Giáo án và PPT Vật lí 11 kết nối Bài 5: Động năng. Thế năng. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà

BÀI 5: ĐỘNG NĂNG. THẾ NĂNG. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA (2 TIẾT)

HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

GV cho HS đọc và trả lời câu hỏi ở ví dụ mở đầu bài học:

Khi học về chuyển động của vật, ta đã biết có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng của vật. Vậy trong dao động điều hoà, có sự chuyển hoá tương tự không? 

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

I. ĐỘNG NĂNG

Hoạt động 1: Tìm hiểu động năng trong dao động điều hoà

GV yêu cầu HS đọc sách mục I và cho biết khái niệm và công thức động năng trong dao động điều hoà.

Xác định giá trị cực đại của động năng. Khi đi vật đi từ VTCB đến biên và từ biên về VTCB thì động năng của vật thay đổi như thế nào?

Sản phẩm dự kiến:

- Công thức động năng:

)

- Hình 5.1 là đồ thị chỉ sự biến thiên của động năng theo li độ x. Đó là một đường parabol có bề lõm hướng xuống và có giá trị cực đại: .

- Đồ thị cho thấy, khi vật đi từ vị trí cân bằng tới vị trí biên thì động năng của vật đang từ cực đại giảm đến 0. Khi vật đi từ vị trí biên về vị trí cân bằng thì động năng của vật tăng từ 0 đến giá trị cực đại. Điều đó chứng tỏ động năng của hệ không hề mất đi mà chuyển dần sang thế năng của hệ và ngược lại.

II. THẾ NĂNG 

Hoạt động 2: Tìm hiểu thế năng trong dao động điều hoà

GV cho HS tự đọc SGK phần II, hướng dẫn HS thảo luận để từ đó học sinh viết được công thức thế năng trong dao động điều hoà.

Hãy cho biết hình dạng đồ thị sự biến thiên của thế năng theo li độ. Xác định giá trị cực đại của thế năng. Khi đi vật đi từ VTCB đến biên và từ biên về VTCB thì thế năng của vật thay đổi như thế nào? 

Sản phẩm dự kiến:

- Công thức thế năng:

- Đồ thị biến thiên của thế năng theo li độ x cũng là một đường parabol nhưng bề lõm hướng lên như Hình 5.2 và có giá trị cực đại: .

- Đồ thị cho thấy, khi vật đi từ vị trí cân bằng tới vị trí biên thì thế năng của vật đang từ 0 tăng dần đến cực đại. Khi vật đi từ vị trí biên về vị trí cân bằng thì thế năng của vật từ cực đại giảm dần đến 0.

III. CƠ NĂNG

Hoạt động 3: Tìm hiểu cơ năng trong dao động điều hoà

GV yêu cầu HS đọc sách mục III và mục đọc hiểu và trả lời các câu hỏi trong SGK

Vẽ đồ thị động năng, thế năng của một vật dao động điều hòa theo li độ và dựa vào đó để phân tích sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng .

Sản phẩm dự kiến:

- Trong dao động điều hòa, có sự chuyển hóa qua lại giữa động năng và thế năng của vật, còn cơ năng, tức tổng động năng và thế năng thì được bảo toàn.

IV. CƠ NĂNG CỦA CON LẮC LÒ XO VÀ CON LẮC ĐƠN

Hoạt động 4: Tìm hiểu ứng dụng sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng vào con lắc lò xo và con lắc đơn 

GV yêu cầu HS đọc sách mục IV và mục đọc hiểu và trả lời các câu hỏi trong SGK

Nêu công thức tính cơ năng của con lắc đơn và con lắc lò xo

Chứng minh rằng chu kì của con lắc lò xo dao động điều hòa là T = 2π.Chứng minh rằng với góc lệch nhỏ, con lắc đơn dao động điều hòa với chu kì T = 2π?

Sản phẩm dự kiến:

1. Con lắc lò xo

- Nếu chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng thì thế năng của con lắc lò xo khi vật ở li độ x là:

Với k là độ cứng của lò xo.

Tần số góc của con lắc lò xo là:

Chu kì của con lắc lò xo là: .

Cơ năng của con lắc lò xo là:

2. Con lắc đơn

- Vị trí của con lắc đơn được xác định bằng li độ dài s hay li độ góc .

- Thế năng của con lắc đơn là thế năng trọng trường.

Chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng thì thế năng của con lắc ở li độ góc  là: .

- Khi góc  nhỏ  thì , thay  vào ta được:

- Khi góc lệch  nhỏ , con lắc đơn dao động điều hòa với tần số góc   hay với chu kì: . 

HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

Câu 1: Đại lượng nào sau đây tăng gấp đôi khi biên độ của dao động điều hoà của con lắc lò xo tăng gấp đôi?

A. Cơ năng của con lắc.

B. Động năng của con lắc.

C. Vận tốc cực đại.

D. Thế năng của con lắc.

Câu 2: Trong dao động điều hoà thì tập hợp ba đại lượng nào sau đây không thay đổi theo thời gian?

A. Lực kéo về; vận tốc; năng lượng toàn phần.

B. Biên độ; tần số góc; gia tốc.

C. Động năng; tần số; lực kéo về.

D. Biên độ; tần số góc; năng lượng toàn phần.

Câu 3: Một chất điểm dao động điều hoà. Biết khoảng thời gian giữa năm lần liên tiếp động năng của chất điểm bằng thế năng của hệ là 0,4 s. Tần số của dao động của chất điểm là

A. 2,5 Hz.

B. 3,125 Hz.

C. 5 Hz.

D. 6,25 Hz.

Sản phẩm dự kiến:

Câu 1: C

Câu 2: D

Câu 3: A

HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

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

Câu 1: Một con lắc đơn dao động điều hoà với biên độ góc α_max. Lấy mốc cơ năng tại vị trí cân bằng. Tính li độ góc của con lắc khi nó ở vị trí có động năng bằng thế năng.

Câu 2: Một con lắc lò xo treo thẳng đứng. Biết rằng trong quá trình dao động, tỉ số giữa độ lớn lực đàn hồi lớn nhất và nhỏ nhất là , biên độ dao động là 10 cm. Lấy a = 10 m/s². Tính tần số dao động của vật.