bài toán về dao động tắt dần

SGK vật lý 12 – Nâng cao đã khảo sát một cách sơ lược dao động tắt dần của một vật dưới tác dụng của ma sát nhớt.. + Nguyên nhân: Khi vật dao động trong môi trường không khí, nước, dầu…

MỞ ĐẦU:

Hãy dừng lại ở trang 1 đã!

Bằng những hiểu biết của mình về dao động tắt dần, hãy giải bài tập sau:

Một con lắc lò xo đặt nằm ngang gồm một vật có khối lượng m = 100g gắn vào 1 lò xo có độ cứng

k = 10N/m Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là 0,1 Ban đầu đưa vật đến vị trí lò xo bị nén một đoạn 7cm và thả ra Tính quãng đường vật đi được cho tới khi dừng lại Lấy g = 10 m/s 2

Có phải kết quả của bạn là 24,5cm không?

Kết quả của tôi tính được là 24cm

Nếu bạn không cùng kết quả với tôi, xin hãy đọc bài viết sau đây Có thể là tôi sai mà chưa phát hiện ra Nhưng cũng có thể là bạn sai Dù thế nào thì tôi cũng rất mong nhận được phản hồi!

ĐẶT VẤN ĐỀ:

Dao động tắt dần là một trong những nội dung khó của chương dao động cơ trong chương trình vật lý

12 SGK vật lý 12 – Nâng cao đã khảo sát một cách sơ lược dao động tắt dần của một vật dưới tác dụng của ma sát nhớt Có thể tóm tắt như sau:

+ Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian

+ Nguyên nhân: Khi vật dao động trong môi trường ( không khí, nước, dầu…) thì các phần tử môi trường đã tác dụng lực cản lên vật ( lực đó gọi là ma sát nhớt) Lực ma sát nhớt làm cho cơ năng của vật dao động chuyển thành nhiệt

+ Dao động tắt dần càng nhanh nếu môi trường càng nhớt

Cái khó khi nghiên cứu về loại dao động này là độ lớn của lực ma sát nhớt phụ thuộc vào tốc độ của vật Khi vật dao động càng đến gần vị trí cân bằng thì lực ma sát nhớt tác dụng vào nó càng lớn

Để viết được phương trình của một vật dao động tắt dần, ta phải lập và giải được phương trình vi phân bậc hai Việc này cần đến các công cụ của toán cao cấp và vượt ra ngoài phạm vi kiến thức toán THPT Chính bởi vậy, khi nói về dao động tắt dần của một vật trong một môi trường, SGK cả cơ bản và nâng cao đã đề cập đến một cách hết sức sơ lược, chủ yếu là nhằm cho HS nắm được khái niệm dao động tắt dần là gì, do nguyên nhân nào gây ra, có ứng dụng gì trong thực tế… mà không đi sâu vào khảo sát định lượng bằng các biểu thức Tôi nghĩ làm như thế là hợp lý, vì việc khảo sát chi tiết loại dao động này khó

và cũng không thực sự cần thiết

Trong bài viết này, tôi cũng nói về dao động tắt dần, nhưng trong một trường hợp , đơn giản hơn Đó

là trường hợp

VẬT DAO ĐỘNG TẮT DẦN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA MỘT LỰC CẢN

CÓ ĐỘ LỚN KHÔNG ĐỔI

(Ví dụ như dao động tắt dần dưới tác dụng của ma sát trượt)

Có nhiều cách để tiếp cận vấn đề Ở đây, tôi sử dụng phương pháp so sánh

Giả sử ta có một con lắc lò xo được đặt trên một mặt sàn nằm ngang Ban đầu, lò xo có chiều dài tự nhiên và vật ở vị trí O Ta kéo vật đến A và thả ra, vật sẽ dao động tắt dần dưới tác dụng của lực ma sát trượt Ta lưu ý là ma sát trượt có độ lớn không phụ thuộc vào tốc độ của vật

Bây giờ ta hãy so sánh chuyển động của vật với một con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng

l0

So sánh hình 1 và hình a

Ở hình a: Vật chuyển động từ A theo phương thẳng đứng đi lên B

Trọng lực P:

+ Có độ lớn không đổi và ngược hướng với chuyển động

+ Không làm ảnh hưởng đến chu kì dao động của con lắc

+ Làm cho vị trí cân bằng của con lắc được kéo xuống một đoạn l0 = mg/k

Ở hình 1: Lực cản F cũng có độ lớn không đổi và ngược hướng chuyển động Vậy nó cũng có vai trò

như trọng lực P ở hình a Vậy tác dụng của lực cản FC ở hình 1 là:

+ Không làm ảnh hưởng đến chu kì riêng của con lắc

+ Làm cho vị trí cân bằng của dao động chuyển từ O đến vị trí mới là O1( với OO1 = FC/k)

