Dao động Tắt Dần, Dao động Cưỡng Bức là gì? Sự Cộng hưởng Dao động và bài tập - Vật lý 12 bài 4

Vậy dao động tắt dần, dao động cưỡng bức là gì? được ứng dụng gì trong thực tế và điều kiện nào thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng dao động, chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết này và vận dụng giải một số bài tập cơ bản để hiếu rõ hơn nội dung lý thuyết.

I. Dao động tắt dần là gì?

1. Định nghĩa dao động tắt dần

- Trong thực tế, khi kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng rồi thả cho nó dao động, ta thấy biên độ dao động giảm gọi là dao động tắt dần.

2. Giải thích hiện tượng dao động tắt dần

- Tại sao dao động lại tắt dần? Bởi khi con lắc dao động, nó chịu lực cản của không khí. Lực cản này cũng là một loại lực ma sát làm tiêu hao cơ năng của con lắc, chuyển hóa cơ năng dần dần thành nhiệt năng. Vì thế, biên độ dao động của con lắc giảm dần và cuối cùng con lắc dừng lại.

3. Ứng dụng của dao động tắt dần

- Trong thực tế dao động tắt dần được ứng dụng sản xuất các thiết bị như cửa đóng tự động, giảm xóc xe máy, ô tô,... đây là những dao động tắt dần có lợi.

- Nếu sự tắt dần là có hại thì ta phải chống lại sự tắt dần bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động như dao động tắt dần của Con lắc đồng hồ,...

II. Dao động duy trì

- Muốn giữ cho biên độ dao động của con lắc không đổi mà không làm thay đổi chu kì dao động riêng của nó, người ta dùng một thiết bị cung cấp cho nó một phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng tiêu hao do ma sát sau mỗi chu kì, Dao động này gọi là dao động duy trì.

- Dao động của con lắc đồng hồ là dao động duy trì.

III. Dao động cưỡng bức

1. Định nghĩa dao động cưỡng bức

- Cách đơn giản nhất làm cho một hệ dao động không tắt là tác dụng vào nó một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn. Lực này cung cấp năng lượng cho hệ để bù lại phần năng lượng mất mát do ma sát. Dao động của hệ gọi là dao động cưỡng bức.

2. Ví dụ về dao động cưỡng bức

- Khi đến bến, xe buýt chỉ tạm dừng nên không tắt máy, thân xe dao động. Đó là dao động cưỡng bức dưới tác dụng của lực cưỡng bức tuần hoàn gây ra bởi chuyển động của pit-tông trong xilanh của máy nổ.

3. Đặc điểm của dao động cưỡng bức

- Biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

- Biên độ không chỉ phụ thuộc vào biên độ của lực cưỡng bức mà còn phụ thuộc cả vào độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ dao động.

- Khi tần số của lực cưỡng bức càng gần tần số riêng thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn.

IV. Hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng)

1. Định nghĩa 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.

- Như vậy, hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi: f = f₀ hay nói cách khác, điều kiện của sự cộng hưởng là: f = f₀

2. Giải thích hiện tượng cộng hưởng

- Khi tần số của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ dao động thì hệ được cung cấp năng lượng một cách nhịp nhàng đúng lúc, do đó biên độ dao động của hệ tăng dần lên. Biên độ dao động đạt tới giá trị không đổi và cực đại khi tốc độ tiêu hao năng lượng do ma sát bằng tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ.

3. Tầm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng

- Sự cộng hưởng có hại: Những hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe,... đều có tần số riêng. Phải cẩn thận không để cho các hệ ấy chịu tác dụng của các lực cưỡng bức mạnh có tần số bằng tần số riêng ấy. Nếu không, nó làm cho các hệ ấy dao động mạnh, dẫn đến đổ hoặc gãy.

- Sự cộng hưởng có lợi: Hiện tượng cộng hưởng được ứng dụng để làm hộp đàn của các đàn ghita, violon,... 

