Giáo án và PPT Vật lí 11 chân trời Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

BÀI 4: DAO ĐỘNG TẮT DẦN VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

GV yêu cầu HS thảo luận và trả lời:

Em hãy mô tả chuyển động của xích đu khi ngừng lực tác dụng.

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

Hoạt động 1.

GV đặt câu hỏi hướng dẫn học sinh tìm hiểu:  

• Hãy cho ví dụ về dao động tắt dần.

• Phân biệt các loại dao động tắt dần dựa theo lực cản tác dụng lên vật và cho ví dụ tương ứng.

Sản phẩm dự kiến:

1. Quan sát hiện tượng dao động tắt dần

*Thảo luận 1 (SGK – tr26)

Ngay sau khi ngừng tác dụng lực, xích đu và ván nhảy cầu tiếp tục thực hiện dao động, tuy nhiên biên độ dao động của chúng giảm dần theo thời gian và chúng sẽ dừng chuyển động sau một khoảng thời gian.

*Thảo luận 2 (SGK – tr26)

Một số ví dụ khác về dao động tắt dần trong thực tế:

+ Dao động của người chơi sau khi nhảy bungee.

+ Dao động của dây đàn guitar, vĩ cầm sau khi nhạc công ngừng gẩy đàn.

+ Dao động của võng hay nôi sau khi ngừng tác dụng lực.

+ Dao động của màng nhĩ sau khi sóng âm ngừng truyền đến tai.

+ Dao động của lò xo trong bộ phận giảm xóc của xe máy, ô tô.

*Kết luận:

+ Trong dao động tắt dần biên độ giảm dần theo thời gian, còn chu kì (hay tần số) không đổi.

+ Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần.

2. Giải thích hiện tượng dao động tắt dần

*Luyện tập (SGK – tr27)

- Vật dao động trong chất lỏng khi có gắn thêm vật cản (trường hợp c) ngừng chuyển động sớm nhất. Trong trường hợp b, vật cũng dao động tắt dần nhưng thời gian vật dao động sẽ dài hơn so với trường hợp c vì lực cản nhỏ hơn. Đối với trường hợp a, lực cản của không khí tác dụng lên vật có tồn tại nhưng có độ lớn nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp b và c, do đó vật dao động tắt dần với thời gian dài hơn hai trường hợp còn lại.

*Kết luận:

- Ta đã biết, lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chuyển động của vật. Do đó, công của lực cản tác dụng lên vật luôn âm làm cho cơ năng giảm. Từ đó biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian.

*Vận dụng (SGK – tr28)

+ Một số lợi ích của dao động tắt dần: hệ thống đóng/mở cửa tự động; bộ phận giảm xóc của ô tô/xe máy; ứng dụng trong thiết kế nền móng nhà ở Nhật Bản, giảm thiểu sự dao động của các tòa nhà trong các trận động đất.

+ Một số tác hại của dao động tắt dần: đồng hồ quả lắc sau một thời gian hoạt động sẽ xảy ra hiện tượng sai lệch thời gian, đưa võng sau một khoảng thời gian thì dao động sẽ tắt dần.

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Hoạt động 2.

GV đặt câu hỏi hướng dẫn học sinh tìm hiểu:  

Dao động duy trì là gì?

Dao động cưỡng bức là gì?

Sản phẩm dự kiến:

1. Dao động cưỡng bức

*Thảo luận 3 (SGK – tr28)

Có hai phương án để giữ cho dao động của xích đu hoặc võng được duy trì với biên độ không đổi:

+ Tác dụng lực vào mỗi nửa chu kì dao động của vật.

+ Tác dụng lực tuần hoàn vào vật như cơ chế của các xích đu hoặc võng máy tự động sử dụng điện.

*Kết luận:

- Trên thực tế, để một vật dao động không bị tắt, ta cần bổ sung năng lượng để bù lại sự tiêu hao năng lượng do lực cản môi trường.

