Phương pháp giải bài tập về chu kì, biên độ, năng lượng của con lắc đơn, con lắc lò xo khi 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 SKKN thuộc lĩnh vực môn: Vật lí THANH HĨA NĂM 2021 MỤC LỤC TT NỘI DUNG PHẦN I MỞ ĐẦU PHẦN II NỘI DUNG 2.1 Cơ sở SKKN 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng SKKN 2.3 Các phương pháp sử dụng để giải vấn đề Kết luận, kiến nghị Tài liệu tham khảo TRANG 1 17 18 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài - Từ trước đến mơn học trường THPT mơn vật lí đánh giá mơn học khó trừu tượng, để học tốt mơn vật lí địi hỏi học sinh ngồi phải có kiến thức tốn học tốt cịn phải có khả tư duy, tưởng tượng để nhận định tượng vật lí, khả xảy tập 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 giáo viên 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 tìm cách giải tốn Từ thực trạng qua q trình giảng dạy 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 ” 1.2 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 lị xo q trình ơn thi tốt nghiệp quốc gia ôn thi học sinh giỏi 1.3 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” 1.4 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 - Phân loại tập đề phương pháp giải cho loại - Lựa chọn hệ thống tập vận dụng NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm 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 Ngồi ra, cịn 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 cịn 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 khơng hiểu rõ ý nghĩa vật lý chúng; gặp tập phải biến đổi dạng toán học nhiều học sinh cịn lúng túng Hiện nay, với việc tổ chức kiểm tra đánh giá học sinh phương pháp trắc nghiệm khách quan, kỹ giải tập địi hỏi nhanh chóng xác Do đó, việc hệ thống, phân loại đưa phương pháp giải tập lại thể hiên tính quan trọng Trong tập vật lí phân loại tập vật lí theo số dạng sau: - Bài tập định tính: Học sinh dựa vào kiến thức lí thuyết học để phân tích tập giải tập khơng qua phép tính tốn học Dạng tập giúp em hiểu rõ chất vật lí tượng vật lí, củng cố kiến thức vật lí - Bài tập định lượng: Là tập học sinh phải sử dụng công thức, phép biến đổi tính tốn tốn học để thu kết mong muốn - Bài tập thí nghiệm: Học sinh phải tái lại kĩ thí nghiệm học phải biết phân tích, tự đưa bước tiến hành thí nghiệm để giải vấn đề mà câu hỏi đặt - Bài tập đồ thị: Học sinh phải “đọc đồ thị ” từ số liệu đồ thị cho xác định thông số: Biên độ, chu kì, quan hệ pha sau sử dụng cơng thức tốn học tương ứng để tìm yêu cầu câu hỏi Trong 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 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm - Đối với dạng tập thay đổi chu kì, biên độ, lượng lắc đơn, lắc lò xo chịu tác dụng lực lạ nhiều học sinh gặp nhiều lúng túng, khó khăn phân tích tượng vật lí xảy đề từ khơng định hướng phương pháp giải, kiến thức cần phải sử dụng để giải yêu cầu tốn dạng tập đa phần yêu cầu học sinh phải có kiến thức tổng hợp tốn, lí , khả đánh giá tượng xảy từ phải có kĩ giải vấn đề cách nhanh chóng 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề 2.3.1- CÁC CÔNG THỨC ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI a Chu kỳ dao động lắc đơn: : Chiều dài lắc (m) g: Gia tốc trọng trường b Lực điện trường: + q: Điện tích điện trường (C) : Cường độ điện trường (V/m) + q > hướng với + q < ngược hướng với + Độ lớn: c Lực quán tính: + m: khối lượng vật (kg) a : Gia tốc hệ quy chiếu () + ngược hướng với ( vật chuyển động chậm dần hướng chuyển động; vật chuyển động nhanh dần ngược hướng chuyển động ) + Độ lớn: Fqt = ma d Lực Acsimet: 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 e Cơ lắc đơn dao động điều hòa W= f Cơ lắc lò xo dao động điều hòa W= 2.3.2- 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): => gia tốc trọng trường hiệu dụng: - Vị trí cân lắc vị trí dây treo có phương trùng với phương - Khi phương chiều với : P’=P+F => g’=g+ - Khi phương ngược chiều với : P’=P-F => g’=g- Khi : vật nặng có vị trí cân vị trí dây treo hợp với phương thẳng đứng góc với - Chu kỳ dao động nhỏ lắc: 2.3.3- 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 a Con lắc đơn - Tần số góc ban đầu: - Tần số góc chịu lực lạ: - Biên độ dao động chịu lực lạ với S’ li độ vật so với vị trí cân - Cơ vật : + ban đầu: + Lúc sau: - Thời gian đồng hồ chạy sai thời gian t: ∆t=.t b Con lắc lò xo - Khi lực lạ trùng với trục dao động lị xo vị trí cân cách vị trí cân cũ đoạn: oo’=x0= - Li độ dao động vật: ( vị trí vật chưa chịu tác dụng lực lạ chiều dương trục tọa độ từ xác định vị trí li độ vật ) - Biên độ dao động mới: 2.3.4 CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG Phần Lực lạ theo phương thẳng đứng VÍ DỤ 1.