Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 cánh diều bài 4: Dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

MỞ ĐẦU

Toà nhà Đài Bắc 101 (Taipei 101) cao 509 m xác lập kỉ lục là toà nhà cao nhất thế giới vào năm 2004 và duy trì vị thế này cho đến năm 2010 khi toà nhà Buji Kalifa (Bu-zi Ca-li-fa) ở Dubai (Du-bai) được khánh thành. Để bảo vệ toà nhà khỏi rung lắc mạnh dưới tác dụng của gió, bão hay động đất, một quả cầu giảm chấn khổng lồ đường kính 5,5 m, khối lượng 662 tấn được treo lơ lửng từ tầng 92 xuống tầng 87 của toà nhà. Khối cầu này giúp giảm rung lắc của toà nhà bằng cách nào?

Hướng dẫn trả lời:

Khối cầu được kết hợp với bộ giảm chấn, gồm lò xo và bộ giảm chấn khí, để kiểm soát và giảm thiểu dao động của nó khi toà nhà bị rung lắc. Trong trường hợp toà nhà trải qua rung lắc do các yếu tố như động đất, gió mạnh, hoặc bão, khối cầu di chuyển ngược lại hướng của dao động và tạo ra một lực trở lại để ổn định toà nhà. Quá trình này giúp giảm thiểu biên độ và tác động của rung lắc lên toà nhà, đảm bảo rằng toà nhà vẫn duy trì được ổn định và an toàn trong các tình huống khó khăn.

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

CH 1. Giải thích tại sao, trong môi trường có lực cản, dao động của các vật lại tắt dần.

Hướng dẫn trả lời:

Do sự chuyển đổi năng lượng từ dao động thành nhiệt, năng lượng dao động giảm dần và cuối cùng sẽ dừng hoàn toàn.

CH 2. Vì sao nếu chỉ đẩy một lần, xích đu sẽ dao động một vài chu kì rồi dừng lại?

Hướng dẫn trả lời:

Do sự mất dần năng lượng dao động của xích đu. Mỗi chu kỳ dao động, xích đu sẽ mất đi một lượng năng lượng nhất định do sự tương tác với môi trường, và sự mất dần năng lượng này sẽ dần làm giảm độ lớn của dao động. Điều này sẽ làm cho chu kỳ dao động của xích đu ngày càng giảm, cho đến khi cuối cùng nó dừng hoàn toàn.

LT 1. Lấy ví dụ về dao động tắt dần trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời:

Ví dụ về dao động tắt dần:

• Dao động của con lắc đồng hồ. 

• Bộ giảm xóc ô tô, xe máy

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

CH 3. Lấy ví dụ các hệ dao động cưỡng bức trong thực tế.

Hướng dẫn trả lời:

Ví dụ về dao động cưỡng bức: 

Kéo một con lắc lò xo rồi thả ra. Con lắc lò xo sẽ dao động tắt dần, bây giờ ta đặt một lực do tay ta tạo ra lên con lắc. Khi đó dao động này gọi là dao động cưỡng bức, do vật dao động phụ thuộc vào lực do tay ta tạo nên, tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.

CH 4. Tìm tần số dao động riêng của con lắc lò xo trong Hình 2.5. Tần số này phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Hướng dẫn trả lời:

k = 150 N/m

m = 0,15 kg 

Tần số dao động riêng của con lắc lò xo có thể được tính toán bằng công thức:

$f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{150}{0,15}}$ = 5,032 (Hz)

Như vậy, tần số dao động riêng của con lắc lò xo phụ thuộc vào hai yếu tố chính là hằng đàn hồi của lò xo và khối lượng của vật đang dao động. 

CH 5. Dựa vào đô thị Hình 4.4, mô tả sự thay đổi của biên độ dao động cưỡng bức theo tần số của ngoại lực tuần hoàn. Biên độ của dao động cường bức và lực cản của môi trường có mối liên hệ như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Lực cản từ môi trường là một lực trở kháng ngăn vật di chuyển trong môi trường đó, làm giảm tốc độ của vật và tiêu hao năng lượng dao động của nó. Khi một vật dao động trong môi trường có lực cản, năng lượng của vật sẽ dần mất đi theo thời gian, biên độ dao động của nó cũng giảm xuống theo thời gian.

Vận dụng. Tìm ví dụ về hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong cuộc sống.

Đánh giá sự có lợi hay có hại của hiện tượng cộng hưởng trong trường hợp đó.

Hướng dẫn trả lời:

Ví dụ: Sự cộng hưởng của sóng âm trong các phòng thu âm nhạc

• Nếu phòng được thiết kế đúng cách, hiện tượng cộng hưởng có thể giúp cải thiện chất lượng âm thanh. Ví dụ, trong phòng thu âm, các bề mặt trong phòng được thiết kế sao cho sóng âm phản xạ và tương tác với nhau để tạo ra một âm thanh tự nhiên và cân bằng. 

• Nếu phòng không được thiết kế đúng cách, hiện tượng cộng hưởng có thể dẫn đến hiện tượng vọng phản, khi các sóng phản xạ tương tác với nhau và tạo ra một âm thanh vọng lại và làm giảm chất lượng âm thanh.