- Thông thường, ta có hai cách bổ sung năng lượng cho vật dao động:

+ Truyền năng lượng bổ sung đúng bằng phần năng lượng tiêu hao ở cuối mỗi chu kì dao động của hệ bằng một lực cùng chiều với chuyển động. Ví dụ: hệ bù năng lượng cho con lắc trong đồng hồ quả lắc (Hình 4.5)

+ Sử dụng một ngoại lực biến thiên điều hòa (ngoại lực điều hòa) theo thời gian:

- Đồ thị li độ - thời gian của vật được thể hiện trong Hình 4.6 gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn chuyển tiếp, trong đó dao động của hệ chưa ổn định, biên độ và chu kì dao động biến thiên phức tạp theo thời gian.

+ Giai đoạn ổn định, trong đó biên độ và chu kì dao động của vật không thay đổi. Giai đoạn ổn định kéo dài cho đến khi ngoại lực không còn tác dụng.

*Luyện tập (SGK – T29)

Dao động của võng máy tự động sử dụng điện, dao động của mặt cầu khi có các phương tiện giao thông hoặc người đi bộ đang đi qua, dao động của các công trình xây dựng khi có động đất xảy ra, dao động điện từ trong mạch điện xoay chiều,…

2. Hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi này, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại A_max.

*Luyện tập (SGK – tr30)

+ Khi con lắc 1 dao động, các con lắc còn lại bắt đầu dao động vì chúng chịu tác dụng của lực cưỡng bức do dao động của con lắc 1 gây ra.

+ Với bố trí thí nghiệm như Hình 4.10 SGK, con lắc 4 sẽ dao động với biên độ lớn nhất, vì chiều dài con lắc 4 xấp xỉ bằng chiều dài dây con lắc 1, do đó tần số dao động riêng của con lắc 4 xấp xỉ con lắc 1.

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

*Thảo luận 4 (SGK – tr30)

- Trường hợp hiện tượng cộng hưởng có lợi:

+ Hộp đàn của các đàn ghi – ta, violon có tác dụng làm cho âm thanh phát ra được to hơn.

+ Lò vi sóng hoạt động dựa trên hiện tượng cộng hưởng giúp thực phẩm được nóng lên nhanh hơn.

- Trường hợp hiện tượng cộng hưởng có hại:

- Hiện tượng cộng hưởng có hại: làm cho các hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe dao động mạnh hơn dẫn đến bị đổ hoặc gãy gây thiệt hại về tài sản, kinh tế.

*Kết luận:

- Trong cuộc sống, những hiểu biết về hiện tượng cộng hưởng được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng, âm nhạc, y học, thông tin liên lạc,…

- Tùy từng trường hợp mà hiện tượng cộng hưởng có thể có lợi hoặc có thể có hại.

*Vận dụng (SGK – tr31)

- Tòa nhà Taipei có 101 tầng phía trên mặt đất và 5 tầng hầm được xây dựng sâu vào lòng đất.

- Có một điểm thiết kế vô cùng thú vị của tòa nhà chính là bộ phận giảm chấn được treo suốt dọc tầng 87 đến tầng 92. Con lắc bằng thép này nặng đến 728 tấn, có chức năng điều chỉnh độ rung lắc của tòa nhà, khi công trình bị tác động với gió mạnh hoặc động đất, con lắc sẽ đu đưa theo chiều ngược lại của hướng rung lắc.

*Luyện tập (SGK – tr31)

- Tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của bộ giảm chấn khối lượng thường được sử dụng trong các tòa nhà cao tầng.

- Nhiều tòa nhà cao tầng tại Nhật Bản được xây dựng với các lò xo dưới móng cọc. Khi động đất có thể làm các tòa nhà cao tầng sụp đổ. Khi tòa nhà được gắn với móng nền bởi một hệ thống lò xo, tòa nhà sẽ “trôi nổi” nhẹ nhàng trên móng nền không bị sụp đổ khi có động đất.

HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

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

Câu 1: Nêu ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế?

Câu 2: Hãy cho biết các tính chất của dao động cưỡng bức.

Câu 3: Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Câu 4: Nêu khái niệm hiện tượng cộng hưởng?

HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

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

Câu 1: Hãy cho biết điều kiện để xảy ra hiện tượng cộng hưởng và giải thích tại sao biên độ dao động đạt tới giá trị cực đại.

Câu 2: Nêu một số ví dụ về hiện tượng cộng hưởng có lợi và có hại trong thực tế. Hãy chỉ rõ hệ dao động và nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng.

Câu 3: Trình bày về nguyên lý hoạt động của máy đo địa chấn.