Một con lắc đơn lớn được treo ở sảnh của toà nhà Liên Hợp Quốc tại thành phố New York, Mỹ. Quả cầu có khối lượng 91 kg và sợi dây treo dài 22,9 m. Con lắc liên tục dao động với chu kì 9,6 s. Khi con lắc đơn dao động, nó có những dạng năng lương nào? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu qua bài học dưới đây Bài 3: Năng lượng trong dao động điều hoà trong chương trình Vật lí 11 Cánh Diều. Mời các em cùng theo dõi.
Tóm tắt lý thuyết
1.1. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà
Hình 3.1. Dao dộng của con lắc đơn
· Chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng của quả cầu. Cơ năng của con lắc đơn là tổng động năng và thế năng:
\({\rm{W}} = {{\rm{W}}_d} + {{\rm{W}}_t} = \frac{1}{2}m{v^2} + mgh\)
Trong đó: h là độ cao của quả cầu so với vị trí cân bằng.
· Trong quá trình dao động, tốc độ và độ cao của quả cầu thay đổi liên tục theo thời gian, do đó động năng và thế năng của con lắc đơn cũng thay đổi liên tục.
- Ở vị trí biên, vật có li độ cực đại nên thế năng cực đại, động năng bằng 0.
- Khi vật di chuyển từ biên về VTCB thì thế năng giảm dần, động năng tăng dần.
- Ở vị trí cân bằng, vật có tốc độ cực đại nên động năng cực đại, thế năng bằng 0.
- Khi vật di chuyển từ VTCB ra biên thì động năng giảm dần, thế năng tăng dần.
· Nếu như lực cản môi trường không đáng kể, thì không có sự hao phí năng lượng, động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Do đó, cơ năng luôn không đổi.
1.2. Đồ thị năng lượng trong dao động điều hoà
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi động năng, thể năng và cơ năng dao động của con lắc đơn theo li độ
- Động năng đạt cực đại khi vật qua vị trí cân bằng x = 0
- Thế năng đạt cực đại khi vật ở hai vị trí biên
- Ở bất kì vị trí nào, tổng của động năng và thế năng không đổi, tức là cơ năng không đổi.
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi động năng, thể năng và cơ năng dao động của con lắc đơn theo thời gian
- Trong mỗi chu kì dao động, luôn có sự biến đổi qua lại giữa động năng và thế năng: khi động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại nhưng tổng của chúng luôn không đổi.
| • Trong dao động điều hoà có sự biến đổi qua lại giữa động năng và thế năng nhưng tổng của chúng là cơ năng thì không thay đổi. • Động năng của vật đạt giá trị cực đại khi vật ở vị trí cân bằng, lúc đó thế năng của hệ bằng không. • Thế năng đạt giá trị cực đại khi vật ở vị trí biên, lúc đó động năng của vật bằng không. |
Bài tập minh họa
Ví dụ 1: Con lắc lò xo ngang dao động điều hoà, vận tốc của vật bằng không khi vật chuyển động qua
A. vị trí cân bằng.
B. vị trí vật có li độ cực đại.
C. vị trí mà lò xo không bị biến dạng.
D. vị trí mà lực đàn hồi của lò xo bằng không.
Hướng dẫn giải
Con lắc lò xo ngang dao động điều hoà, vận tốc của vật bằng không khi vật chuyển động qua vị trí vật có li độ cực đại.
Đáp án B
Ví dụ 2: Một con lắc lò xo gồm một vật nặng khối lượng 0,4 kg gắn vào đầu lò xo có độ cứng 40 N/m. Người ta kéo quả nặng ra khỏi vị trí cân bằng một đoạn 4 cm rồi thả nhẹ cho nó dao động. Vận tốc cực đại của quả nặng là:
Hướng dẫn giải
\(\omega = \sqrt {\frac{k}{m}} = 10(rad/s)\)
Kéo vật nặng ra khỏi VTCB 4 cm rồi thả nhẹ => A = 4 cm.
=> Vận tốc cực đại của quả nặng là: vmax = A = 40 cm/s.
Luyện tập Bài 3 Vật lý 11 Cánh diều
Học xong bài này các em cần biết:
Sử dụng đồ thị, phân tích và thực hiện phép tính cần thiết để mô tả được sự chuyển hoá động năng và thể nặng trong dao động điều hoà.
3.1. Trắc nghiệm Bài 3 Vật lý 11 Cánh diều
Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lí 11 Cánh diều Bài 3 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết.
Câu 4-10: Mời các em đăng nhập xem tiếp nội dung và thi thử Online để củng cố kiến thức về bài học này nhé!
3.2. Bài tập SGK Bài 3 Vật lý 11 Cánh diều
Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật lí 11 Cánh diều Bài 3 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.
Mở đầu trang 24 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Giải Câu hỏi 1 trang 25 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Giải Câu hỏi 2 trang 25 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Giải Câu hỏi 3 trang 26 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Luyện tập 1 trang 26 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Luyện tập 2 trang 26 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Luyện tập 3 trang 27 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Tìm hiểu thêm trang 27 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Vận dụng trang 27 SGK Vật lí 11 Cánh diều - CD
Hỏi đáp Bài 3 Vật lý 11 Cánh diều
Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!
Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!
-- Mod Vật Lý 11 HỌC247
