Hướng dẫn giải nhanh vật lí 11 CTST bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

I. DAO ĐỘNG TẮT DẦN

Thảo luận 1 trang 26 sgk vật lý 11 ctst

Quan sát Hình 4.2 và mô tả chuyển động của xích đu, ván nhảy cầu sau khi ngừng tác dụng lực.

Đáp án:

Vật vẫn sẽ chuyển động nữa nhưng với biên độ nhỏ dần rồi từ từ dừng lại.

Thảo luận 2 trang 26 sgk vật lý 11 ctst

Nêu một số ví dụ thực tế khác về hiện tượng dao động tắt dần.

Đáp án:

Ví dụ: 

• Dao động con lắc đồng hồ, 

• Dao động bộ giảm xóc của ôtô, xe máy,...

Luyện tập trang 27 sgk vật lý 11 ctst

Bố trí sơ đồ thí nghiệm như Hình 4.4. Kéo vật nặng của con lắc lò xo khỏi vị trí cân bằng theo phương thẳng đứng một đoạn xác định và thả nhẹ để vật dao động không vận tốc ban đầu. Dự đoán và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng (nếu có điều kiện) về dao động của con lắc trong các trường hợp vật nặng thực hiện dao động trong: 

a) Không khí 

b) Chất lỏng (nước/dầu)

c) Chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản

Đáp án:

a) Không khí: vật chuyển động nhanh với biên độ lớn và dừng lâu hơn hai trường hợp còn lại

b) Chất lỏng (nước/dầu): vật chuyển động chậm với biên độ nhỏ và dừng nhanh hơn so với không khí

c) Chất lỏng (nước/dầu) khi có gắn thêm vật cản: vật chuyển động với biên độ bằng khoảng cách từ vị trí cân bằng đến vị trí gắn vật cản và sẽ dừng lại nhanh nhất

Vận dụng trang 28 sgk vật lý 11 ctst

Đưa ra một số ví dụ về tác hại và lợi ích của dao động tắt dần. Từ đó tìm hiểu và sưu tầm hình ảnh về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong cuộc sống.

Đáp án:

Nếu sự tắt dần gây hại, chúng ta có thể chống lại hiện tượng này bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho hệ dao động. Ví dụ, trong trường hợp của một con lắc đồng hồ, chúng ta có thể thay pin để duy trì động cơ hoạt động liên tục mà không cần phải đối mặt với tắt dần.

Nếu sự tắt dần có lợi, chúng ta có thể tăng cường ma sát để làm cho dao động tắt dần diễn ra nhanh hơn. Ví dụ, trong hệ thống giảm xóc của ôtô hoặc xe máy, chúng ta áp dụng ma sát để làm chậm và làm dịu chuyển động, đảm bảo rằng xe không bị dao động mạnh sau khi bước qua các chướng ngại vật hoặc gồ ghề trên đường. 

II. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC VÀ HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Thảo luận 3 trang 28 sgk vật lý 11 ctst

Trên thực tế, sau khi được kích thích để dao động, xích đu (Hình 4.2a) hoặc võng sẽ dao động tắt dần. Làm cách nào để chúng có thể dao động với biên độ không đổi?

Đáp án:

Chúng ta sẽ bổ sung năng lượng để bù lại sự tiêu hao năng lượng do lực cản môi trường bằng hai cách như truyền năng lượng bổ sung bằng đúng phần năng lượng tiêu hao ở cuối mỗi chu kì dao động của hệ bằng lực cùng chiều chuyển động hoặc sử dụng ngoại lực biến thiên điều hòa theo thời gian.

Luyện tập 1 trang 29 sgk vật lý 11 ctst

Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức trong thực tế.

Đáp án:

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 với tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.

Luyện tập 2 trang 30 sgk vật lý 11 ctst

Bố trí thí nghiệm hệ con lắc Barton như Hình 4.10. Mô hình gồm nhiều con lắc đơn có chiều dài dây treo khác nhau được gắn trên cùng một dây treo đàn hồi. Khi con lắc số 1 được kích thích để dao động, những con lắc còn lại (từ số 2 đến 7) sẽ bắt đầu dao động. Giải thích vì sao chúng dao động và dự đoán về biên độ dao động của chúng. Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng.