V. Bài tập về dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và sự cộng hưởng

° Bài 1 trang 21 SGK Vật lý 12: Nêu đặc điểm của dao động tắt dần. Nguyên nhân của nó là gì?

* Lời giải bài 1 trang 21 SGK Vật lý 12:

- Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian, dao động tắt dần không có tính điều hòa. Nguyên nhân làm tắt dần dao động là do lực cản của môi trường. Lực cản môi trường càng lớn thì sự tắt dần càng nhanh.

° Bài 2 trang 21 SGK Vật lý 12: Nêu đặc điểm của dao động duy trì?

* Lời giải bài 2 trang 21 SGK Vật lý 12:

• Đặc điểm của dao động duy trì:

 - Là dao động tự do mà người ta đã bổ sung năng lượng cho vật sau mỗi chu kì dao động, năng lượng bổ sung đúng bằng năng lượng mất đi.

 - Quá trình bổ sung năng lượng là để duy trì dao động chứ không làm thay đổi đặc tính cấu tạo, không làm thay đổi bin độ và chu kì hay tần số dao động của hệ.

° Bài 3 trang 21 SGK Vật lý 12: Nêu đặc điểm của dao động cưỡng bức.

* Lời giải bài 3 trang 21 SGK Vật lý 12:

• Đặc điểm của dao động cưỡng bức:

 - Là dao động chịu tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn theo thời gian F = F₀cos(ωt + φ) với F₀ là biên độ của ngoại lực.

 - Ban đầu dao động của hê là một dao động phức tạp do sự tổng hợp của dao động riêng và dao động cưỡng bức sau đó dao động riêng tắt dần vật sẽ dao động ổn định với tần số của ngoại lực.

 - Biên độ của dao động cưỡng bức tăng nếu biên độ ngoại lực (cường độ lực) tăng và ngược lại.

 - Biên độ của dao động cưỡng bức giảm nếu lực cản môi trường tăng và ngược lại.

 - Biên độ của dao động cưỡng bức tăng nếu độ chênh lệch giữa tần số của ngoại lực và tần số dao động riêng giảm.

° Bài 4 trang 21 SGK Vật lý 12: Hiện tượng cộng hưởng là gì? Nêu điều kiện để có cộng hưởng. Cho một ví dụ.

* Lời giải bài 4 trang 21 SGK Vật lý 12:

- Sự cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng nhanh đến một giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ f₀. Điều kiện để có cộng hưởng: f = f₀

- Ví dụ: Chiếc cầu có thể gãy, nếu đoàn người đi đều bước qua chiếc cầu có tần số cưỡng bức f bằng với tần số riêng của chiếc cầu f₀. Mỗi nhạc cụ đều có hộp cộng hưởng, để có thể dao động cộng hưởng nhiều tần số dao động khác nhau.

° Bài 5 trang 21 SGK Vật lý 12: Một con lắc dao động tắt dần. Cứ sau mỗi chu kì, biên độ giảm 3%. Phần năng lượng của con lắc bị mất đi trong một dao động toàn phần là bao nhiêu?

A. 3%   B. 9%   C. 4,5%  D. 6%

* Lời giải Bài 5 trang 21 SGK Vật lý 12:

- Đáp án đúng: D. 6%

- Năng lượng trong một dao động toàn phần (một chu kì):

- Sau mỗi chu kì biên độ giảm 3%, nên năng lượng toàn phần sau mỗi chu kì:

⇒ Năng lượng bị mất trong một dao động toàn phần:

 ≈6%

° Bài 6 trang 21 SGK Vật lý 12: Một con lắc dài 44cm được treo vào trần của một toa xe lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh của toa xe gặp chỗ nối nhau của đường ray. Hỏi tàu chạy thẳng đều với tốc độ bao nhiêu thì biên độ dao động của con lắc sẽ lớn nhất? Cho biết chiều dài của mỗi đường ray là 12,5m. Lấy g = 9,8 m/s².

A. 10,7 km/h   B. 40 km/h

C. 106 km/h    D. 45 km/h