Trả lời nhanh
Nguyên nhân gây ra dao động tắt dần của con lắc đơn dao động trong không khí là lực cản của môi trường (lực cản không khí). Lực này luôn ngược chiều chuyển động nên sinh công âm, làm cơ năng của con lắc giảm dần thành nhiệt. Vì thế biên độ nhỏ dần cho đến khi con lắc dừng hẳn.
Dao động tắt dần là gì?
Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian. Biên độ giảm tức là cơ năng giảm, vì cơ năng của con lắc tỉ lệ với bình phương biên độ.
Nếu không có ma sát hay lực cản, con lắc đơn dao động nhỏ sẽ là dao động điều hoà và biên độ không đổi. Trong thực tế luôn có lực cản nên dao động luôn tắt dần ít hay nhiều.
Vì sao lực cản của không khí làm dao động tắt dần?
- Khi quả nặng chuyển động trong không khí, nó phải đẩy các phân tử khí ra chỗ khác nên chịu lực cản và ma sát nhớt với không khí.
- Lực cản luôn có hướng ngược với vận tốc, nên công của nó luôn âm trong mọi giai đoạn của chuyển động.
- Phần cơ năng bị mất chuyển thành nhiệt toả vào không khí và quả nặng, nên mỗi chu kì con lắc lên được ít cao hơn chu kì trước.
- Cơ năng giảm thì biên độ giảm: W = ½mω²A² với A giảm dần.
Lực cản càng lớn (môi trường nhớt như dầu, nước) thì dao động tắt càng nhanh. Nếu lực cản quá lớn, con lắc thậm chí không thực hiện nổi một dao động mà chỉ trở về vị trí cân bằng rồi dừng.
Loại trừ các phương án hay gặp trong câu trắc nghiệm
Câu này thường cho các lựa chọn dạng sau. Em hãy hiểu rõ lý do loại từng ý để không bị nhầm.
| Ý hay xuất hiện | Đúng/Sai | Giải thích |
|---|---|---|
| Do lực cản của môi trường | Đúng | Sinh công âm, làm tiêu hao cơ năng. |
| Do trọng lực tác dụng lên vật | Sai | Trọng lực là lực thế, công của nó không làm mất cơ năng; thành phần của nó còn là lực kéo về giúp con lắc dao động. |
| Do lực căng của dây treo | Sai | Lực căng luôn vuông góc với vận tốc nên không sinh công, không làm đổi cơ năng. |
| Do dây treo có khối lượng đáng kể | Sai | Khối lượng dây chỉ làm sai khác mô hình con lắc đơn (thay đổi chu kì), không phải nguyên nhân gây tắt dần. |
Mẹo nhớ: muốn biết lực nào làm mất cơ năng, hãy hỏi “lực đó có sinh công âm không?”. Chỉ có lực cản, lực ma sát (lực không thế) mới làm cơ năng giảm.
Lỗi sai thường gặp
- Cho rằng tắt dần làm chu kì thay đổi rõ rệt. Với lực cản nhỏ, chu kì gần như không đổi, chỉ có biên độ giảm.
- Nhầm dao động tắt dần với dao động duy trì. Dao động duy trì được bổ sung năng lượng từng chu kì (như đồng hồ quả lắc) nên biên độ không đổi.
- Nghĩ rằng tắt dần là do “mất lực kéo về”. Lực kéo về vẫn còn; chính cơ năng bị tiêu hao mới là điều quyết định.
Bài luyện tập
Bài 1. Một con lắc đơn dao động tắt dần chậm, sau mỗi chu kì biên độ giảm 2% so với biên độ ngay trước đó. Cơ năng giảm bao nhiêu phần trăm sau mỗi chu kì?
Đáp án: Cơ năng tỉ lệ với A². Biên độ mới là 0,98A nên cơ năng mới là 0,98² = 0,9604 lần cơ năng cũ. Vậy cơ năng giảm khoảng 3,96% (xấp xỉ 4%).
Bài 2. Cùng một con lắc, đặt trong không khí và đặt trong nước thì dao động trong môi trường nào tắt nhanh hơn? Vì sao?
Đáp án: Trong nước tắt nhanh hơn, vì nước có lực cản lớn hơn không khí nhiều nên cơ năng bị tiêu hao nhanh hơn.
Bài 3. Làm thế nào để con lắc của đồng hồ quả lắc dao động mãi mà biên độ không giảm?
Đáp án: Cung cấp cho con lắc phần năng lượng đúng bằng phần bị mất sau mỗi chu kì (nhờ dây cót hoặc quả cân qua bộ phận cơ cấu). Đây là dao động duy trì.
Tóm tắt
- Dao động tắt dần: biên độ và cơ năng giảm dần theo thời gian.
- Nguyên nhân với con lắc đơn trong không khí: lực cản của môi trường.
- Lực cản càng lớn, dao động tắt càng nhanh.
- Ứng dụng: bộ phận giảm xóc ôtô, thiết bị đóng cửa tự động đều lợi dụng sự tắt dần.
Câu hỏi thường gặp
Nguyên nhân gây ra dao động tắt dần của con lắc đơn trong không khí là gì?
Là lực cản của môi trường (không khí). Lực cản ngược chiều chuyển động, sinh công âm nên cơ năng giảm dần, kéo theo biên độ giảm.
Dao động tắt dần có chu kì thay đổi không?
Khi lực cản nhỏ, chu kì gần như không đổi và chỉ có biên độ giảm dần. Nếu lực cản lớn thì dao động có thể tắt rất nhanh hoặc không còn tính tuần hoàn.
Lực căng dây có làm con lắc đơn tắt dần không?
Không. Lực căng dây luôn vuông góc với vận tốc nên không sinh công, không làm thay đổi cơ năng của con lắc.
Dao động tắt dần khác dao động duy trì thế nào?
Dao động tắt dần để mất năng lượng nên biên độ giảm. Dao động duy trì được bù đúng phần năng lượng mất đi sau mỗi chu kì nên biên độ không đổi.