Đáp án:

Những con lắc khác cũng dao động do hiện tượng cộng hưởng.

Con lắc dao động mạnh nhất là con lắc có chu kì gần nhất với chu kì dao động của con lắc 1, mặt khác chu kì dao động của các con lắc đơn lại tỉ lệ với chiều dài => con lắc số 4 có chiều dài gần nhất với chiều dài của con lắc 1 sẽ dao động với biên độ lớn nhất. 

Thảo luận 4 trang 30 sgk vật lý 11 ctst

Trình bày một số lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng trong thực tế mà em biết.

Đáp án:

Lợi ích: Ứng dụng làm hộp đàn ghita, violon,...

Tác hại: Nếu tần số ngoại lực bằng với tần số dao động riêng của hệ làm cho hệ dao động với biên độ rất lớn, gây ra hiện tượng hư hỏng, đổ gãy.

Vậy nên khi thiết kế cây cầu, bệ máy, khung xe,... cần phải lưu ý để cho tần số dao động riêng của chúng phải khác tần số của các lực cưỡng bức thường xuyên tác dụng lên.

Luyện tập 3 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Tìm hiểu và trình bày hoạt động của bộ giảm chấn khối lượng, là một con lắc được treo trên toà nhà Taipei 101 tại thành phố Đài Bắc, Đài Loan (Hình 4.1).

Đáp án:

Bộ giảm chấn khối lượng là một thiết bị quan trọng trong việc kiểm soát dao động trong tòa nhà. Nó bao gồm một con lắc thép nặng 660 tấn, được treo từ tầng 92 xuống tầng 87 để bù chuyển động do gió mạnh gây ra. Chi phí xây dựng thiết bị này là 132 triệu Đài tệ (4 triệu USD). Bộ giảm chấn này có khối cầu lớn nhất trên thế giới, với 41 tấm thép tròn có đường kính khác nhau, hàn lại với nhau để tạo thành một khối cầu đường kính 5,5 m (18 ft). Ngoài ra, có hai thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh khác, mỗi cái nặng 6 tấn, được đặt ở đỉnh tòa nhà để giảm thiểu tác động của gió mạnh. Vào ngày 8 tháng 8 năm 2015, do ảnh hưởng của Bão Soudelor, thiết bị giảm chấn chính đã đu đưa lên đến 100 xentimét (39 in), là biểu hiện chuyển động lớn nhất từng ghi nhận được.

Vận dụng trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn phương án kĩ thuật để hạn chế thiệt hại cho các toà nhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng, tại những nơi thường xảy ra động đất như Nhật Bản.

Đáp án:

Công nghệ "Con lắc thép khổng lồ" cho công trình Shinjuku Mitsui:

Nhật Bản đã áp dụng một công nghệ tiên tiến để chống động đất cho các tòa nhà cao tầng, bao gồm việc lắp đặt sáu con lắc thép khổng lồ trên đỉnh tòa nhà cao 55 tầng tại Tokyo. Công nghệ này có tổng chi phí 5 tỷ Yên Nhật (khoảng 51 triệu USD) và giúp giảm chấn động tới 60%, đồng thời rút ngắn thời gian chịu tác động từ động đất. Hệ thống này còn cho phép thi công mà không ảnh hưởng đến cấu trúc tòa nhà.

Công nghệ "Con nhún" cho công trình Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki:

Bệnh viện Chữ thập đỏ Ishinomaki ở Nhật Bản đã sử dụng một hệ thống đặc biệt gọi là "con nhún" để chống động đất. Toàn bộ tòa nhà chính của bệnh viện được đặt trên 126 thiết bị cách ly động đất, giống như "con nhún" đặt dưới móng của tòa nhà. Khi có động đất, tòa nhà sẽ được 126 "con nhún" đẩy đưa, giúp giảm thiểu tác động của động đất.

