phương pháp giải bài tập về chu kì, biên độ, năng lượng của con lắc đơn, con lắc lò xo khi chịu tác dụng của ngoại lực

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT NGUYỄN THỊ LỢI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM “ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KÌ, BIÊN ĐỘ, NĂNG LƯỢNG CỦA CON LẮC ĐƠN, CON LẮC LÒ XO KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA NGOẠI LỰC ” Người thực hiện: Lê Thế Phương Chức vụ: Giáo viên Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Thị Lợi SKKN thuộc lĩnh vực môn: Vật lí THANH HĨA NĂM 2018 MỤC LỤC TT NỘI DUNG TRANG PHẦN I MỞ ĐẦU PHẦN II NỘI DUNG I- VAI TRÒ BÀI TẬP VẬT LÝ II- CÁC CÔNG THỨC ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI III- PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC LẠ IV- PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ BIÊN ĐỘ VÀ NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC LẠ V.BÀI TẬP ÁP DỤNG PHẦN III KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 13 2 PHẦN I MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài - Từ trước đến môn học trường THPT mơn vật lí đánh giá mơn học khó trừu tượng, để học tốt mơn vật lí đòi hỏi học sinh ngồi phải có kiến thức tốn học tốt phải có khả tư duy, tưởng tượng để nhận định khả xảy Số dạng tập vật lí đa dạng phong phú nhiên thời gian để học sinh rèn luyện phân phối chương trình lại Chính trình dạy học , người thầy phải làm để tìm phương pháp tốt để tạo nên hứng thú học tập cho học sinh, đặc biệt dạng tập phải phân dạng tập hướng dẫn cách giải cho học sinh để em tham khảo tìm hiểu thêm trình tự học nhà cần thiết Đặc biệt hình thức kiểm tra đánh giá phương pháp thi trắc nghiệm khách quan nắm dạng giúp em nhanh chóng tìm kết xác với thời gian ngắn - Trong chương trình vật lí 12 chương “ Dao động học” nói số dạng tập nhiều có nhiều dạng phức tạp khó dạng chu kì lắc đơn , biên độ, lượng lắc đơn, lắc lò xo chịu tác dụng lực lạ tốn khó, trừu tượng mà học sinh khá, giỏi thường bị vấp phải phi tìm cách giải tốn Từ thực trạng qua q trình giảng dạy tơi chọn đề tài: “ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KÌ, BIÊN ĐỘ, NĂNG LƯỢNG CỦA CON LẮC ĐƠN, CON LẮC LÒ XO KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA NGOẠI LỰC ” Mục đích nghiên cứu - Đề tài nhằm giúp học sinh khá, giỏi khắc sâu kiến thức lí thuyết , có hệ thống tập phương pháp giải chúng, giúp em nắm cách giải từ chủ động vận dụng phương pháp làm tập có liên quan Từ học sinh có thêm kỹ cách giải tập Vật lí, nhanh chóng giải tốn trắc nghiệm dao động điều hòa lắc đơn lắc lò xo q trình ơn thi tốt nghiệp quốc gia ôn thi học sinh giỏi Đối tượng nghiên cứu Nhóm tập chu kỳ , biên độ , lượng dao động lắc đơn, lắc lò xo chịu ảnh hưởng lực lạ chương “Dao động học” Nhiệm vụ nghiên cứu - Phân loại tập đề phương pháp giải cho loại - Lựa chọn hệ thống tập vận dụng Phạm vi nghiên cứu Các tập “chu kỳ , biên độ , lượng dao động lắc đơn, lắc lò xo chịu ảnh hưởng lực lạ” chương “Dao động học” dành cho học sinh ôn thi trung học phổ thông quốc gia, ôn thi học sinh giỏi lớp 12 cấp tỉnh Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài sử dụng phương pháp chủ yếu nghiên cứu lý luận tập Vật lý tài liệu tham khảo nâng cao khác có liên quan đến đề tài PHẦN II NỘI DUNG I-Vai trò tập vật lý việc giảng dạy vật lý Đối với học sinh trung học phổ thông, tập vật lý phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết học vào thực tiễn Việc giải tập vật lý giúp em ôn tập, cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải vấn đề thực tiễn Ngoài ra, giúp em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả tư giúp em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức thân Tuy nhiên, vận dụng kiến thức để giải tập em gặp nhiều khó khăn như: khơng định hướng cách giải tập, không vận dụng lý thuyết vào việc giải tập, không tổng hợp kiến thức thuộc nhiều phần chương trình học để giải vấn đề chung, hay giải tập thường áp dụng cách máy móc cơng thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý chúng; gặp tập phải biến đổi dạng tốn học nhiều học sinh lúng túng Hiện nay, với việc tổ chức kiểm tra đánh giá học sinh phương pháp trắc nghiệm khách quan, kỹ giải tập đòi hỏi nhanh chóng xác Do đó, việc hệ thống, phân loại đưa phương pháp giải tập lại thể hiên tính quan trọng Trong q trình học tập học sinh phải tìm cách để giải tập cách dễ hiểu, làm tập từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ giải tốt tập, hiểu ý nghĩa vật lý giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả tư duy, giúp em học tập môn Vật lý tốt II- CÁC CÔNG THỨC ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI Chu kỳ dao động lắc đơn: T = 2π l g : Chiều dài lắc (m) m s g: Gia tốc trọng trường ( ) Lực điện trường: + q: Điện tích điện trường (C) : Cường độ điện trường (V/m) + q > F hướng với E + q < F ngược hướng với E + Độ lớn: F = q E = q U d Lực quán tính: + m: khối lượng vật (kg) a : Gia tốc hệ quy chiếu ( m ) s2 + Fqt ngược hướng với a ( vật chuyển động chậm dần Fqt hướng chuyển động; vật chuyển động nhanh dần Fqt ngược hướng chuyển động ) + Độ lớn: Fqt = ma Lực Acsimet: ln thẳng đứng hướng lên có biểu thức tính FA=D.V.g + D khối lượng riêng chất lỏng ( chất khí ) bị chiếm chỗ + V thể tích vật chiếm chỗ + g gia tốc trọng trường Cơ lắc đơn dao động điều hòa m.ω S 02 m.g lα 02 = W= 2 Cơ lắc lò xo dao động điều hòa W= kA 2 III- PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC LẠ - Coi lắc chịu tác dụng trọng lực hiệu dụng (trọng lực biểu kiến): p' = p + F => gia tốc trọng trường hiệu dụng: g ' = g + F m - Vị trí cân lắc vị trí dây treo có phương trùng với phương P' - Khi F phương chiều với P : P’=P+F => g’=g+ - Khi F phương ngược chiều với P : P’=P-F => g’=g- F m F m F - Khi F ⊥ P : P '2 = P + F = >g '2 = g + ( ) m vật nặng có vị trí cân vị trí dây treo hợp với phương thẳng F đứng góc α với tan α = p - Chu kỳ dao động nhỏ lắc: T ' = 2π l g' IV- PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ BIÊN ĐỘ VÀ NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC LẠ Con lắc đơn - Tần số góc ban đầu: ω = g l - Tần số góc chịu lực lạ: ω ' = g' l V ω' - Biên độ dao động chịu lực lạ S 0'2 = S '2 + ( ) với S’ li độ vật so với vị trí cân m.ω S 02 - Cơ vật : + ban đầu: W = + Lúc sau: W ' = m.ω '2 S 0'2 - Thời gian đồng hồ chạy sai thời gian t: ∆t= t Con lắc lò xo - Khi lực lạ trùng với trục dao động lò xo vị trí cân cách vị trí cân cũ đoạn: oo’=x0= F K - Li độ dao động vật: x' = x ± x0 ( vị trí vật chưa chịu tác dụng lực lạ chiều dương trục tọa độ từ xác định vị trí li độ vật ) V ω - Biên độ dao động mới: A '2 = x '2 + ( ) V.BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài Con lắc đơn dao động điều hòa thang máy đứng yên với chu kì T thang máy chuyển động lên nhanh dần , lắc dao động với chu kì T’: A Lớn chu kì T B Bé chu kì T C Bằng chu kì T D Chưa xác định Hướng dẫn giải: Thang máy chuyển động lên nhanh dần lực qn tính hướng xuống nên gia tốc trọng trường biểu kiến: g’=g+a >g nên T’ Đáp án B Bài Một lắc đơn dao động điều hòa điện trường có đường sức hướng thẳng đứng xuống lắc khơng mang điện chu kỳ dao động T, lắc mang điện