Giáo án và PPT Vật lí 11 cánh diều Bài 3: Năng lượng trong dao động điều hoà

BÀI 3: NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

GV yêu cầu HS thảo luận và trả lời:

Mô tả sự chuyển hóa động năng và thế năng trong dao động điều hòa 

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

I. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

Hoạt động 1.

GV đặt câu hỏi hướng dẫn học sinh tìm hiểu:  

Viết công thức tính động năng trong dao động điều hòa giải thích các đại lượng và cho biết đơn vị tương ứng?

Sản phẩm dự kiến:

1. Biểu thức của thế năng trong dao động điều hòa

*Thảo luận 1 (SGK – tr25)

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.

*Thảo luận 2 (SGK – tr25)

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

- 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.

- 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:

W=Wđ+Wt=mv²+mgh

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

- Động năng của con lắc đơn là:

Wđ=mv²

- Thế năng của con lắc đơn là:

Wt=mgh

- 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

*Thảo luận 3 (SGK – tr26)

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.

- 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 1 (SGK – tr26)

Trong một chu kì, động năng và thế năng bằng nhau 4 lần, khoảng thời gian bằng nhau là .

HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

Từ nội dung bài học,GV yêu cầu HS luyện tập làm bài

Câu 1: Hãy nhận xét về hình dạng đồ thị động năng - thời gian trong dao động điều hòa.

Câu 2: Hãy nhận xét sự thay đổi của động năng trong một chu kì dao động của vật.

HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

Vận dụng kiến thức, GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi:

Câu 1: Mô tả sự chuyển hóa năng lượng khi vật dao động điều hòa di chuyển từ biên âm đến biên dương.

Câu 2: Nêu và chứng minh công thức tính cơ năng trong dao động điều hòa. 

Câu 3: Xét một vật bắt đầu dao động điều hòa từ vị trí cân bằng, hãy chỉ ra những khoảng thời gian trong một chu kì dao động mà (1) thế năng tăng dần trong khi động năng giảm dần và (2) thế năng giảm dần trong khi động năng tăng dần.