Bài tập lí thuyết dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng lớp 11 (cách giải + bài tập)

Chuyên đề phương pháp giải bài tập Bài tập lí thuyết dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng lớp 11 chương trình sách mới hay, chi tiết với bài tập tự luyện đa dạng giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Bài tập lí thuyết dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng.

Bài tập lí thuyết dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng lớp 11 (cách giải + bài tập)

A. Lí thuyết và phương pháp giải

1. Dao động tắt dần

a. Định nghĩa: Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần.

b. Nguyên nhân làm tắt dần dao động: là do lực ma sát và lực cản của môi trường làm tiêu hao cơ năng của con lắc, chuyển hóa dần dần cơ năng thành nhiệt năng. Vì thế biên độ của con lắc giảm dần và cuối cùng con lắc dừng lại.

c. Ứng dụng: Các thiết bị đóng cửa tự động hay giảm xóc ô tô, xe máy, ... là những ứng dụng của dao động tắt dần.

2. Dao động duy trì

- Nếu ta cung cấp thêm năng lượng cho vật dao động có ma sát để bù lại sự tiêu hao vì ma sát mà không làm thay đổi chu kì riêng của nó thì dao động kéo dài mãi và gọi là dao động duy trì. - Năng lượng bù đắp trong dao động duy trì: A = -$∆$W = W1 – Wn

Cơ chế bổ sung năng lượng cho đồng hồ quả lắc

3. Dao động cưỡng bức

a. Định nghĩa: Dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn gọi là dao động cưỡng bức.

b. Đặc điểm của dao động cưỡng bức:

* Về tần số: Dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số lực cưỡng bức

* Về biên độ:

- Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi.

- Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào

+ biên độ của lực cưỡng bức,

+ lực cản trong hệ: Biên độ của lực cưỡng bức càng lớn khi lực cản càng nhỏ.

+ sự chênh lệch giữa tần số cưỡng bức f và tần số riêng f₀ của hệ: sự chênh lệch càng ít thì biên độ của dao động cưỡng bức càng lớn.

4. Hiện tượng cộng hưởng

a. Định nghĩa: Hiện tượng biên độ của dao động cưỡng bức tăng dần lên đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng f0 của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng. b. Điều kiện để xảy ra cộng hưởng: w = w0 hoặc f = f0 hoặc T = T0.

c. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của biên độ vào tần số cưỡng bức gọi là đồ thị cộng hưởng. Nó càng nhọn khi lực cản của môi trường càng nhỏ.

B. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1. Nêu một số ví dụ thực tế về dao động tắt dần. Trong ví dụ đã nêu, dao động tắt dần là có lợi hay có hại?

Hướng dẫn giải

Một số gợi ý:

– Xe chạy trên cầu, đã tác động làm cầu dao động. Khi xe vượt qua cầu, dao động của cầu sẽ tắt dần. Sự tắt dần dao động của cầu trong trường hợp này là có lợi.

– Khi em bé chơi xích đu, nếu không có lực đẩy liên tục, xích đu sẽ dao động tắt dần. Sự tắt dần dao động của xích đu trong trường hợp này là có hại.

– Do tác dụng của bộ phận giảm xóc, dao động của xe máy và người ngồi trên xe sau khi xe đi qua chỗ xóc bị tắt dần. Dao động tắt dần này là có lợi, giúp giảm sự khó chịu cho người ngồi trên xe.

Ví dụ 2. Nêu một số ví dụ về dao động cưỡng bức xảy ra cộng hưởng trong một thiết bị khi đang vận hành tại gia đình.

Hướng dẫn giải

Khi máy giặt làm việc ở chế độ vắt, lồng giặt quay rất nhanh đã tác dụng một lực tuần hoàn lên vỏ máy. Nếu tần số quay của lồng giặt bằng tần số dao động riêng của vỏ máy thì máy giặt sẽ rung lắc rất mạnh.

Ví dụ 3. Một chiếc thuyền đang dao động bởi những con sóng xô mạn thuyền. Dao động của thuyền có phải là dao động cưỡng bức không?

Hướng dẫn giải

Dao động của thuyền dưới tác dụng của những con sóng xô mạn thuyền là một dao động cưỡng bức.

Ví dụ 4: Trong các trường hợp sau, trường hợp nào có khả năng xảy ra hiện tượng cộng hưởng? Giải thích cơ chế cộng hưởng.

a) Đoàn người bước đều qua cầu, làm cầu rung lắc mạnh.

b) Âm thanh trong thính phòng to hơn phòng thông thường.

c) Cầu vồng sau mưa.

