Dao động cưỡng bức - cộng hưởng

6. Phân biệt Dao động cưỡng bức và dao động duy trì

    A.  Dao động cưỡng bức với dao động duy trì:

• Giống nhau:

 - Đều xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực. 

 - Dao động cưỡng bức khi cộng hưởng cũng có tần số bằng tần số riêng của vật.

• Khác nhau:

* Dao động cưỡng bức

 - Ngoại lực là bất kỳ, độc lập với vật

 - Sau giai đoạn chuyển tiếp thì dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số f của ngoại lực

 - Biên độ của hệ phụ thuộc vào F₀ và |f – f₀|

* Dao động duy trì

    - Lực được điều khiển bởi chính dao động ấy qua một cơ cấu nào đó

    - Dao động với tần số đúng bằng tần số dao động riêng f₀ của vật

     - Biên độ không thay đổi

    B.  Cộng hưởng với dao động duy trì:

• Giống nhau: Cả hai đều được điều chỉnh để tần số ngoại lực bằng với tần số dao động tự do của hệ.

• Khác nhau:

    * Cộng hưởng

    - Ngoại lực độc lập bên ngoài.

    - Năng lượng hệ nhận được trong mỗi chu kì dao động do công ngoại lực truyền cho lớn hơn năng lượng mà hệ tiêu hao do ma sát trong chu kì đó.

    * Dao động duy trì

    - Ngoại lực được điều khiển bởi chính dao động ấy qua một cơ cấu nào đó.

    - Năng lượng hệ nhận được trong mỗi chu kì dao động do công ngoại lực truyền cho đúng bằng năng lượng mà hệ tiêu hao do ma sát trong chu kì đó. 

VÍ DỤ MINH HỌA:

Ví dụ 1: Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ khối lượng m và lò xo khối lượng không đáng kể có độ cứng 160 N/m. Con lắc dao động cưởng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số f. Biết biên độ của ngoại lực tuần hoàn không đổi. Khi thay đổi f thì biên độ dao động của viên bi thay đổi và khi f = 2\(\pi\) Hz thì biên độ dao động của viên bi đạt cực đại. Tính khối lượng của viên bi.

Giải:

Biên độ của dao động cưởng bức đạt cực đại khi tần số của lực cưởng bức bằng tần số riêng của con lắc:

 \(f=f_{0}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{k}{m}}\Rightarrow m=\frac{k}{4\pi ^{2}f^{2}}=0,1kg=100g\)

Ví dụ 2: Một tàu hỏa chạy trên một đường ray, cứ cách khoảng 6,4 m trên đường ray lại có một rãnh nhỏ giữa chổ nối các thanh ray. Chu kì dao động riêng của khung tàu trên các lò xo giảm xóc là 1,6 s. Tàu bị xóc mạnh nhất khi chạy với tốc độ bằng bao nhiêu?

Giải: Tàu bị xóc mạnh nhất khi chu kì kích thích của ngoại lực bằng chu kỳ riêng của khung tàu:

\(T=T_{0}=\frac{L}{v}\Rightarrow v=\frac{L}{T_{0}}=4m/s=14,4km/h\)

Ví dụ 3: Một người xách một xô nước đi trên đường, mỗi bước đi được 50cm. Chu kỳ dao động riêng của nước trong xô là 1s. Nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất khi người đó đi với tốc độ là bao nhiêu?

Giải: Nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khi đó chu kỳ của dao động của người bằng với chu kỳ dao động riêng của nước trong xô \(\Rightarrow\) T = 1(s).Tốc độ đi của ngườilà:

 \(v=\frac{s}{T}=\frac{0,5}{1}=0,5(m/s)\)

Ví dụ 4: Con lắc lò xo gồm vật nặng khối lượng m=100g và lò xo nhẹ có độ cứng k =1N/cm. Tác dụng một ngoại lực cưỡng bức biến thiên điều hòa biên độ F₀ và tần số f₁ =6Hz thì biên độ dao động A₁. Nếu giữ nguyên biên độ F0 mà tăng tần số ngoại lực đến f₂ =7Hz thì biên độ dao động là A₂. So sánh A₁ và A₂:

     A. A₁ > A₂                                                                                         B. Chưa đủ điều kiện để kết luận.

     C. A₁ = A₂                                                                                         D. A₂ > A₁

Giải:

+ Tần số dao động riêng của con lắc: \(f_{0}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{k}{m}}\approx 5\) Hz. ta có:

+ Giữ nguyên biên độ F₀ \(\Rightarrow\) Biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào |f – f₀|

 |f₁ – f₀| =1< |f₂ – f₀| =2 \(\Rightarrow\) f₁ gần f₀ nên A₁ > A_2. Chọn A

TRẮC NGHIỆM

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?

    A.  Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ.

    B.  Biên độ dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng) không phụ thuộc vào lực cản của môi trường.

     C.  Tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy.

     D.  Tần số dao động tự do của một hệ cơ học là tần số dao động riêng của hệ ấy.

Câu 2: Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động

    A.  với tần số bằng tần số dao động riêng.

    B.  mà không chịu ngoại lực tác dụng.

    C.  với tần số lớn hơn tần số dao động riêng.                  

    D.  với tần số nhỏ hơn tần số dao động riêng.

Câu 3: Khi nói về một hệ dao động cưỡng bức ở giai đoạn ổn định, phát biểu nào dưới đây là sai?

    A.  Tần số của hệ dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức.  

    B.  Tần số của hệ dao động cưỡng bức luôn bằng tần số dao động riêng của hệ.

    C.  Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số của ngoại lực cưỡng bức.

    D.  Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc biên độ của ngoại lực cưỡng bức.  

Đáp án: 1A-2A-3A

Bài viết trình bày lý thuyết về dao động cưỡng bức - hiện tượng cộng hưởng và các bài tập có lời giải chi tiết để bạn hiểu sâu hơn lý thuyết và số lượng bài tập tự luận tương đối nhiều. Bạn đọc tải đầy đủ nội dung tại file đính kèm tại đây: