Giải SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Dao động điều hoà

Dụng cụ: một lò xo, một quả cầu nhỏ bằng kim loại, sợi dây và giá thí nghiệm

Tiến hành:

- Bước 1: Gắn quả cầu vào sợi dây

+ Sử dụng sợi dây để gắn quả cầu vào, đảm bảo rằng quả cầu được gắn chặt vào dây.

- Bước 2: Treo lò xo và quả cầu lên giá thí nghiệm

+ Gắn sợi dây vào đầu lò xo, sau đó treo lò xo và quả cầu lên giá thí nghiệm.

- Bước 3: Kéo quả cầu lên và thả nó

+ Kéo quả cầu lên và thả nó, đảm bảo rằng quả cầu được thả từ vị trí tĩnh và không có lực ngoài tác động vào nó.

- Bước 4: Quan sát và đo chu kỳ dao động

+ Quan sát quả cầu dao động và đo thời gian để hoàn thành một chu kỳ dao động.

+ Đo độ lệch của quả cầu so với vị trí cân bằng để tính toán biên độ của dao động.

Câu hỏi 2 (trang 7) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Nêu ví dụ về dao động mà bạn quan sát được trong thực tế

Trả lời:

- Dây đàn ghita dao động sau khi gảy, màng trống dao động sau khi gõ vào, con lắc đồng hồ dao động, âm thoa dao động sau khi gõ vào, thuyền dao động (nhấp nhô lên xuống tại chỗ) trên mặt nước, …

2. Dao dộng tự do

Câu hỏi 3 (trang 8) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Với một cái thước mỏng đàn hồi, hãy đề xuất phương án tạo ra dao động tự do của thước và mô tả cách làm.

Trả lời:

Bố trí thí nghiệm như hình trên:

- Một đầu thước đặt trên mặt bàn, dùng một tay giữ chặt đầu thước đó lại.

- Dùng tay còn lại gẩy mạnh đầu còn lại của thước.

Ta thấy đầu thước tự do dao động quay vị trí cân bằng. Gẩy càng mạnh thì thước dao động càng mạnh và ngược lại.

Luyện tập 1 (trang 8) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Nếu bỏ qua lực cản, chuyển động nào sau đây là dao động tự do?

A. Một con muỗi đang đập cánh.

B. Tòa nhà rung chuyển trong trận động đất.

C. Mặt trống rung động sau khi gỗ.

D. Bông hoa rung rinh trong gió nhẹ.

Đáp án: C. Mặt trống rung động sau khi gỗ.

3. Biên độ, chu kì, tần số của dao 

Câu hỏi 4 (trang 9) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Từ đồ thị Hình 1.7, mô tả sự thay đổi li độ của xe theo thời gian

Trả lời:

- Đồ thị là đồ thị hàm sin. Vật bắt đầu chuyển động tại vị trí có li độ lớn nhất, sau đó li độ giảm dần đến 0 rồi đến li độ nhỏ nhất. Li độ từ giá trị nhỏ nhất lại tăng dần đến 0 rồi đến giá trị lớn nhất. Sau đó, quá trình lặp lại, li độ từ giá trị lớn nhất giảm dần, … Sự thay đổi diễn ra tuần hoàn, theo chu kì.

Câu hỏi 5 (trang 10) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Tìm mối liên hệ giữa chu kì T và tần số f của dao động.

Ta đã biết:

T: chu kì là khoảng thời gian để vật thực hiện được một dao động.

f: tần số là số dao động vật thực hiện được trong một giây.

⇒ $\Rightarrow f=\frac{1}{T}$

Luyện tập 2 (trang 10) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Xác định biên độ, chu kì và tần số của dao động có đồ thị li độ – thời gian được biểu diễn ở Hình 1.9.

