Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chương 4: Dao động tắt dần. Dao động duy trì. Dao động cưỡng bức. Cộng hưởng - Chu Văn Biên

Nội dung text: Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chương 4: Dao động tắt dần. Dao động duy trì. Dao động cưỡng bức. Cộng hưởng - Chu Văn Biên

1. MỤC LỤC Chủ đề 4. DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG DUY TRÌ. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC. CỘNG HƯỞNG 304 A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 304 1. Dao động tắt dần 304 2. Dao động duy trì 304 3. Dao động cưỡng bức 304 B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 304 Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐÉN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG 304 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 307 Dạng 2. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN DAO ĐỘNG TẮT DẦN CỦA CON LẮC LÒ XO 309 II − KHẢO SÁT CHỈ TIẾT 314 1. DAO ĐỘNG THEO PHƯƠNG NGANG 314 2. DAO ĐỘNG THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG 333 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 335 DẠNG 3. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐỂN DAO ĐỘNG TẮT DẦN CỦA CON LẮC ĐƠN 345 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 351
2. Chủ đề 4. DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG DUY TRÌ. DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC. CỘNG HƯỞNG A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 1. Dao động tắt dần Khi không có ma sát, con lắc dao động điều hòa với tần số riêng. Tần số riêng của con lắc chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của con lắc. Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần. 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. 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. 3. Dao động cưỡng bức Dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn gọi là dao động cưỡng bức. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số lực cưỡng bức. Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ của lực cưỡng bức, vào lực cản trong hệ và vào sự chênh lệch giữa tần số cưỡng bức f và tần số riêng f 0 của hệ. Biên độ của lực cưỡng bức càng lớn, lực cản càng nhỏ và sự chênh lệch giữa f và f 0 càng ít thì biên độ của dao động cưỡng bức càng lớn. * Cộng hưởng 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. Điều kiện f = f0 gọi là điều kiện cộng hưởng. 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. Tầm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng: Những hệ dao động như tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe, đều có tần số riêng. Phải cẩn thận không để cho các hệ ấy chịu tác dụng của các lực cưỡng bức mạnh, có tần số bằng tần số riêng để tránh sự cộng hưởng, gây dao động mạnh làm gãy, đổ. Hộp đàn của đàn ghi ta, viôlon, là những hộp cộng hưởng với nhiều tần số khác nhau của dây đàn làm cho tiếng đàn nghe to, rõ. B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 1. Bài toán liên quan đến hiện tượng cộng hưởng. 2. Bài toán liên quan đến dao động tắt dần của con lắc lò xo. 3. Bài toán liên quan đến dao động tắt dần của con lắc đơn. Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐÉN HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG Phương pháp giải Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi chu kì dao động cưỡng bức bằng chu kỳ dao động riêng: 304
