Giáo án Vật lý 12 bài 3: Con lắc đơn

Về kiến thức - Biết cách thiết lập phương trình động lực học của con lắc đơn, có khái niệm về con lắc đơn - Nắm vững các công thức về con lắc và vận dụng trong các bài toán đơn giản -

Bài 3: CON LẮC ĐƠN

I M ỤC TIÊU :

1 Về kiến thức

- Biết cách thiết lập phương trình động lực học của con lắc đơn, có khái niệm về con lắc đơn

- Nắm vững các công thức về con lắc và vận dụng trong các bài toán đơn giản

- Củng cố kiến thức về dao động điều hoà đó học bài trước và gặp lại trong bài này

2 Về kỹ năng

- Xây dựng phương trình dao động của con lắc đơn

- Làm được các bài tập tương tự trong SGK

3 Về thái độ

- Rèn luyện phong cách làm việc khoa học, độc lập nghiên cứu, tác phong lành mạnh và có tính tập thể

II CHUẨN BỊ

Giáo viên:

- Con lắc đơn gần đúng

- Con lắc vật lý bằng bìa hay tấm gỗ mỏng tròn có đánh dấu vị trí khối tâm G và khoảng cách d từ G đến trục quay

Học sinh:

- Ôn lại các khái niệm vận tốc và gia tốc trong chuyển động tròn đều, mômen quán tính, mômen lực Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh trục

- Ôn lại kiến thức về dao động điều hoà

HOẠT Đ ỘNG 1 : Kiểm tra bài cũ:

1 Câu hỏi 2, 3 trang 13-SGK

2 Câu 5, 6 trang 13-SGK

HOẠT Đ ỘNG 2 : Cấu tạo con lắc lò xo và nêu các phương án kích thích cho vật m dao động

Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Nội dung

+ Nêu cấu tạo con lắc

đơn?

+ Cho biết phương dây

treo khi con lắc cân

bằng?

+ Khi con lắc dao động

thì quỹ đạo của nó là gì

và vị trí của nó được

xác định bởi đại lượng

nào?

I THẾ NÀO LÀ CON LẮC ĐƠN

1 Cấu tạo

Gồm: một vật nhỏ, khối lượng

m, treo ở đầu một sợi dây không giãn,

khối lượng không đáng kể, chiều dài l

2 Kích thích dao động

- Kéo nhẹ quả cầu cho dây treo lệch khỏi vị trí cân bằng một góc rồi thả nhẹ

- Vị trí cân bằng của con lắc là vị trí mà dây treo có phương thẳng đứng

HOẠT Đ ỘNG 3 : Khảo sát dao động của con lắc lò xo về mặt động lực học.

Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Nội dung

* Vẽ hình, mô tả trạng

thái của con lắc đơn

- Khi vật ở VTCB thì

chịu tác dụng của các

lực nào?

- Khi từ M thả vật bắt đầu

chuyển động, bỏ qua ma

sát thì vật chịu tác dụng

các lực nào?

- Lực nào làm vật chuyển

động theo phương ngang,

có giá trị tính bằng công

thức nào?

* Theo định luật II

Newton phương trình

chuyển động của vật

được viết như thế nào?

* Xác định hình chiếu

của ma,P, và 

T trên trục Mx?

* Hướng dẫn HS chứng

Trọng lực và lực căng dây

P + T = m a

 P sin  = m.at

II KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN VỀ MẶT ĐỘNG HỌC

- Khi vật ở vị trí M thì:

+ Vật nặng xác định bởi cung

OM = s + Vị trí dây treo xác định bởi góc: OQM = 

- Các lực tác dụng lên vật:

Trọng lực P , lực căng dây T .

Q



s s0

O

M

Q

O

P 



M

x

tỏ con lắc khụng dao

động điều hũa!

* GV thụng bỏo với Với

 100 => sin =  = s/

l Biến đổi biểu thức ra

(1)

* phương trỡnh thu được

giống phương trỡnh nào

đó học?

* Nghiệm của phương

trỡnh (1)?

* Phương trỡnh gúc

lệch cú dạng ntn?

* Cho hs thực hiện lệnh

C1

* Cho HS thực hiện C2

* Viết cụng thức tớnh

chu kỡ của con lắc?

Trả lời cõu hỏi C1

 = ocos(t + )

Hóy suy luận tỡm cụng thức tớnh chu kỳ T, tần số f của con lắc đơn?

Trả lời cõu hỏi C2

- Áp dụng định luật II Niu tơn:

ma  = P

+T chiếu lờn Mx:

P t = ma t = -Psin (3.1) (3.1) cho thấy dđ của con lắc đơn khụng phải dđđh

Với gúc lệch  bộ thỡ sin = 

= s/l Khi đú: Pt = mgsin =

-mg s/l

( 3.2)

Đặt 2 =g/l

Kết hợp (3.1) và (3.2) ta cú:

a = ω2.s (1)

Vậy:khi dao động nhỏ (sin=

(rad)), dao động của con lắc)), dao động của con lắc, dao động của con lắc

đơn là dao động điều hũa cú phương trỡnh:

s = s 0 cos(t + ).

- Chu kỳ T = 2π

g

l

-Tần số : f = 1 1

2

g

T   l

HOẠT Đ ỘNG 4 : Khảo sỏt dao động của con lắc đơn về mặt năng lượng.

Trợ giúp của giáo

viên Hoạt động của học sinh Nội dung

* Động năng của con

lắc đơn được xỏc

định như thế nào?

* Biểu thức tớnh vận

tốc của con lắc đơn?

* Thay biểu thức vận

2

d

W  mv

-) (

'      

s s Sin t v

III KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN VỀ MẶT NĂNG LƯỢNG

1 Động năng của con lắc đơn

1 2

2

d

W  mv

tốc của con lắc đơn

vào biểu thức động

năng?

* Thế năng của con

lắc đơn là thế năng

gì?

* Viết biểu thức tính

thế năng trọng trường

của một vật?

* Xác định độ cao

của vật?

* Từ đó suy ra biểu

thức tính thế năng?

* Biểu thức xác định

cơ năng như thế nào?

* Cơ năng của con

lắc đơn?

W đ =1mω s sin (ωt + φ))2 20 2 2

- Là thế năng trọng trường

- Bt: W t = mgh

W t mgl(1 cos ) 

- W = Wd + Wt

W đ =1mω s sin (ωt + φ))2 20 2

2

(1)

2.Thế năng của con lắc đơn

W t mgl(1 cos )   (2)

3 Cơ năng của con lắc đơn

2 1

(1 cos ) 2

d t

W W W  mv mgl  

HOẠT Đ ỘNG 5 : Ứng dụng: Xác định gia tốc rơi tự do (GIÃN TIẾT)

Trợ giúp của giáo

* Nêu công dụng của

con lắc trong lĩnh vực

địa chất

* Đưa một số VD thực

tế để thấy được công

dụng của con lắc

* Từ biểu thức xác

định chu kỳ của vật rơi

tự do suy ra biểu thức

xác định gia tốc rơi tự

do?

- Từ biểu thức xđ g ta

thấy đo được l và đo

được T Do đó ta xác

định được g.

* Phân tích nguyên

nhân dẫn đến gia tốc

có thể thay đổi ở

* Hs lắng nghe, tiếp thu kiến thức

- Bt: g 4 l22

T





* Hs có thể cùng cả lớp phân tích sự thay đổi của gia tốc

IV ỨNG DỤNG: XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO

Từ: T = 2π

g

l

=> g 4 l22

T





=> Muốn đo g cần đo chiều dài

(bằng thước) và chu kỳ của con lắc

đơn (bằng đồng hồ bấm giây)

những nơi khác nhau

cùng độ cao?

HOẠT ĐỘNG 6: Củng cố

- Cỏc kiến thức trọng tõm túm tắt ở cuối bài học trang 16

- Nhắc lại từng kiến thức của bài học

HOẠT ĐỘNG 7: Nhiệm vụ về nhà

- Câu hỏi từ 1 đến 3 - trang 17 - SGK

- Bàt tập Từ 4 đến 6 - trang 17- SGK

- Cỏc bài tập liờn quan ở sỏch bài tập

IV RÚT KINH NGHIỆM: