Giáo án điện tử Vật lí 11 cánh diều Chủ đề 1 Bài 3: Năng lượng trong dao động điều hoà

CHÀO MỪNG CÁC EM ĐẾN VỚI BÀI HỌC HÔM NAY!

KHỞI ĐỘNG

Hình 3.1. Con lắc đơn treo tại sảnh của tòa nhà Liên Hợp Quốc

Một con lắc đơn được treo ở sảnh của tòa nhà Liên Hợp Quốc tại thành phố New York, Mỹ. Quả cầu có khối lượng 91 kg và sợi dây treo dài 22,9 m. Con lắc liên tục dao động với chu kì 9,6 s.

Khi con lắc đơn dao động, nó có những dạng  năng lượng nào?

BÀI 3 NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

NỘI DUNG BÀI HỌC

Sự chuyển hóa năng lượng trong dao động điều hòa

Đồ thị năng lượng trong dao động điều hòa

1. Sự chuyển hóa năng lượng trong dao động điều hòa

Hình 3.2. Dao động của con lắc đơn

Quan sát dao động của con lắc và trả lời các câu hỏi sau:

• Hãy kể tên các dạng năng lượng mà con lắc đơn có trong quá trình dao động.
• Động năng của con lắc phụ thuộc vào yếu tố nào?
• Thế năng của con lắc phụ thuộc vào yếu tố nào?
• Động năng và thế năng có mối liên hệ như thế nào?

>>> 

• Động năng của con lắc đơn phụ thuộc vào tốc độ của quả cầu
• Thế năng của con lắc đơn phụ thuộc vào độ cao của quả cầu
• Động năng và thế năng liên tục thay đổi trong quá trình con lắc dao động.

Câu hỏi 1 (SGK – tr25): Mô tả sự biến đổi động năng và thế năng của con lắc đơn khi quả cầu đi từ vị trí biên A, qua vị trí cân bằng O rồi sang vị trí biên B.

• Chọn mốc tính thế năng ở vị trí cân bằng (VTCB).
• Tại vị trí biên A và B vật có độ cao cực đại so với mốc tính thế năng, nên tại biên vật có thế năng cực đại. Tại VTCB vật có thế năng cực tiểu (bằng 0).
• Khi vật đi từ biên A về VTCB thì thế năng giảm dần, động năng tăng dần.
• Khi vật đi từ VTCB lên biên B thì thế năng tăng dần, động năng giảm dần.

Câu hỏi 2 (SGK – tr25):

Chứng minh rằng cơ năng dao động của con lắc đơn tỉ lệ thuận với bình phương của biên độ dao động.

Cơ năng = động năng cực đại nên:

Suy ra cơ năng của con lắc đơn tỉ lệ thuận với bình phương của biên độ dao động.

KẾT LUẬN

• Chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng của quả cầu. Cơ năng của con lắc đơn là tổng động năng và thế năng:

Trong đó, h là độ cao của quả cầu so với vị trí cân bằng.

• Động năng của con lắc đơn là:
• Thế năng của con lắc đơn là:
• Trong quá trình con lắc đơn dao động, liên tục có sự biến đổi qua lại giữa động năng và thế năng nhưng cơ năng của con lắc luôn không đổi.

2. Đồ thị năng lượng trong dao động điều hòa

Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn theo li độ

• Quan sát hình 3.3, động năng và thế năng đạt cực đại khi nào?
• Nhận xét về tổng động năng và thế năng.

Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn theo thời gian

Quan sát hình 3.4, trong mỗi chu kì, động năng và thế năng có mối liên hệ như thế nào?

Câu hỏi 3 (SGK – tr26)

Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn theo li độ

Dựa vào đồ thị Hình 3.3, mô tả sự thay đổi của động năng và thế năng của con lắc đơn khi vật đi từ vị trí biên về vị trí cân bằng và từ vị trí cân bằng đến vị trí biên.

Trả lời

• Tại vị trí biên thế năng cực đại, động năng bằng 0, tại vị trí cân bằng thì thế năng bằng 0, động năng cực đại.
• Khi đi từ biên về VTCB thì thế năng giảm dần về 0, động năng tăng dần đến giá trị cực đại.
• Khi đi từ VTCB ra biên thì thế năng tăng dần đến giá trị cực đại, động năng giảm dần về 0.

KẾT LUẬN

• Động năng đạt cực đại khi vật đi qua vị trí cân bằng x = 0.
• Thế năng đạt cực đại khi vật ở hai vị trí biên x = ±A.
• Ở bất kì vị trí nào, tổng của động năng và thế năng không đổi, tức là cơ năng không đổi.

KẾT LUẬN

• Trong mỗi chu kì dao động, luôn có sự biến đổi qua lại giữa động năng và thế năng: Khi động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại nhưng tổng của chúng luôn không đổi.
• Các đặc điểm về sự biến đổi năng lượng trong dao động điều hòa của con lắc đơn cũng đúng với các dao động điều hòa khác.

LUYỆN TẬP

Câu 1: Con lắc lò xo ngang dao động điều hoà, vận tốc của vật bằng không khi vật chuyển động qua

1. vị trí cân bằng.
2. vị trí vật có li độ cực đại.
3. vị trí mà lò xo không bị biến dạng.
4. vị trí mà lực đàn hồi của lò xo bằng không.

Câu 2: Cơ năng của một chất điểm dao động điều hòa tỉ lệ thuận với

1. chu kì dao động.
2. biên độ dao động
3. bình phương biên độ dao động.
4. bình phương chu kì dao động.