3. S 2 Tcb 1 v cb 1 km / h m / s Tcb T0 Đổi đơn vị: 3,6 1 2 m  T 2 2 1 m / s 3,6 km / h 0 f 0 0 k g Ví dụ 1: (THPTQG − 2017) Một con lắc lò xo gồm lò xo có độ cứng 100 N/m và vật nhỏ có khối lượng m. Tác dụng lên vật ngoại lực F = 20cos10πt (N) (t tính bằng s) dọc theo trục lò xo thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Lấy π2 = 10. Giá trị của m là A. 100 g. B. 1 kg. C. 250 g. D. 0,4 kg. Hướng dẫn k 100 * Khi cộng hưởng   10 m 0,1 kg Chọn A. F 0 m m Ví dụ 2: Một hành khách dùng dây cao su treo một chiếc ba lô lên trần toa tầu, ngay phía trên một trục bánh xe của toa tầu. Khối lượng của ba lô 16 (kg), hệ số cứng của dây cao su 900 (N/m), chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 (m), ở chỗ nối hai thanh ray có một khe nhỏ. Hỏi tầu chạy với tốc độ bao nhiêu thì ba lô dao động mạnh nhất? A. 13 (m/s). B. 14 (m/s). C. 15 (m/s). D. 16 (m/s). Hướng dẫn S m 12,5 16 T T 2 2 v 15 m / s Chọn C. cb 0 v k v 900 Ví dụ 3: Một con lắc đơn dài 0,3 m được treo vào trần của một toa xe lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray. Biết chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 (m) và lấy gia tốc trọng trường 9,8 m/s 2. Hỏi tầu chạy với tốc độ bao nhiêu thì biên độ của con lắc lớn nhất? A. 60 (km/h). B. 11,4 (km/h). C. 41 (km/h). D. 12,5 (km/h). Hướng dẫn S  12,5 0,3 T T 2 2 v 11,4 m / s 41 km / h cb 0 v g v 9,8 Chọn C. Ví dụ 4: Một người đèo hai thùng nước ở phía sau xe đạp và đạp xe ừên con đường lát bê tông. Cứ cách 3 m, trên đường lại có một rãnh nhỏ. Đối với người đó tốc độ nào là không có lợi? Biết chu kì dao động của nước trong thùng là 0,6 s. A. 13 (m/s). B. 14 (m/s). C. 5 (m/s). D. 6 (m/s). Hướng dẫn Khi chu kì dao động riêng của nước bằng chu kì dao động cưỡng bức thì nước trong thùng dao động mạnh nhất (dễ té ra ngoài nhất! nên không có lợi). S S T T T v 5 m / s ChọnC. cb 0 v T Chú ý: Độ cứng tương đương của hệ lò xo ghép song song và ghép nối tiếp lần lượt là: k k1 k2 1 1 1 k k1 k2 305
4. Ví dụ 5: Một hệ gồm hai lò xo ghép nối tiếp có độ cứng lần lượt là k1 và k2 = 400 N/m một đầu lò xo gắn với vật nặng dao động có khối lượng m = 2 kg, treo đầu còn lại của hệ lò xo lên trần xe tàu lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray. Biết chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 (m). Biết vật dao động mạnh nhất lúc tàu đạt tốc độ 45 km/h. 2 Lấy π = 10. Giá trị k1 là A. 100 N/m. B. 50 N/m. C. 200 N/m. D. 400 N/m. Hướng dẫn s m 12,5 2 Tcb T0 2 2 k1 100 N / m v k1k2 12,5 400.k1 k1 k2 400 k1 Chọn A. Ví dụ 6: Một lò xo nhẹ một đầu lò xo gắn với vật nặng dao động có khối lượng m, treo đầu còn lại lò xo lên trần xe tàu lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray (các chỗ nối cách đều nhau). Con lắc dao động mạnh nhất khi tàu có tốc độ v. Nếu tăng khối lượng vật dao động của con lắc lò xo thêm 0,45 kg thì con lắc dao động mạnh nhất khi tốc độ của tàu là 0,8v. Giá trị m là A. 0,8 kg. B. 0,45 kg. C. 0,48 kg. D. 3,5 kg. Hướng dẫn S m Điều kiện cộng hưởng đối với con lắc lò xo: T T 2 cb 0 v k S m 2 1 v1 k v m m 2 1 0,8 m 0,8 kg Chọn A. v m m 0,45 S m2 1 2 2 v2 k Ví dụ 7 : (ĐMH − 2017 − Lần 2) Khảo sát thực nghiệm một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng 216 g và lò xo có A(cm) độ cứng k, dao động dưới tác dụng của ngoại lực F = 20 F cos2πft, với F không đổi và f thay đổi được. Kết quả khảo 18 0 0 16 sát ta được đường biểu diễn biên độ A của con lắc theo tần 14 12 số f có đồ thị như hình vẽ. Giá trị của k xấp xỉ bằng 10 A. 13,64 N/m. B. 12,35 N/m. 8 6 C. 15,64 N/m. D. 16,71 N/m 4 f (Hz) 2 1 1,05 1,11,15 1,21,25 1,31,351,41,45 Hướng dẫn 1 m * Từ 1,25 1,3 13,32 k 14,41 Chọn A. 2 k Chú ý: Để so sánh biên độ dao động cưỡng bức: + Xác định vị trí cộng hưởng: + Vẽ đường cong biểu diễn sự phụ thuộc biên độ dao động cưỡng bức vào tần số dao động cưỡng bức. + So sánh biên độ và lưu ý: càng gần vị trí cộng hường biên độ càng lớn, càng xa vị trí cộng hưởng biên độ càng bé. Biên độ f0 f1 f2 306
5. Ví dụ 8: Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ khối lượng m = 250 g và lò xo khối lượng không đáng kể có độ cứng 100 N/m. Con lắc dao động cưỡng bức theo phương trùng với trục của lò xo dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn F = F 0cosωt (N). Khi thay đổi ω thì biên độ dao động của viên bi thay đổi. Khi ω lần lượt là 10 rad/s và 15 rad/s thì biên độ dao động của viên bi tương ứng là A2 và A2. So sánh A2 và A2. A. A1 = 1,5A2. B. A1 = A2. C. A1 A2. Hướng dẫn Tại vị trí cộng hưởng: k 100  20 rad / s 0 m 0,25 Vì ω 1 xa vị trí cộng hưởng hơn ω 2 1  2 nên A1 < A2 Chọn C. Biên độ 1 2 3 BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Một hành khách dùng dây chằng cao su treo một chiếc ba lô lên trần một toa tàu, ngay phía trên một trục bánh xe của toa tàu. Chiều dài mỗi thanh ray là 12 m, ở chỗ nối hai thanh ray có một khe nhỏ. Chu kì dao động riêng của chiếc ba lô là 0,8 s. Ba lô dao động mạnh nhất khi tàu chạy với tốc độ A. 9,6 m/s. B. 12,8 m/s. C. 15 m/s. D. 19,2 m/s. Bài 2: Một xe ôtô chạy trên đường, cứ cách 8 m lại có một cái mô nhỏ. Chu kì dao động tự do của khung xe trên các lò xo là 1,5 s. Xe chạy với tốc độ nào thì bị rung mạnh nhất? A. 13 (m/s). B. 14 (m/s). C. 16/3 (m/s). D. 16 (m/s) Bài 3: (CĐ−2008) Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ khối lượng m và lò xo khối lượng không đáng kể có độ cứng 10 N/m. Con lắc dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số góc ωF. Biết biên độ của ngoại lực tuần hoàn không thay đổi. Khi thay đổi ω F thì biên độ dao động của viên bi thay đổi và khi ω F = 10 rad/s thì biên độ dao động của viên bi đạt giá trị cực đại.Khối lượng m của viên bi bằng A. 40 gam. B. 10 gam. C. 120 gam. D. 100 gam. Bài 4: Một hành khách dùng dây cao su buộc hành lý lên trần tàu hỏa, ở vị trí ngay phía trên trục của bánh tàu. Tàu đứng yên, hành lý dao động tắt dần chậm với chu kỳ 1,2 s. Biết các thanh ray dài 12 m. Hỏi tàu chạy đều với tốc độ bao nhiêu thì hành lý dao động với biên độ lớn nhất ? A. 36 (km/h). B. 15 (km/h). C. 54 (km/h). D. 10 (km/h). Bài 5: Một người đi bộ với bước đi dài 0,6 (m), xách một xô nước mà nước trong xô dao động với tần số 2 Hz. Người đó đi với tốc độ bao nhiêu thì nước trong xô bắn toé ra ngoài mạnh nhất? A. 13 (m/s). B. 1,4 (m/s). C. 1,2 (m/s). D. 1,3 (m/s). Bài 6: Một đoàn tàu chạy trên đường ray. Chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 m và ở chỗ nối hai thanh ray có một khe hở hẹp. Hỏi tàu chạy với tốc độ bao nhiêu thì bị xóc mạnh nhất. Biết chu kỳ dao động riêng của tàu trên các lò xo giảm xóc là 1 s. Chọn đáp án đúng: A. 30 km/h. B. 45 km/h. C. 25 km/h. D. 36 km/h. Bài 7: Một chiếc xe máy chạy trên đường lát gạch cứ khoảng 6 m thì có một rãnh nhỏ. Chu kì dao động riêng của giảm xóc lò xo là 2 s. Tốc độ chuyển động của xe bằng bao nhiêu thì xe bị xóc mạnh nhất? A. 3 km/h. B. 10,8 km/h. C. 1,08 km/h. D. 30 km/h. 307
6. Bài 8: Một hệ gồm hai lò xo ghép nối tiếp có độ cứng lần lượt là k1 = 100 N/m và k2 một đầu lò xo gắn với vật nặng dao động có khối lượng m = 2 kg, treo đầu còn lại của hệ lò xo lên trần xe tàu lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray. Biết chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 (m). Biết vật dao động mạnh nhất lúc tàu đạt tốc độ 45 km/h. 2 Lấy π = 10. Giá trị k2 là A. 400 N/m. B. 50N/m C. 200N/m. D. 100N/m. Bài 9: Một hệ gồm Hai lò xo ghép song song có độ cứng lần lượt là k 1 = 50 N/m và k2 một đầu lò xo gắn với vật nặng dao động có khối lượng m = 2 kg, treo đầu còn lại của hệ lò xo lên trần xe tàu lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray. Biết chiều dài mỗi thanh ray là 12,5 (m). Biết vật dao động mạnh nhất lúc tàu đạt tốc độ 45 km/h. 2 Lấy π = 10. Giá trị k2 là? A. 40N/m. B. 50 N/m C. 20N/m. D. 30 N/m. Bài 10: Một lò xo nhẹ một đầu lò xo gắn với vật nặng dao động có khối lượng m, treo đầu còn lại lò xo lên trần xe tàu lửa. Con lắc bị kích động mỗi khi bánh xe của toa xe gặp chỗ nối nhau của các đoạn đường ray (các chỗ nối cách đều nhau). Con lắc dao động mạnh nhất khi tàu có tốc độ v. Nếu tăng khối lượng của vật dao động của con lắc lò xo thêm 0,8 kg thì con lắc dao động mạnh nhất khi tốc độ của tàu 0,6v. Giá trị m là A. 0,45 kg. B. 1,5 kg. C. 0,48 kg. D. 3,5 kg. Bài 11: Một người đi xe máy trên một con đường lát bê tông. Trên đường đó có các rãnh nhỏ cách đều nhau. Nếu không đèo hàng thì xe xóc mạnh nhất khi đi với tốc độ v 1 và nếu đèo hàng thì xe xóc mạnh nhất khi đi với tốc độ v2. Chọn phương án đúng. A. v1 = 2v2. B. v1 = v2. C. v1 v2. Bài 12: Con lắc lò xo gồm vật nặng 100 gam và lò xo nhẹ độ cứng 40 N/m. Tác dụng một ngoại lực điều hòa cưỡng bức biên độ F và tan so f2 = 4 Hz theo phương trùng với trục của lò xo thì biên độ dao động ổn định A 1. Nếu giữ nguyên biên độ F và tăng tần số ngoại lực đến giá trị I 2 = 5 Hz thì biên độ dao động ổn định A2. So sánh A1 và A2. A. A1 = 2A2. B. A1 = A2. C. A1 A2. Bài 13: Một hệ cơ học có tần số dao động riêng là 10 Hz ban đầu dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực biến thiện điều hoà F 1 = F0cos(20πt + π/12) (N) (t đo bằng giây). Nếu ta thay ngoại lực cưỡng bức F 1 bằng ngoại lực cưỡng bức F 2 = F0cos(40πt + π/6) (N) (t đo bằng giây) thì biên độ dao động cưỡng bức của hệ A. sẽ không đôi vì biên độ của lực không đổi. B. sẽ giảm vì mất cộng hưởng. C. sẽ tăng vì tần số biến thiện của lực tăng. D. sẽ giảm vì pha ban đầu của lực giảm. Bài 14: Con lắc đơn dài 0,1 m treo tại nơi có gia tốc trọng trường 9,8 m/s 2. Tác dụng lên vật dao động của con lắc đơn một ngoại lực cưỡng bức biến thiện điều hòa biên độ F 0 và tần số F 1 = 1,2 Hz thì biên độ dao động A1. Nếu giữ nguyên biên độ F0 mà tăng tần số ngoại lực đến I2= 1,4 Hz thì biên độ dao động ổn định là A2. So sánh A1 và A2 ? A. A1 = A2. B. A1 A1. D. A1 = A2. Bài 15: Con lắc lò xo gồm vật nặng m = 100 g và Hai lò xo nhẹ có cùng độ cứng k = 100 N/m ghép song song. Tác dụng một ngoại lực cưỡng bức biến thiện điều hòa biên độ F0 và tần số F1 = 6 Hz thì biên độ dao động A 1. Nếu giữ nguyên biên độ F 0 mà tăng tần số ngoại lực đến I 2 = 6,7 Hz thì biên độ dao động ổn định là A2. So sánh A1 và A2 ? A. A1 = A2. B. A1 > A2. C. A2 > A1. D. A1 = A2. Bài 16: Một con lắc lò xo gồm vật khối lượng m = 100 g, lò xo có độ cứng k = 100 N/m. Trong cùng một điều kiện về lực cản của môi trường thì biểu thức ngoại lực tuần hoàn nào sau đây làm cho con lắc dao động cưỡng bức với biên độ lớn nhất? (cho g = 10 m/s2,π2 = 10). A. F = F0cos(2πt + 7t) N. B. F = F0cos(20πt + π/2) N. 308
7. C. F = F0cos(10πt) N. D. F = F0cos(8πt) N. 1.C 2.C 3.D 4.A 5.C 6.B 7.B 8.A 9.D 10.A 11.D 12.D 13.B 14.B 15.C 16.C Dạng 2. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN DAO ĐỘNG TẮT DẦN CỦA CON LẮC LÒ XO Phương pháp giải: Ta chỉ xét trường hợp ma sát nhỏ (dao động tắt dần chậm). Ta xét bài toán dưới hai góc độ: Khảo sát gần đúng và khảo sát chỉ tiết. I − KHẢO SÁT GẦN ĐÚNG xC A1 A O kA2 kx2 mv2 Lúc đầu cơ năng dao động là W W 0 0 do ma sát nên cơ năng giảm dần và 2 2 2 2 kxC cuối cùng nó dừng lại ở li độ xC rất gần vị trí cân bằng ( W 0 ). C 2 Gọi S là tổng quãng đường đi được kể từ lúc bắt đầu dao động cho đến khi dừng hẳn, theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng thì độ giảm cơ năng (W – W C) đúng bằng công của lực ma sát (Ams = FmsS). W W W F S E5FC ms F 0 ms (Fms = µ.mg (nếu dao động phương ngang), F ms = µmgcosα(nếu dao động phương xiên góc ω với µ là hệ số ma sát). Ví dụ 1: Một vật khối lượng 100 (g) gắn với một lò xo có độ cứng 100 N/m, vật chỉ dao động được trên trục Ox nằm ngang trùng với trục của lò xo. Ban đầu, kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng 8 (cm) rồi truyền cho vật vận tốc 60 cm/s hướng theo phương Ox. Trong quá hình dao động vật luôn chịu tác dụng một lực cản không đổi 0,02 N. Tổng chiều dài quãng đường mà vật đi được từ lúc bắt đầu dao động cho tới lúc dừng lại. A. 15,6 m. B. 9,16 m. C. 16,9 m. D. 15 m. Hướng dẫn 2 2 kx0 mv0 2 2 W 100.0,08 0,1.0,6 S 2 2 16,9 m Chọn C. Fms FC 2.0,02 309
8. Ví dụ 2: Một vật nhỏ đang dao động điều hòa dọc theo một trục nằm trên mặt phẳng ngang trên đệm không khí có li độ x 2 2 cos 10 t / 2 cm (t đo bằng giây). Lấy gia tốc trọng trường g = 10 m/s2. Nếu tại thời điểm t = 0, đệm không khí ngừng hoạt động, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng là 0,1 thì vật sẽ đi thêm được tổng quãng đường là bao nhiêu? A. 15 cm. B. 16 cm. C. 18 cm. D. 40 cm. Hướng dẫn 2 2 m A 2 2 2 2 10 0,02 2 W 2  A S 2 0,4 m Chọn D. Fms mg 2g 2.0,1. Ví dụ 3: Một con lắc lò xo có độ cứng 62,5 N/m, vật nặng có khối lượng m = 100 g dao động trên mặt phẳng nằm ngang, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là µ = 0,1; lấy g = 10m/s 2. Kéo vật khỏi vị trí cân bằng một đoạn A rồi thả nhẹ. Quãng đường mà vật đã đi cho đến khi dừng hẳn là 2,4 m. Giá trị của A là A. 8 cm. B. 10 cm. C. 8,8 cm. D. 7,6 cm. Hướng dẫn : kA2 62,5A2 mgS 0,1.0,1.10.2,4 A 0,088 m Chọn C 2 2 Chú ý: + Phần trăm cơ năng của con lắc bị mất đi trong một dao động toàn phần: kA2 kA '2 A A ' A A ' W W W ' E5555F E5555F 2A. A A 2 2 2A A 2. W W kA2 A2 A2 A 2 A (với là là phần trăn biên độ bị giảm sau một dao động toàn phần). A A A + Phần trăm biên độ bị giảm sau n chu kì: h n . na A A + Phần trăm biên độ còn lai sau n chu kì: n 1 h . A na 2 Wn An + Phần trăm cơ năng còn lại sau n chu kì: hnw W A W W + Phần trăm cơ năng bị mất (chuyển thành nhiệt) sau n chu kì: n 1 h . W nw + Phần cơ năng còn lại sau n chu là: Wn hnw W và phần đã bị mất tương ứng: Wn 1 hnw W. Ví dụ 4: Một con lắc dao động tắt dần trong môi trường với lực ma sát rất nhỏ. Cứ sau mỗi chu kì, phần năng lượng của con lắc bị mất đi 8%. Trong một dao động toàn phần biên độ giảm đi bao nhiêu phần trăm? A. 2,8%T B. 4%. C. 6%. D. 1,6%. Hướng dẫn 310
9. kA2 kA '2 W W W ' A A ' A A ' 2A. A 2. A 2 2 8% W W kA2 A2 A2 A 2 A 4% Chọn B. A Ví dụ 5: Một con lắc lò xo đang dao động tắt dần, sau ba chu kỳ đầu tiên biên độ của nó giảm đi 10%. Phần trăm cơ năng còn lại sau khoảng thời gian đó là: A. 6,3%. B. 81% . C. 19%. D. 27%. Hướng dẫn A A3 A3 10% 90% A A 2 Chọn B. W3 A3 2 0,9 0,81 81% W A Ví dụ 6: (THPTQG − 2017) Một con lắc lò xo dao động tắt dần trên mặt phẳng nằm ngang. Cứ sau mỗi chu kì biên độ giảm 2%. Gốc thế năng tại vị trí của vật mà lò xo không biến dạng. Phần trăm cơ năng của con lắc bị mất đi trong hai dao động toàn phần liên tiếp có giá trị gần nhất với giá trị nào sau đây? A. 4%. B. 10%. C. 8%. D. 7%. Hướng dẫn 2 * Ban đầu biên độ là A thì sau T và 2T biên độ lần lượt là: A1 = 0,98A và A2 = 0,98 A. W 0,5kA2 * Phần trăm còn lại: 2 2 0,984 = 0,92 = 92% W 0,5kA2 => Phần trăm bị mất 8% => Chọn C. Ví dụ 7: Một con lắc lò xo đang dao động tắt dần, cơ năng ban đầu của nó là 5 J. Sau ba chu kỳ kể từ lúc bắt đầu dao động thì biên độ của nó giảm đi 18%. Phần cơ năng của con lắc chuyển hoá thành nhiệt năng tính trung bình trong mỗi chu kỳ dao động của nó là: A. 0,365 J. B. 0,546 J. C. 0,600 J. D. 0,445 J. Hướng dẫn 2 W ' A ' 2 100% 18% 0,82 W ' 3,362 J W A Chọn B. W 5 3,362 0546 J 3 3 Chú ý: + Ta chỉ xét dao động tắt dần chậm nên độ giảm biên độ sau một chu kì rất nhỏ: A A A' A A' 2A + Độ giảm cơ năng sau một chu kì bằng công của lực ma sát thực hiện trong chu kì đó: kA2 kA '2 k 4F F .4A A A ' . A A ' F .4A A ms A 2 2 ms 2 ms k 4F + Độ giảm biên độ sau mỗi chu kỳ: A ms k 311
10. A 2F + Độ giảm biên độ sau nửa chu kì: ms . 2 k + Biên độ dao động còn lại sau n chu kì: An A n A A + Tổng số dao động thưc hiện được: N A + Thời gian dao động: Δt = N.T. Ví dụ 8 : Con lắc lò xo dao động theo phương ngang, lò xo nhẹ có độ cứng 100 N/m, vật nhỏ dao động có khối lượng 100 g, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,01. Tính độ giảm biên độ mỗi lần vật qua vị trí cân bằng, A. 0,04 mm. B. 0,02 mm. C. 0,4 mm. D. 0,2 mm. Hướng dẫn Độ giảm cơ năng sau một chu kì bằng công của lực ma sát thực hiện trong chu kì đó: kA2 kA '2 k 2F 4mg F .4A A A ' . A A ' F .4A A ms 2 2 ms 2 ms k k Độ giảm biên độ sau mỗi lần qua VTCB là: A 2mg 2.0,01.0,1.10 0,2.10 3 m Chọn D. 2 k 100 Ví dụ 9: Một vật khối lượng 100 (g) nối với một lò xo có độ cứng 80 (N/m). Đầu còn lại của lò xo gắn cố định, sao cho vật có thể dao động trên mặt phẳng nằm ngang. Người ta kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng đoạn 3 cm và truyền cho nó vận tốc 80 2 cm/s. Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Khi hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nằm ngang là 0,05. Biên độ dao động của vật sau 5 chu kì dao động là A. 2 cm. B. 2,75 cm. C. 4,5 cm. D. 3,75 cm. Hướng dẫn v2 vm2 Biên độ dao động: A x2 0 x2 0 0,05 m 0 2 0 k Độ giảm biên độ sau mỗi chu kì: 4F 4mg 4.0,05.0,1.10 A ms 0,0025 m 0,25 cm k k 80 Biên độ dao động của vật sau 5 chu kỳ dao động là : A5 A 5. A 5 5.0,25 3,75cm Chọn D. Ví dụ 10: Một con lắc lò xo, vật nặng có khối lượng 100 (g), lò xo có độ cứng 100 N/m, dao động trên mặt phẳng ngang với biên độ ban đầu 10 (cm). Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,1. Số dao động thực hiện được kể từ lúc dao động cho đến lúc dừng lại là A. 25. B. 50. C. 30. D. 20. Hướng dẫn 4F 4mg Độ giảm biên đô sau mỗi chu kì: A ms k k A kA 100.0,1 Tổng số dao động thực hiện được: N 25 Chọn A. A 4mg 4.0,1.0,1.10 Ví dụ 11: Một con lắc lò xo gồm vật có khối lượng 200 g, lò xo có khối lượng không đáng kể, độ cứng 80 N/m; đặt trên mặt sàn nằm ngang. Người ta kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng đoạn 3 cm và 312
11. truyền cho nó vận tốc 80 cm/s. Cho g = 10 m/s 2. Do có lực ma sát nên vật dao động tắt dần, sau khi thực hiện được 10 dao động vật dừng lại. Hệ số ma sát giữa vật và sàn là A. 0,04 B. 0,15. C. 0,10. D. 0,05. Hướng dẫn v2 mv2 Biên độ dao động lức đầu: A x2 0 x2 0 0,05 m 0 2 0 k Tổng số dao động thực hiện được: A kA kA 80.0,05 N  0,05 Chọn D. A 4mg 4Nmg 4.10.0,2.10 Ví dụ 12: Một con lắc lò xo thẳng đứng gồm lò xo nhẹ có độ cứng k = 100 N/m, một đầu cố định, một đầu gắn vật nặng khối lượng m = 0,5 kg. Ban đầu kéo vật theo phương thẳng đứng khỏi vị trí cân bằng 5 cm rồi buông nhẹ cho vật dao động. Trong quá trình dao động vật luôn chịu tác dụng của lực cản có độ lớn bằng 1/100 trọng lực tác dụng lên vật. Coi biên độ của vật giảm đều trong từng chu kì, lấy g = 10 m/s2. Số lần vật qua vị trí cân bằng kể từ khi thả vật đến khi nó dừng hẳn là bao nhiêu? A. 25. B. 50 C. 30 D. 20 Hướng dẫn 4F 4.0,01mg Độ giảm biên độ sau một chu kì : A ms k k A kA 100.0,05 Tổng số dao động thực hiện được : N 25 A 4Fms 4.0,01.0,5.10 Tổng số lần đi qua vị trí cân bằng : 25.2 = 50 => Chọn B. Ví dụ 13: Một con lắc lò xo, vật nặng có khối lượng 100 (g), lò xo có độ cứng 100 N/m, dao động trên mặt phẳng ngang với biên độ ban đầu 10 (cm). Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,1. Tìm thời gian từ lúc dao động cho đến lúc dừng lại. A. 5 s. B. 3 s. C. 6 s. D. 4 s. Hướng dẫn 4F 4mg Độ giảm biên độ sau mỗi chu kỳ: A ms k k A kA Tổng số dao động thực hiện được: N A 4mg Thời gian dao động: kA m A k .0,1 100 t NT .2 5 s Chọn A. 4mg k 2g m 2.0,1.10 0,1 Ví dụ 14: Một con lắc lò xo gồm lò xo có hệ số đàn hồi 60 (N/m) và quả cầu có khối lượng 60 (g), dao động trong một chất lỏng với biên độ ban đầu 12 (cm). Trong quá trình dao động con lắc luôn chịu tác dụng của một lực cản có độ lớn không đổi. Khoảng thời gian từ lúc dao động cho đến khi dừng hẳn là 20 s. Độ lớn lực cản là A. 0,002 N. B. 0,003 N. C. 0,018 N. D. 0,005 N. Hướng dẫn 4F Độ giảm biên độ sau mỗi chu kì: A ms k 313
12. A kA Tổng số dao động thực hiện được: N A 4Fms kA m Thời gian dao động: t N.T .2 4Fms k kA m 60.0,12 0,06 F .2 .2 0,018 N Chọn C ms 4 t k 4.20 60 Chú ý: Tổng quãng đường và tổng thời gian từ lúc bắt đầu dao động cho đến khi dừng hẳn lần W kA2 S F 2.F lượt là: ms ms A kA 2 t NT .T . A 4Fms  S A Do đó, tốc đô trung bình trong cả quá trình dao động: v t Ví dụ 15: Một vật nhỏ nối với một lò xo nhẹ, hệ dao động trên mặt phẳng ngang. Từ vị trí cân bằng truyền cho vật vận tốc ban đầu 2 (m/s) theo phương ngang thì vật dao động tắt dần. Tốc độ trung bình trong suốt quá trình vật dao động là A. 72,8 (m/s). B. 54,3 (m/s). C. 63,7 (cm/s). D. 34,6 (m/s). Hướng dẫn Tốc độ trung bình trong cả quá trình dao động tắt dần: A 200 v 63,7 cm / s Chọn C. Ví dụ 16: Một vật nhỏ dao động điều hòa trên mặt phẳng ngang nhờ đệm từ trường với tốc độ trung bình trong một chu kì là v. Đúng thời điểm t = 0, tốc độ của vật bằng 0 thì đệm từ trường bị mất do ma sát trượt nhỏ nên vật dao động tắt dần chậm cho đến khi dừng hẳn. Tốc độ trung bình của vật từ lúc t = 0 đến khi dùng hẳn là 100 (cm/s). Giá trị v bằng A. 0,25 (m/s). B. 200 (cm/s). C. 100 (cm/s). D. 0,5 (m/s). Hướng dẫn 2 Tốc TB sau một chu k ì của dao động điều hòa là: vT A 1 Tốc TB trong cả quá tr ì nh của dao động tắt dần là : vtd A. vT 2vtd 200 cm / s Chọn B II − KHẢO SÁT CHỈ TIẾT 1. DAO ĐỘNG THEO PHƯƠNG NGANG Bài toán tổng quát: Cho cơ hệ nhu hình vẽ, lúc đầu giữ vật ở P rồi thà nhẹ thì vật dao động tắt dần. Tìm vị trí vật đạt tốc độ cực đại và giá trị vận tốc cực đại. A1 A x x A Q 1 1 I P x I/ O I Cách 1: 314
13. Ngay sau khi bắt đầu dao động lực kéo về có độ lớn cực đại (F = kA) lớn hơn lực ma sát max trượt (Fms = µmg) nên hợp lực ( Fh Fkv Fms ) hướng về O làm cho vật chuyển động nhanh dần về O. Trong quá trình này, độ lớn lực kéo về giảm dần trong khi độ lớn lực ma sát trượt không thay đổi nên độ lớn hợp lực giảm dần. Đến vị trí I, lực kéo về cân bằng với lực ma sát trượt nên và vật đạt tốc độ cực đại tại điểm này. F umg Ta có: kx F x ms 1 ms 1 k k Quãng đường đi được: A1 A x1 Để tìm tốc độ cực đại tại I, ta áp dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Độ giảm cơ năng đúng bằng công của lực ma sát. 2 2 2 kA kxI mvI k 2 2 2 WP WQ Fms AI kxI A xI A 2AxI xI vI 2 2 2 m k v A x A I m I I “Mẹo” nhớ nhanh, khi vật bắt đầu xuất phát từ P thì có thể xem I là tâm dao động tức thời và biên độ là AI nên tốc độ cực đại: vI AI . Tương tự, khi vật xuất phát từ Q thì I’ là tâm dao động tức thời. Để tính xI ta nhớ: “Độ lởn lực kéo về = Độ lớn lực ma sát trượt”. Cách 2: Khi không có ma sát, vật dao động điều hòa xung quanh vị trí cân bằng O. Khi có thêm lực ma sát thì có thể xem lực ma sát làm thay đổi vị trí cân bằng. Xét quá trình chuyển động từ A sang A’, lực ma sát có hướng ngược lại nên nó làm dịch vị trí F mg cân bằng đến I sao cho x ms biện độ I A x A 2x I k k I I I I A A / 1 A / x1 x A1 I 0 I A2 II A1 A2 Quá trình chuyển động từ A1 sang A thì vị trí cân bằng dịch đến I’, biên độ AI' A1 x1 và tốc độ cực đại tại I’ là vI' AI' . Sau đó nó chuyển động chậm dần và dừng lại ở điểm A2 đối xứng với A1 qua I’. Do đó, li độ cực đại so với O là A2 AI' xI A1 2xI A 2.2xI . Khảo sát quá trình tiếp theo hoàn toàn tương tự. 315
14. Như vậy, cứ sau mỗi nửa chu kì (sau mỗi lần qua O) biên độ so với O giảm đi một lượng A1 A A 1 2 A A 2. A 2 1 2 2Fms 2mg A 1 2xI A3 A 3. A 1 2 k k 2 An A n. A 1 2 T T T Quãng đường đi được sau thời gian ;2. N. lần lượt là: 2 2 2 T t : S A A 2 1 T t 2 : S A 2A A 2 1 2 T t 3. : S A 2A1 2A2 A3 2 T t n : S A 2A 2A 2A A 2 1 2 n 1 n Chú ý: Ta có thể chứng minh khi có lực ma sát thì tâm dao động bị dịch chuyển theo F Phương của lực ma sát một đoạn ms như sau: k F y x ms F Fms k Fms k 2 a x '' x k  y''  y y AI cos t 2 m m k m Ví dụ 1: Một con lắc lò xo có độ cứng k = 2 N/m, khối lượng m = 80 g dao động tắt dần trên mặt phẳng nằm ngang do ma sát, hệ số ma sát µ= 0,1. Ban đầu kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng một đoạn 10 cm rồi thả nhẹ. Cho gia tốc trọng trường g = 10 m/s 2. Thế năng của vật ở vị trí mà tại đó vật có vận tốc lớn nhất là A. 0,16 mJ. B. 0,16 J. C. 1,6 J. D. 1,6 mJ. Hướng dẫn mg 0,1.0,08.10 kx mg x 0,04 m I I k 2 kx2 2.0,042 Thế năng đàn hồi của lò xo ở I: W I 1,6.10 3 J Chọn D. t 2 2 Ví dụ 2: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ khối lượng 0,02 kg và lò xo có độ cứng 1 N/m. Vật nhỏ được đặt trên giá đỡ cố định nằm ngang dọc theo trục lò xo. Hệ số ma sát trượt giữa giá đỡ và vật nhỏ là 0,1. Ban đầu giữ vật ở vị trí lò xo bị nén 12 cm rồi buông nhẹ để con lắc dao động tắt dần. Lấy g = 10 m/s2. Tốc độ lớn nhất vật nhỏ đạt được trong quá trình dao động là A. 10 30cm / s. B. 25 6cm / s. C. 50 2cm / s. D. 50 3cm / s Hướng dẫn 316
15. F mg 0,1.0,02.10 kx F x ms 0,02 m 2 cm I ms I k k 1 AI A xI 12 2 10 cm k 1 rad cm  5 2 vI AI 50 2 Chọn C/ m 0,02 s s Ví dụ 3: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ khối lượng 0,1 kg và lò xo có độ cứng 10 N/m. Vật nhỏ được đặt trên giá đỡ cố định nằm ngang dọc theo trục lò xo. Hệ số ma sát trượt giữa giá đỡ và vật nhỏ là 0,1. Ban đầu giữ vật ở vị trí lò xo bị nén một đoạn A rồi buông nhẹ để con lắc dao động tắt dần. Lấy g = 10 m/s2. Tốc độ lớn nhất vật nhỏ đạt được trong quá trình dao động là 60 cm/s. Tính A. A. 4 3 cm. B. 4 6 cm. C. 7 cm. D. 6 cm. Hướng dẫn F mg 0,1.0,1.10 x ms 0,01 m 1 cm I k k 10 k 10  10 rad / s m 0,1 v v A A 1 6 cm A x A 7 cm Chọn C 1 1 1  1 1 Ví dụ 4: Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ khối lượng 0,02 kg và lò xo có độ cứng 1 N/m. Vật nhỏ được đặt trên giá đỡ cố định nằm ngang dọc theo trục lò xo. Hệ số ma sát trượt giữa giá đỡ và vật nhỏ là 0,1. Ban đầu giữ vật ở vị trí lò xo bị nén 10 cm rồi buông nhẹ để con lắc dao động tắt dần. Lấy g = 10 m/s2. Tính vận tốc cực đại mà vật đạt được trong quá trình dao động và quãng đường mà vật đi được từ khi bắt đầu dao động đến khi động năng bằng thế năng lần đầu tiên. A. 40 2 cm/s; 3,43 cm. B. 40 2 cm/s; 7,07 cm. C. 40 2 cm/s; 25 cm. D. 20 2 cm/s; 25 cm. Hướng dẫn Khi xuất phát từ P, đến E là lần đầu tiên động / x P E I O I năng bằng thế năng và đến I’ là lần đầu tiên vận x tốc cực đại. I x F E x ms 0,02 m 1 k k v A A x 0,4 2 m / s I' I' m I Khi đi từ P đến E, độ giảm cơ năng đúng bằng công của lực ma sát 2 2 2 kA kxE kxE WP WE Fms A xE mg A xE E5F 2 2 2 kx2 mv2 E E 2 2 xE 0,0657 m s A xE 0,0343 m Chọn A. Chú ý: F Tai I, lực hồi phục cân bằng với lực cản: kx F x C C I k 317