[4] 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 VÍ DỤ 2.[4] Một lắc đơn dao động điều hịa 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: Ta có điện trường hướng xuống T1=2T => g1’=g/40 g2’=4g=(2) từ (1) (2) ta có: q1 / q2 =-1/4 VÍ DỤ 3.[3] Con lắc đơn treo trần thang máy Khi thang máy đứng yên lắc dao động điều hoà với chu kì T Khi thang máy lên thẳng đứng chậm dần với gia tốc có độ lớn nửa gia tốc trọng trường nơi đặt thang máy lắc dao động với chu kì T’ A.2T B T C T/2 D T/ Hướng dẫn giải: Ta có thang máy lên thẳng đứng chậm dần nên lực quán tính chiều chuyển động g’=g-g/2=g/2 nên T’= T => đáp án B VÍ DỤ 4.[3] Một lắc đơn có chiều dài dây treo 50cm vật nhỏ khối lượng 0,01kg mang điện tích q=+5.10-6C, coi điện tích điểm Con lắc dao động điều hòa điện trường mà vector cường độ điện trường có độ lớn E= 104V/m hướng thẳng đứng xuống Lấy g=10m/s 2, π=3,14 Chu kì dao động điều hịa lắc A 0,58s B 1,99s C 1,40s D 1,15s Hướng dẫn giải: Do q>0 nên lực điện chiều với trọng lực g’=g+ = 15m/s2 =1,15 s => Đáp án D VÍ DỤ 5.[3] Một lắc đơn treo vào trần thang máy Khi thang máy chuyển động thẳng đứng lên nhanh dần với gia tốc có độ lớn a chu kì dao động điều hịa lắc 2,52s Khi thang máy chuyển động thẳng đứng lên chậm dần với gia tốc có độ lớn a chu kì dao động điều hịa lắc 3,15s Khi thang máy đứng yên chu kì dao động điều hịa lắc A.2,78s B 2,96s C.2,61s D 2,84s Hướng dẫn giải: T1  2 l g1 Ta có thang máy lên thẳng đứng nhanh dần nên lực quán tính chiều chuyển động g1=g+a thang máy lên thẳng đứng chậm dần đều, lực quán tính ngược chiều chuyển động g2=g-a T2  2 l g2 => (T1/T2)2= (g-a)/(g+a) => g=a T3=T1 =>Đáp án A VÍ DỤ 6.[3] Một lắc đơn gồm cầu nhỏ, khối lượng 10g treo sợi dây chiều dài 1m nơi mà g = 10m/s2 Cho   10 Tính chu kì dao động T0 lắc Tích điện cho cầu điện tích 10 -5C cho dao động điện trường có phương thẳng đứng thấy chu kì dao động T0 T = Xác định chiều độ lớn cường độ điện trường? Hướng dẫn giải: =2s có phương thẳng đứng, có chiều hướng xuống, g’=22,5 =g+=> E=1,25.104V/m VÍ DỤ 7.[4] 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 2 l l g 2 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 c Thang máy chuyển động thẳng lực qn tính khơng nên chu kì khơng đổi: T=T0=1,5s VÍ DỤ 8:[2] Một lắc đơn có chiều dài dây treo 50cmvà vật nhỏ có khối lượng 0,01kg mang điện tích 5µC coi điện tích điểm Ban đầu lắc dao động tác dụng trọng trường Khi lắc có vận tốc 0, tác dụng điện trường mà vector cường độ điện trường có độ lớn 10 4V/m hướng thẳng đứng xuống Lấy g=10m/s2 Cơ lắc sau tác dụng điện trường thay đổi nào? A giảm 20% B tăng 20% C tăng 50% D giảm 50% Hướng dẫn giải: Khi lắc đơn có thêm lực hướng thẳng đứng xuống gia tốc trọng trường biểu kiến hướng xuống có độ lớn g’=g+=15 m/s2 lúc tác động điện trường, lắc vị trí biên nên khơng làm thay đổi biên độ góc tỉ số tỉ số gia tốc =1,5 =150% Cơ lắc sau tác dụng điện trường tăng thêm 50% => đáp án C VÍ DỤ 9: Một lắc đơn gồm dây treo không dãn vật nhỏ sắt khối lượng 10g dao động điều hòa với chu kì 2s biên độ 4cm nơi có g = 10 m/s2 Khi lắc qua vị trí cân đặt phía lắc nam châm, biết lực hút nam châm tác dụng lên vật dao động 0,02N Tính chu kì biên độ dao động lắc sau đặt nam châm Hướng dẫn giải: Vì nam châm hút sắt nên lực từ hướng thẳng đứng lên ngược chiều với trọng lực Gia tốc trọng trường biểu kiến hướng xuống có độ lớn g’=g- =8 m/s2 chu kì dao động lắc sau tác dụng lực từ => T’= 2,236s Do tác dụng lực từ, lắc vị trí cân bằng,và vị trí cân lắc khơng đổi nên ta có Vmax=ωS0=ω’S0’ biên độ dao động sau tác dụng lực từ VÍ DỤ 10 Một lắc đồng hồ có dạng lắc đơn chạy 200C nơi có gia tốc trọng trường 10m/s vật nặng tích điện 10-6 C.Nếu lắc đặt điện trường có cường độ điện trường 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+=10,0005 ( m/s2) g’>g nên T’