tích q chu kỳ dao động T1= 2T, lắc mang điện tích q2 chu kỳ dao động T2 =T / Tìm tỉ số q1 / q2 Hướng dẫn giải: l g Ta có T = 2π T ' = 2π l g' điện trường hướng xuống T1=2T => g1’=g/4 nên q1 g’=4g  qE  => q =1,94.10-7 (C) => 16 g = g +    m  2 Bài 4: Một lắc đơn gồm dây treo không dãn l=1m, vật nặng m=100g , đặt điện trường E có phương ngang , vị trí cân vật dây treo lệch với phương thẳng đứng góc 40 Sau điện trường đột ngột đổi chiều, xác định vật trước sau đổi chiều điện trường.Biết g=10 m/s2 Hướng dẫn giải: vị trí cân dây treo hợp với phương thẳng đứng góc 40, đổi chiều điện trường vị trí cân cũ cách vị trí cân 80 g’=g.tan 40 F α 01 = ; α 02 = P P’ m.g '.l.α 012 = 1,7.10 −4 ( j ) Cơ ban đầu: W1= Cơ sau: W2= m.g '.l.α 022 = 6,82.10 −4 ( j ) Bài Một lắc đơn gồm dây treo khơng dãn l=1m, vật nặng m=100g , tích điện q= 10-7C, đặt điện trường E có phương ngang có độ lớn E= 2.106V/m nơi có g=9,8 m/s2 Ban đầu dây treo giữ theo phương thẳng đứng thả nhẹ; xác định lực căng dây treo vật qua vị trí cân Hướng dẫn giải: Khi vật vị trí cân dây treo hợp với phương thẳng đứng góc α có tan α = q E Fđ = = 0,2 = >α = 11,310 P m.g g gia tốc trọng trường biểu kiến: g ' = cos α = 9,994 (m / s ) Lực căng dây treo T = m.g ' (3 cos α − cos α ) Khi qua vị trí cân α = = >T = 1,038 N Bài 6(1) Một lắc đơn gồm cầu nhỏ, khối lượng 10g treo sợi dây dài 1m nơi mà g = 10m/s2 Cho π = 10 Tính chu kì dao động T0 lắc Tích điện cho cầu điện tích q = 10 -5C cho dao động điện trường có phương thẳng đứng thấy chu kì dao động T = T0 Xác định chiều độ lớn cường độ điện trường? ( (1):Trích đề thi tuyển sinh đại học An Giang năm 2000 ) Hướng dẫn giải: T0 = 2π l =2s g T = 2π l E có phương thẳng đứng, có chiều hướng xuống, g' g’=22,5 =g+ q.E => E=1,25.104V/m m Bài Một lắc dao động với biên độ nhỏ có chu kì T0= 2s nơi có g = 10m/s2 Treo lắc trần xe cho xe chuyển động nhanh dần mặt đường nằm ngang dây treo hợp với phương thẳng đứng góc nhỏ α = 90 a Tìm gia tốc a xe b Cho lắc dao động với biên độ nhỏ, tính chu kì T lắc Hướng dẫn giải: Khi vị trí cân tan α = T = 2π Fqt P = a ⇒ a = 1,584 (m / s ) g l cos α l = 2π = T0 cos α = 1,987( s) g' g Bài Một lắc đơn có chu kì dao động nhỏ T = 1,5s nơi có gia tốc trọng trường g = 9,80m/s2 Treo lắc thang máy Hãy tính chu kì lắc trường hợp sau: a Thang máy lên nhanh dần với gia tốc a = 1m/s2 b Thang máy lên chậm dần với gia tốc a = 1m/s2 c Thang máy chuyển động thẳng Hướng dẫn giải: a Thang máy lên nhanh dần lực quán tính hướng xuống chiều với trọng lực : g’=g+a T = 2π l l g = 2π =T = 1,429( s ) g' g +a g +a b Thang máy lên chậm dần lực quán tính hướng lên ngược chiều với trọng lực : g’=g-a T = 2π l l g = 2π =T = 1,583( s ) g' g −a g −a c Thang máy chuyển động thẳng lực qn tính khơng nên chu kì khơng đổi: T=T0=1,5s 10 Bài Một lắc tốn học có chiều dài 17,32cm thực dao động điều hồ ơtơ chuyển động nhanh dần mặt phẳng nghiêng góc β = 300 Tìm chu kì dao động lắc hai trường hợp: a) Ơtơ chuyển động xuống dốc với gia tốc a = 5m/s2 b) Ơtơ chuyển động lên dốc với gia tốc a = 2m/s2 Lấy g = 10m/s2, π = 10 Hướng dẫn giải: F • a, • Fqt P’ P qt P P’ b, a.g’ =g +a -2gacos60 =>g’=5 m/s => T’=0,894 s b.g’2=g2+a2-2gacos1200 =>g’=11,136 m/s2=> T’=0,789 s Bài 10 Một lắc đồng hồ có dạng lắc đơn chạy 200C nơi có gia tốc trọng trường 10m/s vật nặng tích điện q = 10-6 C.Nếu lắc đặt điện trường có cường độ E = 50V/m thẳng đứng hướng xuống sau ngày đêm đồng hồ chạy nhanh hay chậm bao nhiêu? Biết vật có khối lượng m = 100g Hướng dẫn giải: Do q>0 cường độ điện trường hướng xuống nên ta có g’=g+ q.E =10,0005 ( m/s2) m g’>g nên T’