Hướng dẫn giải

a) Trường hợp này có khả năng xảy ra cộng hưởng: Đoàn người bước đều, tạo ra dao động có tần số bằng tần số riêng của cầu.

b) Trường hợp này có khả năng xảy ra cộng hưởng: Kiến trúc của thính phòng được thiết kế để xảy ra hiện tượng cộng hưởng âm thanh, làm âm thanh trở nên to hơn và khán giả có thể nghe rõ dù ca sĩ không dùng micro.

c) Đây không phải hiện tượng cộng hưởng vì cầu vồng xuất hiện do hiện tượng tán sắc ánh sáng.

C. Bài tập minh hoạ

Câu 1. Khi nói về dao động tắt dần, phát biểu nào dưới đây là không đúng?

A. Biên độ giảm dần theo thời gian.

B. Cơ năng dao động không thay đổi.

C. Tác dụng của lực cản môi trường là nguyên nhân chính làm cho dao động tắt dần.

D. Sự tắt dần của dao động diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào cơ năng ban đầu của dao động và lực cản của môi trường.

Câu 2. Dao động của quả lắc đồng hồ không tắt dần là vì

A. lực cản tác dụng lên quả lắc không đáng kể.

B. quả lắc có khối lượng lớn nên cơ năng dao động lớn, vì vậy sự tắt dần xảy ra rất chậm nên không phát hiện ra dao động của nó tắt dần.

C. trong đồng hồ có một nguồn năng lượng dự trữ, năng lượng mất đi sau mỗi chu kì dao động được bù lại từ nguồn năng lượng dự trữ này.

D. trọng lực luôn thực hiện công lên quả lắc trong suốt quá trình nó dao động.

Câu 3. Phát biểu nào sau đây là không đúng khi nói về dao động cưỡng bức?

A. Biên độ của dao động cưỡng bức không đổi.

B. Tần số của dao động bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức.

C. Tần số ngoại lực càng lớn thì biên độ của dao động càng lớn.

D. Với một tần số ngoại lực xác định, biên độ ngoại lực càng lớn thì biên độ của dao động càng lớn.

Câu 4. Phát biểu nào sau đây đúng?

A. Dao động của quả lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức.

B. Dao động cưỡng bức đang xảy ra cộng hưởng, nếu lực cản của môi trường tác dụng lên vật dao động giảm thì biên độ dao động cũng giảm.

C. Hiện tượng cộng hưởng trong dao động cưỡng bức luôn có hại.

D. Dao động cưỡng bức lúc ổn định, tốc độ cung cấp năng lượng của ngoại lực bằng tốc độ mất năng lượng của dao động.

Câu 5. Một con lắc lò xo có chu kì dao động riêng $T_0=1s$. Tác dụng các lực cưỡng bức biến đổi tuần hoàn theo phương trùng với trục của lò xo. Lực cưỡng bức nào dưới đây làm cho con lắc dao động mạnh nhất?

A. $F=3F_0\cos \pi \text{t}$.

B. $F=F_0\cos 2\pi \text{t}$.

C. $F=3F_0\cos 2\pi \text{t}$.

D. $F=2F_0\cos \pi \text{t}$.

Câu 6. Tìm phát biểu sai. Dao động tắt dần là dao động có

A. tần số giảm dần theo thời gian.

B. cơ năng giảm dần theo thời gian.

C. biên độ dao động giảm dần theo thời gian.

D. ma sát và lực cản càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh.

Câu 7. Trong dao động tắt dần, một phần cơ năng đã biến đổi thành

A. điện năng.

B. nhiệt năng.

C. hoá năng.

D. quang năng.

Câu 8: Khi không còn ngoại lực duy trì, dao động của con lắc đơn trong không khí bị tắt dần do

A. trọng lực tác dụng lên vật.

B. lực căng của dây treo.

C. lực cản của môi trường.

D. do dây treo có khối lượng không đáng kể.

Câu 9: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng 500 g gắn vào một lò xo có độ cứng 50 N/m. Con lắc này chịu tác dụng của ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn. Khi tần số góc của ngoại lực lần lượt là 5 rad/s và 8 rad/s thì biên độ của dao động con lắc lần lượt là A₁ và A₂. Hãy so sánh A₁ và A₂.

A. $A_1=2A_2$.

B. $A_1>A_2$.

C. $A_1=A_2$

D. $A_1<A_2$.

Câu 10: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học tắt dần?

A. Dao động tắt dần có động năng giảm dần còn thế năng biến thiên điều hòa.

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

C. Lực ma sát càng lớn thì dao động tắt càng nhanh.

D. Trong dao động tắt dần, cơ năng giảm dần theo thời gian.

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí 11 hay, chi tiết khác:

• Bài toán cộng hưởng
• Bài toán sử dụng đồ thị năng lượng trong dao động điều hoà
• Mối quan hệ giữa động năng và thế năng
• Xác định các đại lượng đặc trưng của sóng cơ
• Cường độ sóng và năng lượng sóng

---