Trả lời nhanh
Phát biểu sai về dao động cưỡng bức thường là những câu nói rằng tần số dao động bằng tần số riêng của hệ, hoặc biên độ không phụ thuộc tần số của lực cưỡng bức. Đúng phải là: dao động cưỡng bức ổn định có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức, còn biên độ phụ thuộc biên độ lực, lực cản và độ chênh giữa hai tần số.
Đề bài này có nhiều phiên bản với các phương án khác nhau. Vì vậy, thay vì chỉ đưa một chữ cái, bài viết giúp bạn nắm bốn kết luận cốt lõi. Với bốn kết luận đó, bạn đối chiếu được mọi phương án và loại ra phát biểu sai trong vài giây.
Bốn kết luận cần nhớ về dao động cưỡng bức
- Định nghĩa: đó là dao động của hệ chịu tác dụng của ngoại lực biến thiên tuần hoàn, ví dụ F = F0cos(ωt + φ).
- Tần số: sau giai đoạn chuyển tiếp ngắn, hệ dao động ổn định với tần số đúng bằng tần số của lực cưỡng bức (f = fcb). Tần số này không phải tần số riêng f0.
- Biên độ: phụ thuộc vào ba yếu tố: biên độ F0 của lực cưỡng bức, lực cản của môi trường, và độ chênh lệch |fcb − f0|.
- Cộng hưởng: khi fcb = f0 thì biên độ đạt giá trị cực đại. Lực cản càng nhỏ thì đỉnh cộng hưởng càng cao và càng nhọn.
Bảng đối chiếu các phát biểu hay gặp trong đề
| Phát biểu | Đúng/Sai | Vì sao |
|---|---|---|
| Tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của lực cưỡng bức | Đúng | Hệ bị “áp đặt” nhịp dao động bởi ngoại lực. |
| Tần số dao động cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ | Sai | Tần số riêng chỉ bằng tần số dao động khi xảy ra cộng hưởng, không phải luôn luôn. |
| Biên độ phụ thuộc biên độ của lực cưỡng bức | Đúng | Lực mạnh hơn thì hệ nhận nhiều năng lượng hơn. |
| Biên độ không phụ thuộc tần số của lực cưỡng bức | Sai | Biên độ thay đổi theo độ lệch giữa fcb và f0. |
| Biên độ chỉ phụ thuộc biên độ của lực cưỡng bức | Sai | Còn phụ thuộc tần số lực và lực cản. |
| Khi fcb càng gần f0 thì biên độ càng lớn | Đúng | Đó là nội dung của hiện tượng cộng hưởng. |
| Biên độ luôn tăng khi tăng tần số của lực cưỡng bức | Sai | Vượt qua f0 thì biên độ lại giảm. |
| Dao động cưỡng bức ổn định có dạng hình sin | Đúng | Lực biến thiên điều hoà thì dao động ổn định cũng điều hoà. |
| Dao động cưỡng bức chỉ xảy ra khi không có ma sát | Sai | Có ma sát vẫn dao động cưỡng bức, chỉ là biên độ nhỏ hơn. |
Cách làm nhanh dạng “chọn phát biểu sai”
- Gặp chữ “tần số riêng” đi kèm “dao động cưỡng bức” thì nghi ngờ ngay. Hãy xem câu đó có nói đến cộng hưởng không.
- Gặp các từ tuyệt đối như “luôn”, “không bao giờ”, “chỉ” thì thường sai. Biên độ phụ thuộc đồng thời nhiều yếu tố.
- Câu nói đến fcb = f0 thì biên độ cực đại là câu đúng.
Phân biệt với dao động duy trì và dao động tắt dần
Đây là nơi học sinh hay nhầm. Ở dao động duy trì, ngoại lực do chính hệ điều khiển nên hệ vẫn dao động với tần số riêng f0. Ví dụ là con lắc đồng hồ. Ở dao động cưỡng bức, ngoại lực độc lập với hệ và hệ dao động theo tần số của lực đó. Còn dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần do lực cản, không có ngoại lực bù năng lượng.
Lỗi sai thường gặp
- Nhầm “dao động cưỡng bức” với “dao động riêng”. Tần số riêng chỉ phụ thuộc cấu tạo hệ (với con lắc lò xo là f0 = (1/2π)·√(k/m)).
- Cho rằng cộng hưởng chỉ xảy ra khi không có ma sát. Thực tế có ma sát vẫn cộng hưởng, biên độ cực đại chỉ thấp hơn.
- Cho rằng tăng tần số lực thì biên độ tăng mãi.
Bài luyện tập
Bài 1. Con lắc có tần số riêng 2 Hz chịu lực cưỡng bức tuần hoàn tần số 5 Hz. Sau khi ổn định, con lắc dao động với tần số bao nhiêu?
Đáp án: 5 Hz, vì dao động cưỡng bức ổn định có tần số bằng tần số lực cưỡng bức.
Bài 2. Một hệ có f0 = 3 Hz. Hai lực cưỡng bức cùng biên độ, tần số lần lượt 1,8 Hz và 3,2 Hz. Lực nào làm hệ dao động với biên độ lớn hơn?
Đáp án: lực 3,2 Hz. Độ chênh của nó là 0,2 Hz, nhỏ hơn độ chênh 1,2 Hz của lực còn lại nên gần cộng hưởng hơn.
Bài 3 (ví dụ tự đặt). Một toa xe có chu kì dao động riêng 1,5 s, chạy trên đường ray có các mối nối cách nhau 6 m. Xe bị rung mạnh nhất khi tốc độ bằng bao nhiêu?
Đáp án: cộng hưởng khi chu kì va chạm bằng chu kì riêng, nên v = 6 : 1,5 = 4 m/s (14,4 km/h).
Tóm lại
Để chọn đúng phát biểu sai, bạn chỉ cần nhớ hai điều. Một là tần số dao động cưỡng bức luôn bằng tần số của lực cưỡng bức. Hai là biên độ phụ thuộc ba yếu tố và đạt cực đại khi có cộng hưởng. Phương án nào trái với hai điều này chính là phương án sai.
Câu hỏi thường gặp
Tần số của dao động cưỡng bức bằng bao nhiêu?
Khi đã ổn định, tần số dao động cưỡng bức đúng bằng tần số của lực cưỡng bức, không phụ thuộc tần số riêng của hệ.
Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc những yếu tố nào?
Phụ thuộc biên độ của lực cưỡng bức, lực cản của môi trường và độ chênh lệch giữa tần số lực cưỡng bức với tần số riêng của hệ.
Khi nào xảy ra hiện tượng cộng hưởng?
Khi tần số của lực cưỡng bức bằng tần số riêng của hệ dao động. Lúc đó biên độ dao động cưỡng bức đạt giá trị cực đại.
Dao động cưỡng bức khác dao động duy trì ở điểm nào?
Dao động cưỡng bức chịu ngoại lực độc lập với hệ nên có tần số của lực đó. Dao động duy trì có ngoại lực do chính hệ điều khiển nên giữ tần số riêng.