Lời giải:

Biên độ: A = 10 cm 

Chu kì: T = 120 s

Tần số: $\Rightarrow f=\frac{1}{T}=\frac{1}{120}(Hz)$

Vận dụng (trang 10) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Tim co bóp theo nhịp do được điều khiển bằng một hệ thống các xung điện dẫn truyền trong cơ tim. Máy điện tim ghi nhận những xung điện này và hiển thị dưới dạng đường điện tâm đồ. Đó là những đường gấp khúc, lên xuống biến thiên theo nhịp co bóp của tim.

Dựa vào hình ảnh điện tâm đồ ở Hình 1.10, xác định chu kì đập của tim. Biết rằng mỗi khoảng vuông (theo chiều ngang) tương ứng với khoảng thời gian 0,12 s.

Lời giải:

Xác định chu kì T dựa vào việc tính độ dài từ A đến B.

Từ A đến B có xấp xỉ 7,5 ô vuông.

Suy ra chu kì T = 7,5.0,12 = 0,9 s

II. Dao động điều hoà

1. Định nghĩa

Câu hỏi 6 (trang 11) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Thế nào là dao động điều hoà?

Trả lời:

- Dao động điều hoà là dao động trong đó li độ của vật là một hàm côsin (hoặc sin) của thời gian, được biểu diễn dưới dạng x = Acos(ωt + φ).

2. Tần số góc

Câu hỏi 7 (trang 11) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Tần số góc và tần số của dao động điều hoà có liên hệ như thế nào?

Trả lời:

- Mối liên hệ giữa tần số, chu kì, tần số góc trong dao động điều hòa: $\omega =2\pi f=\frac{2\pi }{T}$

3. Vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa 

Câu hỏi 8 (trang 12) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Dựa vào đồ thị Hình 1.12, xác định các đại lượng sau:

a. Tần số góc của dao động.

b. Biên độ của dao động.

c. Vận tốc cực đại của vật dao động.

d. Gia tốc cực đại của vật dao động.

Trả lời:

4. Pha của dao động và độ lệch pha 

Câu hỏi 9 (trang 14) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Xác định pha của dao động tại vị trí 3 và vị trí 4

Trả lời:

Luyện tập 3 (trang 14) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Một vật dao động điều hòa với phương trình li độ: $x=5cos(10\pi t+\frac{\pi }{2})(cm)$. Xác định pha của dao động tại thời điểm $\frac{1}{30}s$

Lời giải:

Pha của dao động tại thời điểm $\frac{1}{30}s$ là: 

$10\pi t+\frac{\pi }{2}=10\pi .\frac{1}{30}+\frac{\pi }{2}=\frac{5\pi }{6}(rad)$

Luyện tập 4 (trang 15) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Mô tả trạng thái của hai vật dao động ở thời điểm t₃ và t₄, trong đồ thị Hình 1.14.

Lời giải:

- Tại thời điểm t₃ cả 2 vật dao động đều có li độ bằng 0 (ở VTCB) và di chuyển theo chiều âm (đi ra biên âm).

- Tại thời điểm t₄ cả 2 vật dao động đều ở biên âm (tương ứng với dao động của chúng) và đang chuyển động hướng về VTCB.

Nhận xét: hai dao động trên cùng pha.

Luyện tập 5 (trang 16) SGK Vật Lí 11 Cánh diều Bài 1: Đồ thị Hình 1.18 biểu diễn hai dao động ngược pha. Dựa vào đồ thị, xác định độ lệch pha của hai dao động này.

Lời giải:

Hai dao động cùng chu kì dao động là T

Độ lệch thời gian của hai dao động khi cùng trạng thái là: $\frac{T}{2}$

Độ lệch pha của hai dao động: dao động $\Delta \varphi =\frac{\Delta _{t}}{T}=\frac{\frac{T}{2}}{T}=\frac{1}{2}$ dao động

Một dao động tương ứng với  2π(rad) $\Rightarrow \Delta \varphi =\frac{1}{2}.2\pi =\pi$