dần khi tần số tăng dần đến giá trị f₀.

Biên độ đạt cực đại tại giá trị f₀ và sau đó giảm dần khi tần số lớn hơn f₀.

Giải Vật Lí 11 trang 31

Lời giải:

Sử dụng thanh sợi CABKOMA là phương pháp gia cố nhằm hạn chế tác động của động đất tới các công trình được xây dựng từ trước. Sử dụng CABKOMA giúp chống rung lắc các tầng trên, hấp thụ các lực ngang bằng cách truyền lực này xuống đất. Trên thực tế, bề ngoài của tòa nhà đã được bọc kín bởi hơn 4000 thanh sợi CABKOMA, trông giống như một lớp vải bọc bên ngoài. Kết quả tạo ra môt mặt tiền thoáng mát, có tính thẩm mỹ cao trong khi vẫn cung cấp khả năng gia cố, bảo vệ tòa nhà an toàn khi có động đất xảy ra.

Vận dụng trang 31 Vật Lí 11:

- Tìm ví dụ về hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong cuộc sống.

- Đánh giá sự có lợi hay có hại của hiện tượng cộng hưởng trong trường hợp đó.

Lời giải:

- Ví dụ: Gảy đàn ghi ta.

Hộp cộng hưởng có vai trò giúp cho không khí trong hộp có thể dao động cộng hưởng với những tần số dao động khác nhau của dây đàn. Trường hợp cộng hưởng này có lợi.

- Ví dụ: Chiếc cầu bị rung lắc do hiện tượng cộng hưởng

- Ví dụ: Chiếc li thuỷ tinh đặt gần một chiếc loa công suất lớn, li thuỷ tinh bị vỡ khi loa phát ra âm thanh tương đối lớn.

Lý thuyết Dao động tắt dần - Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

I. Dao động tắt dần

- Trong môi trường không có lực cản, cơ năng của vật dao động được bảo toàn và dao động của nó được duy trì mãi mãi

- Trong thực tế, dao động của các vật sẽ giảm dần biên độ.

- Trong trường hợp lực cản nhỏ, biên độ của dao động giảm dần theo quy luật như hình

- Dao động như trên là dao động tắt dần. Sau mỗi chu kì, biên độ của dao động giảm dần

II. Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

1. Dao động cưỡng bức

- Để dao động không tắt dần, người ta thường tác dụng vào nó một ngoại lực cưỡng bức biến thiên tuần hoàn. Khi đó dao động của vật được gọi là dao động cưỡng bức

- Vật dao động với tần số bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức

2. Hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng f₀ của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng

- Điều kiến f=f₀ là điều kiện cộng hưởng

3. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng cộng hưởng có lợi: hộp cộng hưởng của các nhạc cụ như đàn ghita, violon,… có vai trò giúp cho không khí trong hộp có thể dao động cộng hưởng với những tần số dao động khác nhau của dây đàn

- Hiện tượng cộng hưởng có hại: những hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe,… đều có tần số riêng. Không để cho các hệ ấy chịu tác dụng của các lực cưỡng bức mạnh có tần số bằng tần số riêng của hệ nếu không nó làm cho các hệ ấy dao động mạnh, dẫn đến đổ hoặc gãy

Sơ đồ tư duy về “Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng”