Bài 5: Động năng. Thế năng. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà | Giải bài tập Vật lý 11 | Chương 1: Dao động - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Khởi động trang 20 Vật Lí 11: Ở lớp 10, khi học về chuyển động của vật, ta đã biết có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng của vật. Vậy trong dao động điều hoà có sự chuyển hoá tương tự không?

Lời giải:

Trong dao động điều hoà có sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng.

Nếu bỏ qua mọi ma sát thì cơ năng của dao động điều hoà bảo toàn, khi động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại.

III. Cơ năng

Hoạt động 1 trang 21 Vật Lí 11: Hình 5.3 là đồ thị động năng và thế năng của một vật dao động điều hoà theo li độ. Hãy phân tích sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng bằng đồ thị.

Lời giải:

- Tại vị trí biên âm, thế năng có độ lớn cực đại và bằng cơ năng trong khi đó động năng bằng 0. Khi vật chuyển động từ biên âm tiến về VTCB thì thế năng giảm dần về 0 (bằng 0 tại VTCB) và động năng tăng đến giá trị cực đại (tại VTCB).

- Khi vật chuyển động từ VTCB ra biên dương thì động năng giảm dần về 0 và thế năng tăng dần đến giá trị cực đại (tại biên dương).

Hoạt động 2 trang 21 Vật Lí 11: Hình 5.4 là đồ thị động năng và thế năng của một vật dao động điều hoà theo thời gian.

a) Động năng và thế năng của vật thay đổi như thế nào trong các khoảng thời gian:

b) Tại các thời điểm: , động năng và thế năng của vật có giá trị như thế nào (tính theo W). Nghiệm lại để thấy ở mỗi thời điểm đó W_đ + W_t = W.

IV. Cơ năng của con lắc đơn và con lắc lò xo

Hoạt động trang 22 Vật Lí 11: Làm thí nghiệm để xác nhận rằng khi góc lệch α₀ ≤ 10° thì chu kì của con lắc đơn gần như không phụ thuộc vào biên độ dao động.

Lời giải:

Học sinh tự thực hiện thí nghiệm kiểm tra và đưa ra được kết luận: Khi góc lệch α₀ ≤ 10° thì chu kì của con lắc đơn gần như không phụ thuộc vào biên độ dao động.

Hoạt động trang 22 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo có độ cứng k và vật nặng có khối lượng m.

1. Tính chu kì T.

2. Đo chu kì T bằng đồng hồ. So sánh hai kết quả thu được với kết quả tính ở Câu 1.

Lời giải:

1. Chu kì

2. Sử dụng một lò xo có độ cứng k (có giá trị cụ thể) và gắn vào một vật có khối lượng m (đã được xác định). Tạo ra dao động điều hoà và dùng đồng hồ bấm giây để xác định chu kì (hoặc có thể sử dụng điện thoại thông minh có phần mềm đo thời gian dao động). Từ đó có thể so sánh được, ta thấy kết quả xấp xỉ nhau.

Câu hỏi 1 trang 23 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo có vật nặng khối lượng 0,4 kg, dao động điều hoà. Đồ thị vận tốc v theo thời gian t như Hình 5.7.

Tính:

a) Vận tốc cực đại của vật;

b) Động năng cực đại của vật;

c) Thế năng cực đại của con lắc;

d) Độ cứng k của lò xo.

Lời giải:

Từ đồ thị xác định được chu kì T = 1,2 s

a) Vận tốc cực đại của vật: vmax = 0,3 cm/s

b) Động năng cực đại

c) Thế năng cực đại = động năng cực đại = 1,8.10-6 J

d) Độ cứng:

Câu hỏi 2 trang 23 Vật Lí 11: Một con lắc lò xo gồm lò xo có độ cứng k = 100 N/m, vật nặng có khối lượng m = 200 g, dao động điều hoà với biên độ A = 5 cm.

a) Xác định li độ của vật tại thời điểm động năng của vật bằng 3 lần thế năng của con lắc.

b) Xác định tốc độ của vật khi vật qua vị trí cân bằng.

c) Xác định thế năng của con lắc khi vật có li độ x = -2,5 cm.

Lời giải:

a) Tại thời điểm động năng của vật bằng 3 lần thế năng của con lắc:

b) Khi qua VTCB:

c) Thế năng của con lắc khi vật có li độ x = -2,5 cm:

Em có thể trang 23 Vật Lí 11: Phân tích sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng trong dao động điều hoà ở một số ví dụ trong đời sống.

Lời giải:

Ví dụ về dao động điều hoà trong đời sống: Con lắc của đồng hồ hồ quả lắc

Khi con lắc ở vị trí biên thì thế năng cực đại, động năng bằng không, khi con lắc tiến về VTCB thì thế năng giảm dần về 0 và động năng tăng dần đến giá trị cực đại. Trong quá trình dao động, thế năng và động năng chuyển hoá qua lại lẫn nhau, nếu bỏ qua mọi ma sát thì tổng động năng và thế năng không đổi.