Vậy, trong nửa chu kì đầu, vật nhận O 1 là vị trí cân bằng tạm thời và dao động điều hòa từ A đến B Tương tự, so sánh hình 2 và hình b ta sẽ thấy

Trong nửa chu kì tiếp theo, vật nhận O 2 làm vị trí cân bằng tạm thời và dao động điều hòa từ B đến C

FC

P

l0

B O O1 A

B

O

O1

A

FC

B O2 O C

C

O

O2

B Hình 1

Hình 2

Hình b

Hình a

Chiều chuyên động

Chiều chuyển động

Vậy ta có thể hình dung, một “chu kì” dao động tắt dần gồm hai nửa chu kì như hình vẽ sau:

Ở hình vẽ này, ta lưu ý những điều sau:

+ Thời gian mỗi nửa chu kì bằng nhau và bằng ½ chu kì dao động riêng của con lắc

+ O1 và O2 đối xứng nhau qua O và cách nhau đoạn O1O2 = 2FC/k

+ Dễ thấy: OA – OB = O1O2 = 2Fc/k Nghĩa là: Sau mỗi nửa chu kì, vị trí biên lại nhích gần lại O

một đoạn bằng 2Fc/k

Bây giờ, ta vận dụng những điều rút ra ở trên để giải một số bài tập:

Bài 1(ĐH 2010) Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ khối lượng 0,02 kg và lò xo có độ cứng 1 N/m Vật nhỏ được đặt trên giá đỡ cố định nằm ngang dọc theo trục lò xo Hệ số ma sát trượt giữa giá đỡ và vật nhỏ

là 0,1 Ban đầu giữ vật ở vị trí lò xo bị nén 10 cm rồi buông nhẹ để con lắc dao động tắt dần Lấy g = 10 m/s2 Tốc độ lớn nhất vật nhỏ đạt được trong quá trình dao động là

A 40 3 cm/s B 20 6 cm/s C 10 30 cm/s D 40 2 cm/s

Giải:

Ta có : AO = 10cm

OO1 = Fms/k = µ.m.g/k = 0,02m = 2cm Suy ra: O1A = 8cm

m  0, 02  rad/s

Tốc độ của vật lớn nhất trong nửa chu kì đầu tiên khi nó qua vị trí cân bằng

Vmax = O1A  = 8.5 2 = 40 2 cm/s Chọn D

Bài 2: Một con lắc lò xo gồm một vật có khối lượng 100g gắn vào lò xo có độ cứng 0,01N/cm dao động tắt dần chậm từ thời điểm t = 0 với biên độ ban đầu là 10cm Trong quá trình dao động, lực cản tác dụng vào vật có độ lớn không đổi 10-3N Tính tốc độ lớn nhất của vật sau thời điểm t = 21,4s Lấy 2 = 10

Giải:

Ta tính được:  = k 1 π

m  0,1 rad/s

T = 2s Vậy mỗi nửa chu kì là 1s

Sau mỗi nửa chu kì, vị trí biên tiến lại gần O một đoạn bằng

3

3 c

2F 2.10

2.10 m 2mm





Sau 21s ( tức là sau 21 nửa chu kì) vị trí biên tiến lại gần O đoạn 21.2 = 42mm

Ban đầu vật cách O 100mm Sau 21s, vật cách O 100 – 42 = 58mm

Ở thời điểm t = 21s, vật bắt đầu từ biên cách O 58mm đi về vị trí cân bằng Sau 0,5s (một phần tư chu kì) nó sẽ đạt được tốc độ cực đại tại vị trí O1 (ở phía trước và cách O một đoạn 1mm.)

Tốc độ cực đại mà vật đạt được là:

Vmax = AO1  = 57  (mm/s) Chọn D

Nhận xét: Kết quả sẽ  nếu phải tính tốc độ cực đại sau thời điểm t = 21,6s

O2 O

O O1

B C A

Bài 3 Một con lắc lò xo đặt nằm ngang gồm một vật có khối lượng m = 100g gắn vào 1 lò xo có độ

cứng k = 10N/m Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là 0,1 Ban đầu đưa vật đến vị trí lò xo bị nén một

đoạn và thả ra Khi vật đi qua điểm E, tốc độ của vật đạt cực đại lần thứ nhất và bằng 60cm/s Hỏi vật sẽ

đi qua điểm E mấy lần nữa và hãy tính tốc độ của vật mỗi khi nó đi qua E

Giải:

Ta tính được:  = 10rad/s O1O = O2O = Fms/k = 0,01m = 1cm

Sau mỗi nửa chu kì thì vị trí biên tiến lại gần O đoạn bằng O1O2 = 2cm

Lần đầu tiên vật đạt vận tốc cực đại tại E ( trùng với O1, là vị trí cân bằng tạm thời của lượt đi)

