Các bài toán liên quan đến thời gian chuyển động trong Dao động điện từ môn Vật lý 12

CÁC BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN THỜI GIAN CHUYỂN ĐỘNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

1. Phương pháp giải

Cần phải vận dụng tính tương tự giữa điện và cơ

Đại lượng cơ	Đại lượng điện
Tọa độ              x	q          điện tích
Vận tốc             v	i     cường độ dòng điện
Khối lượng      m	L     độ tự cảm
Độ cứng            k	\(\frac{1}{C}\)      nghịch đảo điện dung
Lực                   F	u     hiệu điện thế

Khi vật qua VTCB x = 0 thì vận tốc đạt cực đại vmax, ngược lại khi ở biên, xmax = A, v = 0.

Tương tự, khi q = 0 thì i = I0 và khi i = 0 thì q = Q0.

Đặc biệt nên vận dụng sự tương quan giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều để giải quyết các bài toán liên quan đến thời gian chuyển động.

2. Bài tập áp dụng

Câu 1

Mạch dao động lí tưởng gồm cuộn dây có độ tự cảm L = 0,2H và tụ điện có điện dung C = 20F. Người ta tích điện cho tụ điện đến hiệu điện thế cực đại U0 = 4V. Chọn thời điểm ban đầu (t = 0) là lúc tụ điện bắt đầu phóng điện. Viết biểu thức tức thời của điện tích q trên bản tụ điện mà ở thời điểm ban đầu nó tích điện dương. Tính năng lượng điện trường tại thời điểm \({\rm{t}} = \frac{{\rm{T}}}{{\rm{8}}}\) , T là chu kì dao động.

Giải:

Điện tích tức thời

\(q = {Q_0}\cos (\omega t + \phi )\)

Trong đó

\(\begin{array}{l} \omega = \frac{1}{{\sqrt {LC} }} = \frac{1}{{\sqrt {0,{{2.20.10}^{ - 6}}} }} = 500rad/s\\ {Q_0} = C{U_0} = {20.10^{ - 6}}.4 = {8.10^{ - 5}}C\\ Khi\,\,t = 0:\\ q = {Q_0}\cos \phi = + {Q_0}\,\,\,\\ \Rightarrow \,\,\,\cos \phi = 1\,\,\,hay\,\,\,\phi = 0 \end{array}\)

Vậy phương trình cần tìm: q = 8.10-5cos500t (C)

Năng lượng điện trường

\({W_d} = \frac{1}{2}\frac{{{q^2}}}{C}\)

Vào thời điểm  \({\rm{t}} = \frac{{\rm{T}}}{{\rm{8}}}\), điện tích của tụ điện bằng \(q = {Q_0}\cos \frac{{2\pi }}{T}.\frac{T}{8} = \frac{{{Q_0}}}{{\sqrt 2 }}\) ,

thay vào ta tính được năng lượng điện trường

\({W_d} = \frac{1}{2}\frac{{{{\left( {\frac{{8.1{0^{ - 5}}}}{{\sqrt 2 }}} \right)}^2}}}{{20.1{0^{ - 6}}}} = 80.1{0^{ - 6}}J\,\,\)

Câu 2

Mạch dao động LC lí tưởng thực hiện dao động điện từ. Hãy xác định khoảng thời gian, giữa hai lần liên tiếp, năng lượng điện trường trên tụ điện bằng năng lượng từ trường trong cuộn dây.

Giải:

Khi năng lượng điện trường trên tụ bằng năng lượng từ trường trong cuộn dây, ta có:

\(\begin{array}{l} {W_d} = {W_t} = \frac{1}{2}W\\ hay\,\,\,\frac{1}{2}\frac{{{q^2}}}{C} = \frac{1}{2}\left( {\frac{1}{2}\frac{{Q_0^2}}{C}} \right)\,\,\,\,\\ \Rightarrow \,\,\,\,q = \pm {Q_0}\frac{{\sqrt 2 }}{2} \end{array}\)

Với hai vị trí li độ \(q = \pm {Q_0}\frac{{\sqrt 2 }}{2}\) trên trục Oq, tương ứng với 4 vị trí trên đường tròn, các vị trí này cách đều nhau bởi các cung \(\frac{\pi }{2}\) .

Có nghĩa là, sau hai lần liên tiếp Wđ = Wt, pha dao động đã biến thiên được một lượng là: \(\frac{\pi }{2} = \frac{{2\pi }}{4}\,\, \leftrightarrow \,\,\frac{T}{4}\)

(Pha dao động biến thiên được 2 sau thời gian một chu kì T)

Tóm lại, cứ sau thời gian  \(\frac{T}{4}\) năng lượng điện lại bằng năng lượng từ.

Câu 3

Trong một mạch dao động, điện tích của tụ điện biến thiên theo quy luật: q = 2,5.10-6cos(2.103t)(C).

1. Viết biểu thức cường độ dòng điện tức thời trong mạch.
2. Tính năng lượng điện từ và tần số dao động của mạch. Tính độ tự cảm của cuộn dây, biết điện dung của tụ điện là 0,25F.

Giải:

Biểu thức cường độ dòng điện trong mạch:

\(i = \frac{{dq}}{{dt}} = - {2.10^3}.2,{5.10^{ - 6}}\sin ({2.10^3}\pi t)\,(A)\)

 hay có thể viết dưới dạng:

\(i = 5.1{0^{ - 3}}cos(2.1{0^3}\pi t + \frac{\pi }{2})\,(A)\)

Năng lượng điện từ

\(\begin{array}{l} W = \frac{1}{2}\frac{{Q_0^2}}{C} = \frac{1}{2}\frac{{{{\left( {2,{{5.10}^{ - 6}}} \right)}^2}}}{{0,{{25.10}^{ - 6}}}} = 12,{5.10^{ - 6}}J\,\,\,\\ hay\,\,\,W = 12,5\mu J \end{array}\)

Độ tự cảm của cuộn dây

Từ công thức tính tần số góc : \(\omega = \frac{1}{{\sqrt {LC} }}\) , suy ra L

...

---Để xem tiếp nội dung các bài tập phần Vận dụng, các em vui lòng đăng nhập vào trang hoc247.net để xem online hoặc tải về máy tính---

 

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Các bài toán liên quan đến thời gian chuyển động trong Dao động điện từ môn Vật lý 12 năm học 2019-2020. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập .

Các em quan tâm có thể tham khảo thêm các tài liệu cùng chuyên mục:

• 20 câu hỏi trắc nghiệm về năng lượng của vật DĐĐH môn Vật lý 12 năm 2020

• Rèn luyện kỹ năng lập phương trình Dao động điều hòa Vật lý 12

• Bài tập và công thức tính nhanh về Con lắc lò xo, Con lắc đơn trong DĐĐH

Chúc các em học tập tốt !