Lý thuyết Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng (Chân trời sáng tạo 2024) hay, chi tiết

Lý thuyết Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng (Chân trời sáng tạo 2024) hay, chi tiết | Vật Lí 11

Admin Vietjack Ngày: 20-08-2024 Lớp 11

3.6 K

Với tóm tắt lý thuyết Vật Lí lớp 11 Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết cùng với bài tập trắc nghiệm chọn lọc có đáp án giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Vật Lí 11.

Lý thuyết Vật Lí lớp 11 Bài 4: Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

A. Lý thuyết Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

1. Dao động tắt dần

a. Quan sát hiện tượng dao động tắt dần

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

b. Giải thích hiện tượng dao động tắt dần

- Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chiều chuyển động của vật. Do đó, công của cản tác dụng lên vật luôn âm làm cho cơ năng giảm. Từ đó biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian

2. Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

a. Dao động cưỡng bức

- Dao động của vật dưới tác dụng của ngoại lực điều hòa trong giai đôạn ổn định được gọi là dao động cưỡng bức. Ngoại lực điều hòa tác dụng vào vật khi này được gọi là lực cưỡng bức

- Tính chất của dao động cưỡng bức

+ Dao động cưỡng bức trong giai đoạn ổn định là dao động điều hòa

+ Tần số góc của dao động cưỡng bức bằng tần số góc của lực cưỡng bức

+ Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ F₀, độ chênh lệch giữa tần số góc của lực cưỡng bức và tần số góc riêng của hệ, lực cản của môi trường xung quanh

b. Hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi này, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại A_max

c. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

- Khi thiết kế các công trình lớn như nhà cao tầng hoặc cầu đường, các kĩ sư cần có những phương án xử lí kĩ thuật nhằm tránh xảy ra cộng hưởng trên hệ thống

- Sóng địa chấn đã tạo ra lực cưỡng bức lên các tòa nhà, gây hiện tượng cộng hưởng làm nhiều tòa nhà có độ cao trung bình rung lắc dữ dội và sụp đổ hoàn toàn, trong khi những tòa nhà cao hơn hoặc thấp hơn hẳn lại đứng vững

- Trong lĩnh vực âm nhạc: Mỗi nhạc cụ phát ra những giai điệu âm thanh mang nét đặc trưng riêng của nhạc cụ đó. Để khuếch đại độ to của âm thanh mà không làm mất đi nét đặc trưng riêng đó, người ta sử dụng buồng đặc biệt là buồng cộng hưởng

Sơ đồ tư duy về “Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng”

Lý thuyết Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng (Chân trời sáng tạo 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 11 (ảnh 1)

B. Trắc nghiệm Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Câu 1: Một vật có tần số riêng 20 Hz đang thực hiện dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn $F = 20 cos (50 πt + π) (N) \in$ . Tần số dao động của vật trong giai đoạn ổn định là

A. 50 Hz.

B. 20 Hz.

C. 25 Hz.

D. 100 Hz.

Hướng dẫn giải

Tần số dao động cưỡng bức bằng tần số của lực cưỡng bức:

$f = \frac{ω}{2 π} = \frac{50 π}{2 π} = 25 Hz$

Đáp án đúng là C

Câu 2: Một chiếc ô tô đang chạy trên đoạn đường lát gạch, cứ cách khoảng 5 m lại có một rãnh nhỏ. Tần số dao động riêng của khung xe trên các lò xo giảm xóc là 0,5 Hz. Ô tô bị xóc mạnh nhất khi chạy với tốc độ bao nhiêu?

A. 2,5 m/s.

B. 10 m/s.

C. 50 m/s.

D. 5 m/s.

Hướng dẫn giải

Ô tô bị xóc mạnh nhất khi chu kì của ngoại lực bằng với chu kì dao động riêng của khung xe. Khi đó, ô tô có tốc độ là: $v = \frac{s}{T} = s . f = 5 .0, 5 = 2, 5 m/s$

Đáp án đúng là A

Câu 3: 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. $A_{1} = 2 A_{2}$

B. $A_{1} > A_{2}$

C. $A_{1} = A_{2}$

D. $A_{1} < A_{2}$

Hướng dẫn giải

Tần số góc riêng của hệ là $ω_{0} = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{50}{0, 5}} = 10 rad/s$ . Do tần số góc 8 rad/s gần với giá trị $ω_{0}$ , nên biên độ A₂ lớn hơn biên độ A₁.

Câu 4: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng m gắn vào một lò xo có độ cứng 50 N/m. Tác dụng lên vật ngoại lực cưỡng bức $F = 40 cos (10 πt - π) (N)$ dọc theo trục lò xo thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Lấy $π^{2} = 10$ . Giá trị của m là

A. 5 kg.

B. 5.10^-2 kg.

C. 5 g.

D. 0,05 g.

Hướng dẫn giải

Khi cộng hưởng xảy ra: $ω = ω_{0} \Leftrightarrow 10 π = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{50}{m}}$ .