Ta có : vmax1 =  AO1 Suy ra AO1 = 60/10 = 6cm

Khi đi từ trái sang phải, vật lấy O1 làm tâm dao động, khi đi từ phải sang trái, vật lấy O2 làm tâm dao động Vậy ta vẽ được quá trình dao động của vật như ở hình trên

Dựa vào hình vẽ, ta suy ra sau thời điểm đầu tiên đạt tốc độ cực đại tại E, còn có hai thời điểm nữa

vật đi qua E

Thời điểm thứ hai, vật qua E khi nó đi từ B đến C Tốc độ của vật khi đó là tốc độ của vật dao động

điều hòa với biên độ 4cm khi có li độ 2cm

2 2 2 2

v ω A x 10 4 2 20 3cm/s

Thời điểm thứ ba vật đi qua E khi nó đi từ C đến O2 Tốc độ của vật khi đó là tốc độ cực đại của một vật dao động điều hòa với biên độ 2cm

V3 =  CE = 10.2 = 20 cm/s

Lưu ý: Khi tới O2 thì vật dừng lại ở đó, vì tại đây lực đàn hồi của lò xo là 0,1N không thắng được

lực ma sát nghỉ cực đại ( lớn hơn 0,1N) để làm cho vật chuyển động từ trạng thái nghỉ (Một sai lầm mà

mọi người hay mắc phải là cho rằng: Khi dừng lại thì vật ở O, lò xo có chiều dài tự nhiên)

Đến đây, bạn đọc đã biết vì sao mình có kết quả là 24,5cm chưa?

Bài 4 Một con lắc lò xo dao động trên mặt phẳng nằm ngang Ban đầu, kéo vật đến vị trí lò xo bị dãn 9,5cm và thả ra thì sau khi đi được quãng đường 8,5cm, vật đạt được tốc độ cực đại là 85cm/s Bỏ qua lực cản của không khí tác dụng vào vật

a Hãy tính quãng đường vật chuyển động từ lúc bắt đầu dao đông đến lúc dừng lại

b Tính thời gian chuyển động của vật

Giải

a Nửa chu kì đầu, vật lấy O1 là vị trí cân bằng tạm thời Theo đề bài thì O1 cách O một đoạn 1cm Do

đó O1O2 = 2cm Quá trình dao động của vật được thể hiện như trên hình vẽ Lưu ý rằng, trong nửa chu kì

cuối cùng, vật bắt đầu đi từ E, lấy O1 là tâm dao động tạm thời, chuyển động tới F thì dừng lại ở đó ( vì tại đây, lực đàn hồi có độ lớn bằng ma sát trượt, không thắng được ma sát nghỉ cực đại để kéo vật chuyển

động từ trạng thái nghỉ)

Từ hình vẽ, ta tính được quãng đường chuyển động của vật cho tới khi dừng lại là:

S = 2(8,5 + 4,5 + 0,5 + 6,5 + 2,5) = 45cm

A C E O B

O2

O1

4 4

b Thời gian chuyển động của vật gồm có 5 nửa chu kì ( 3 lượt đi và 2 lượt về)

Vậy t = 5T/2 = 2,5T Chu kì T được tính theo tốc độ cực đại lần thứ nhất tại O1

 

1 max1 1 1

max1

2π.AO

Thay vào trên ta suy ra thời gian chuyển động của vật là:

t = 2,5.0,2 = 0,5 (s)

Nhận xét: Trong mọi trường hợp, cuối cùng vật sẽ dừng lại ở một vị trí biên ( vì khi đó nó có vận tốc bằng không và lực đàn hồi của lò xo không đủ để kéo nó đi nữa) Nếu ban đầu vật đi từ một vị trí biên

thì thời gian dao động của vật sẽ luôn là một số nguyên của nửa chu kì

KẾT LUẬN:

+ Đây là một vấn đề không phải dễ nói để học sinh hiểu được Nếu có thời gian, và nếu cảm thấy học sinh có thể nắm bắt được thì các thày cô hãy nghiên cứu và giảng cho các em Nếu không, có thể chỉ cần nói như sách giáo khoa là đủ

+ Tôi đã đọc một số tài liệu của các tác giả viết về dao động tắt dần, trong đó tác giả có xây dựng các công thức nhằm giúp các em HS vận dụng để giải nhanh bài tập trắc nghiệm, đó là một ý tưởng hay Nhưng tôi thấy cần phải xem lại một số công thức Có phải nó đúng trong mọi trường hợp không? Chúng

ta cần phải nghĩ lại một cách nghiêm túc

Các thày cô hãy suy nghĩ xem, những công thức ở trang sau sẽ áp dụng được trong trường hợp nào? Khi nào thì nó sai?

Cám ơn những ai quan tâm đến vấn đề này và góp ý cho tôi!

A C E F D B

O1

O2

O

O

0,5 4,.5

8,.5

8,.5

4,.5

6,.5 6,.5

2,.5 2,.5

0,5