Trả lời nhanh
Dao động của con lắc đồng hồ là dao động duy trì. Con lắc vốn dao động tắt dần vì ma sát và lực cản, nhưng đồng hồ có bộ phận cót (hoặc quả nặng, pin) bù đúng phần năng lượng mất đi sau mỗi chu kì. Nhờ vậy con lắc giữ được biên độ không đổi và vẫn dao động với tần số riêng của nó, không phải dao động cưỡng bức.
Con lắc đồng hồ hoạt động ra sao?
Nếu kéo một con lắc đơn lệch khỏi vị trí cân bằng rồi thả, nó sẽ dao động nhưng biên độ giảm dần và dừng lại do ma sát ở trục treo và sức cản của không khí. Đó là dao động tắt dần.
Ở đồng hồ quả lắc, người ta lắp thêm một cơ cấu truyền năng lượng từ lò xo cót đã lên dây hoặc từ quả nặng đang hạ xuống. Cứ mỗi lần con lắc đi qua đúng vị trí và đúng hướng, cơ cấu này đẩy nhẹ vào con lắc một lực nhỏ. Lượng năng lượng bổ sung vừa đủ bằng phần năng lượng đã hao hụt, nên biên độ ổn định.
Vì sao gọi là dao động duy trì?
- Bù năng lượng theo nhịp riêng của hệ: chính con lắc điều khiển thời điểm nhận năng lượng, tức là hệ tự điều chỉnh.
- Tần số không đổi: tần số dao động vẫn là tần số riêng f0 của con lắc, chỉ phụ thuộc chiều dài dây và gia tốc trọng trường.
- Biên độ không đổi: năng lượng cung cấp cân bằng với năng lượng mất đi.
Công thức chu kì của con lắc đơn dao động nhỏ: T = 2π√(l/g). Vì thế muốn chỉnh đồng hồ chạy nhanh hay chậm, người thợ vặn núm điều chỉnh chiều dài l của con lắc: l ngắn đi thì T nhỏ, đồng hồ chạy nhanh hơn.
Loại trừ các loại dao động còn lại
| Loại dao động | Nguồn năng lượng | Tần số | Có phải con lắc đồng hồ? |
|---|---|---|---|
| Tắt dần | Không được bổ sung | Gần bằng tần số riêng | Không, vì biên độ không giảm |
| Cưỡng bức | Ngoại lực tuần hoàn từ bên ngoài, độc lập với hệ | Bằng tần số của ngoại lực | Không, vì không có ngoại lực tuần hoàn áp đặt tần số |
| Duy trì | Bù từ nguồn dự trữ qua cơ cấu do chính hệ điều khiển | Bằng tần số riêng | Đúng |
| Điều hòa lí tưởng | Không có ma sát | Tần số riêng | Không, thực tế luôn có ma sát |
Phân biệt dao động duy trì và dao động cưỡng bức
Đây là chỗ học sinh hay nhầm nhất vì cả hai đều có “lực tác dụng từ bên ngoài”. Hãy chú ý hai điểm.
- Ở dao động cưỡng bức, ngoại lực biến thiên theo tần số riêng của nó, áp đặt tần số lên hệ. Ví dụ: võng đung đưa theo nhịp người đẩy, cầu rung khi đoàn người đi đều bước.
- Ở dao động duy trì, lực bổ sung được cấp theo nhịp của chính hệ, nên tần số vẫn là tần số riêng. Ví dụ: đồng hồ quả lắc, dây đàn được kéo cung đều, người lớn đẩy võng đúng lúc võng sắp quay về.
Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng con lắc đồng hồ là dao động điều hòa vì nó chạy đều. Thực tế hệ có ma sát, cần được duy trì.
- Nhầm dao động cưỡng bức với duy trì chỉ vì có năng lượng cấp từ ngoài.
- Quên rằng tần số dao động duy trì không phụ thuộc vào cơ cấu cấp năng lượng.
Mẹo nhớ
Hãy nhớ: “Cưỡng bức là bị ép nhịp, duy trì là tự giữ nhịp”. Nếu bên ngoài quyết định nhịp thì là cưỡng bức; nếu hệ tự quyết định nhịp, chỉ được tiếp sức thêm, thì là duy trì.
Luyện tập có đáp án
- Một chiếc đồng hồ quả lắc chạy chậm. Muốn chạy đúng cần làm gì? Đáp án: rút ngắn chiều dài con lắc để giảm chu kì.
- Dao động của cành cây rung khi gió thổi đều đặn với tần số bằng tần số riêng của cành là loại nào? Đáp án: dao động cưỡng bức, có thể xảy ra cộng hưởng.
- Nếu hết cót mà không lên dây thì con lắc đồng hồ sẽ ra sao? Đáp án: dao động tắt dần rồi dừng hẳn.
Câu hỏi thường gặp
Dao động của con lắc đồng hồ là dao động gì?
Là dao động duy trì: năng lượng hao hụt do ma sát được bù đúng nhịp từ cót hoặc quả nặng nên biên độ và tần số riêng giữ nguyên.
Dao động duy trì khác dao động cưỡng bức ở điểm nào?
Dao động duy trì có tần số bằng tần số riêng của hệ vì hệ tự điều khiển việc nhận năng lượng, còn dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của ngoại lực tuần hoàn.
Làm sao chỉnh đồng hồ quả lắc chạy nhanh hơn?
Rút ngắn chiều dài con lắc. Theo T = 2π√(l/g), l nhỏ đi thì chu kì giảm và đồng hồ chạy nhanh hơn.