Suy ra: $m = \frac{50}{{(10 \sqrt{10})}^{2}} = 5 {.10}^{- 2} kg$ .

Đáp án đúng là B

Câu 5: Vật nhỏ nặng 100 g gắn với một lò xo nhẹ đang dao động điều hoà dọc theo một trục nằm trong mặt phẳng ngang trên đệm không khí có li độ $x = \sqrt{2} sin (100 πt - \frac{π}{3}) (cm)$ . Nếu tắt đệm không khí, độ giảm cơ năng của vật đến khi vật hoàn toàn dừng lại là bao nhiêu?

A. 2 J.

B. 10 000 J.

C. 1 J.

D. 0,1 J.

Hướng dẫn giải

Độ giảm cơ năng của vật đến khi vật hoàn toàn dừng lại là:

$Δ W = W = \frac{1}{2} {mω}^{2} A^{2} = \frac{1}{2} . 0, 1 . {(100 π)}^{2} . {(\sqrt{2} . 10^{- 2})}^{2} \approx 1 J$

Đáp án đúng là C

Câu 6. 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.

Hướng dẫn giải

Đối với dao động tắt dần thì cơ năng giảm dần theo thời gian.

Đáp án đúng là B

Câu 7. Một người xách một xô nước đi trên đường, mỗi bước đi dài $L = 50 cm$ thì nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất. Tốc độ đi của người đó là v = 2,5 km/h. Chu kì dao động riêng của nước trong xô là

A. 1,44 s.

B. 0,35 s.

C. 0,45 s.

D. 0,52 s.

Hướng dẫn giải

Hai bước đi là một chu kì. Chu kì dao động riêng của nước trong xô là:

$T = \frac{2 L}{V} = \frac{2 \cdot 0, 5}{0, 69} \approx 1, 44 s.$

Đáp án đúng là A

Câu 8. 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.

Hướng dẫn giải

- Biên độ của dao động cưỡng bức không đổi.

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

- Tần số ngoại lực càng lớn đến một giá trị nào đó thì biên độ của dao động cực đại sau đó tần số tăng thì biên độ giảm dần.

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

Đáp án đúng là C

Câu 9. 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.

Hướng dẫn giải

A - sai vì dao động của đồng hồ quả lắc là dao động duy trì

B - sai vì biên độ còn phụ thuộc vào tần số của lực cưỡng bức

C – sai vì có trường hợp cộng hưởng có lợi (hộp đàn ghita,…)

Đáp án đúng là D

Câu 10. Một con lắc lò xo có chu kì dao động riêng $T_{0} = 1 s$ . 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. $F = 3 F_{0} cosπ t$

B. $F = F_{0} \cos 2 π t$

C. $F = 3 F_{0} \cos 2 π t$

D. $F = 2 F_{0} cosπ t$

Hướng dẫn giải

Chu kì dao động riêng $T_{0} = 1 s \Rightarrow f_{0} = \frac{1}{T_{0}} = 1 Hz$

Lực nào có tần số lực cưỡng bức càng gần với tần số riêng và biên độ lực cưỡng bức càng lớn thì con lắc dao động mạnh nhất.

Đáp án đúng là C

Câu 11: Một con lắc lò xo gồm một lò xo có độ cứng 100 N/m gắn với vật nặng 100 g dao động điều hoà trong không khí dưới ngoại lực cưỡng bức $F = F_{0} sin (50 πt) (N)$ . Để có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng, người ta thực hiện phương án nào sau đây?

A. Tăng tần số của ngoại lực.

B. Thay lò xo có độ cứng lớn hơn.

C. Thay lò xo có độ cứng nhỏ hơn.

D. Tăng khối lượng của vật nặng.

Hướng dẫn giải

Tần số riêng của hệ $ω_{0} = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{100}{0, 1}} = 10 \sqrt{10} rad/s \approx 10 π rad/s$ , nhỏ hơn tần số của ngoại lực cưỡng bức nên để xảy ra cộng hưởng phải giảm tần số ngoại lực hoặc thay đổi hệ để tăng tần số riêng.

Đáp án đúng là B

Câu 12: Một con lắc lò xo dao động điều hoà trên mặt phẳng nằm ngang gồm một vật nhỏ có khối lượng 100 g gắn vào lò xo nhẹ có độ cứng 98 N/m. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,02 . Lấy < $g = 9, 8 m / s^{2}$ . Tính độ giảm biên độ sau mỗi lần vật qua vị trí cân bằng.

A. 0,08 mm.

B. 0,04 mm.

C. 0,8 mm.

D. 0,4 mm.

Hướng dẫn giải

Độ giảm cơ năng sau nửa chu kì bằng công của lực ma sát thực hiện trong nửa chu kì đó: $\frac{{kA}^{2}}{2} - \frac{{kA}^{' 2}}{2} = F_{ms} (A + A^{'}) \Leftrightarrow \frac{k}{2} (A + A^{'}) \cdot (A - A^{'}) = F_{ms} (A + A^{'})$