Công nghệ Piston cho các tòa nhà tháp:

Công nghệ Piston được sử dụng để hấp thụ lực tác động và giảm chuyển động rung lắc giữa các tầng lầu trong các tòa nhà tháp. Điều này giúp triệt tiêu rung lắc nội tại của tòa nhà khi có động đất mạnh. Công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi tại Tokyo và ví dụ điển hình là tòa tháp Mori tại khu phức hợp Roppongi Hills.

Các công nghệ chống động đất khác trên thế giới:

Trên khắp thế giới, nhiều tòa nhà sử dụng hệ thống van điều tiết khối lượng (TMD) để chống động đất. Hệ thống này bao gồm quả nặng được gắn vào tòa nhà để chống lại chuyển động của nó. Ví dụ, tòa nhà Taipei 101 tại Đài Loan có một quả cầu thép nặng 730 tấn cố định bởi cáp thép để chống động đất..

Bài tập 1 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Cho ví dụ về một số ứng dụng của dao động tắt dần trong thực tiễn.

Đáp án:     

Ví dụ: 

• Con lắc đồng hồ

• Các thiết bị đóng cửa tự động 

• Giảm xóc ô tô, xe máy... 

Bài tập 2 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Hãy chỉ ra hai trường hợp cộng hưởng có lợi và hại trường hợp cộng hưởng có hại. Trong từng trường hợp hãy chỉ rõ hệ dao động và nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng.

Đáp án:     

Cộng hưởng có lợi trong các trường hợp:

• Máy thu sóng điện từ như radio, tivi sử dụng hiện tượng cộng hưởng để chọn thu và khuếch đại các sóng điện từ có tần số thích hợp.

• Mạch khuếch đại trung cao tần sử dụng cộng hưởng khuếch đại các âm thích hợp.

• Máy chụp cộng hưởng từ sử dụng trong y học để chụp ảnh các cơ quan nội tạng bên trong con người.

• Dẫn điện không cần dây dẫn sử dụng hiện tượng cộng hưởng giữa hai cuộn dây để truyền tải năng lượng điện.

• Trong trường hợp cộng hưởng điện hệ dao động là dòng điện nguồn gốc gây ra sự cộng hưởng là do thay đổi tần số của nguồn cưỡng bức bằng với nguồn điện.

 Cộng hưởng có hại trong trường hợp:

• Trong thiết kế các máy móc, công trình xây dựng người ta cũng cần tránh hiện tượng cộng hưởng gây dao động có hại cho máy móc.

• Trong trường hợp trên thì máy móc hoặc công trình là hệ dao động và nguyên nhân dẫn đến sự dao động thường là do môi trường hoặc trong quá trình hoạt động dẫn đến hiện tượng dao động.

Bài tập 3 trang 31 sgk vật lý 11 ctst

Máy đo địa chấn được sử dụng để phát hiện và đo đạc những rung động địa chấn được tạo ra bởi sự dịch chuyển của lớp vỏ Trái Đất. Năng lượng từ các cơn địa chấn có khả năng kích thích con lắc lò xo bên trong máy đo làm đầu bút di chuyển để vẽ lên giấy (Hình 4P1).

a) Dao động của con lắc lò xo trong máy đo địa chấn khi cơn địa chấn xuất hiện là loại dao động gì? Giải thích.

b) Tần số của những cơn địa chấn thường nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz. Để kết quả ghi nhận là tốt nhất, hệ con lắc lò xo trong máy đo địa chấn cần được thiết kế để có tần số dao động riêng trong khoảng nào?

Đáp án:

a) Đó là dao động cưỡng bức. Khi sóng động đất được truyền tới, mặt đất bị rung chuyển và đóng vai trò như nguồn tạo ra lực cưỡng bức tác dụng lên con lắc lò xo trong máy đo địa chấn.

b) Tần số nằm trong khoảng 30 Hz – 40 Hz để những tín hiệu ghi nhận được có biên độ lớn, dễ dàng cho chúng ta trong việc quan sát và xử lí tín hiệu.