7. Các giai đoạn thực hiện đề tài
4.1. Đại cương về chương 2 Dao động cơ, Vật lý 12 nâng cao
4.1.1. Mục tiêu
Trong chương này chúng ta cần nghiên cứu những vấn đề chính như: DĐĐH của con lắc lò xo, các đại lượng đặc chưng của DĐĐH, con lắc đơn, sơ lược về con lắc Vật lý, năng lượng dao động: dao động duy trì, dao động tắt dần, dao đông cưỡng bức, hiện tưởng cộng hưởng, phương pháp giản đồ Fre-nen, tổng hợp các DĐĐH cùng phương, cùng chu kì.
Qua chương này HS cần:
Thiết lập được phương trình của dao động tự do.
Biết được đặc điểm động lực học của DĐĐH: lực kéo về tỉ lệ thuận của với li độ
và luôn hướng về vị trí cân bằng
Biết được đặc điểm động lực học của DĐĐH: biên độ, tần số, pha, pha ban đầu,
li độ, vận tốc, gia tốc.
Biết biểu diễn DĐĐH bằng vecto quay và tổng hợp dao động bằng giản đồ vecto
Hiểu sơ lược về dao động tắt dần, dao động duy trì và dao động cưỡng bức.
Biết được hiện tượng cộng hưởng và ứng dụng.
4.1.2. Kiến thức, kĩ năng Chủ đề Mức độ cần đạt được Ghi Chủ đề Mức độ cần đạt được Ghi chú Dao động cơ a. Dao động điều hòa. Các đại lượng đặc trưng. b. Con lắc Kiến thức
- Nêu được dao động điều hòa là gì?
- Phát biểu được định nghĩa về các đại lượng đặc trưng của dao động điều hòa: chu kì, tần số, tần số góc, biên độ, pha, pha ban đầu.
- Viết được các công thức liên hệ giữa chu kì, tần số, tần số góc của dao động điều hòa.
- Nêu được con lắc lò xo, con lắc đơn, con lắc vật lí là gì. - Viết được phương trình động lực học và phương trình dao
- Dao động của con lắc khi bỏ qua ma sát và lực cản là các dao
47 lò xo. Con lắc đơn. Sơ lược về con lắc vật lí. c. Dao động riêng. Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng. Dao động duy trì. d. Phương pháp giản đồ Fre- nen.
động điều hòa của con lắc lò xo và của con lắc đơn.
- Viết được công thức tính chu kì dao động của con lắc lò xo, con lắc đơn và con lắc vật lí. Nêu được ứng dụng của con lắc đơn và con lắc vật lí trong việc xác định gia tốc rơi tự do. - Nêu được dao động riêng, dao động tắt dần, dao động cưỡng bức và dao động duy trì là gì và các đặc điểm của mỗi loại dao động này.
- Nêu được hiện tượng cộng hưởng là gì, các đặc điểm và điều kiện để hiện tượng này xảy ra.
- Trình bày được nội dung của phương pháp giản đồ Fre-nen. - Nêu được cách sử dụng phương pháp giản đồ Fre-nen để tổng hợp hai dao động điều hòa cùng tần số và cùng phương dao động.
- Nêu được công thức tính biên độ và pha của dao động tổng hợp khi tổng hợp hai dao động điều hòa cùng chu kì và cùng phương.
Kĩ năng
- Giải được các bài tập về con lắc lò xo, con lắc đơn.
- Vận dụng được công thức tính chu kì dao động của con lắc vật lí.
- Biểu diễn được một dao động điều hòa bằng véctơ quay. - Giải được các bài tập về tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng chu kì bằng phương pháp giản đồ Fre-nen.
- Xác định chu kì dao động của con lắc đơn hoặc con lắc lò xo và gia tốc trọng trường bằng thí nghiệm.
động riêng. - Dao động duy trì là dao động với tần số riêng được tự động duy trì sao cho không bị tắt dần. - Không yêu cầu giải các bài tập phức tạp hơn về con lắc vật lí.
48
4.2. Sơ đồ cấu trúc nội dung của chương
Nhận xét:
Tìm hiểu khái niệm về dao động, thiết lập phương trình động lực học, từ đó đưa ra khái niệm về dao động điều hòa, giải thích một số đại lượng đặc trưng của dao động điều hòa
DAO ĐỘNG CƠ
DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA
Dao động điều hòa của con lắc lò xo.
- Thiết lập phương trình động lực học của vật dao động trong con lắc lò xo. - Nghiệm của phương trình động lực học: phương trình dao động điều hòa.
Các đại lượng đặc trưng của dao dộng điều hòa: biên độ, pha, pha ban đầu, tần số
góc. Đồ thị, chu kì, tần số, vận tốc, gia tốc trong dao động điều hòa.
Biểu diễn dao động điều hòa bằng véctơ quay.
Điều kiện ban đầu: sự kích thích dao động.
CON LẮC ĐƠN. CON LẮC VẬT LÍ
Con lắc đơn. Sơ lược về con lắc vật lí.
Phương trình động lực học của con lắc đơn: s’’ + 2s = 0
Phương trình dao động của con lắc đơn: s Acos( t+ )
Hệ dao động
NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA Biểu thức thế năng: 2 2 2 2 t 1 1 W os ( t+ ) 2kx 2m A c Biểu thức động năng: 2 2 2 2 d 1 1 W sin ( t+ ) 2mv 2m A
Biểu thức cơ năng: 1 2 1 2 2
W
2kA 2m A
. Sự bảo toàn cơ năng.
DAO ĐỘNG TẮT DẦN. DAO ĐỘNG DUY TRÌ
DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TỔNG HỢP DAO ĐỘNG
Tổng hợp các dao động điều hòa cùng phương. PP giản đồ Fre-nen.
49
Cơ năng của vật dao động được bảo toàn, thiết lập biểu thúc tính thế năng, động năng nói riêng và năng lượng trong dao động điều hòa
Phân biệt dao đông tắt dần, duy trì, cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng và có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống
4.3. Tiến trình dạy học và giáo án của bài trong chương 4.3.1. Bài 6: Dao động điều hòa 4.3.1. Bài 6: Dao động điều hòa
I. MỤC TIÊU 1. Về kiến thức
- Hiểu được khái niệm dao động, dao động tuần hoàn, dao động điều hoà.
- Đề xuất được PP khảo sát lí thuyết và PP khảo sát thực nghiệm để khảo sát DĐ của con lắc lò xo.
- Thực hiện được PP khảo sát lí thuyết để khảo sát DĐ của con lắc lò xo. - Nắm được các đại lượng đặc trưng của dao động điều hoà, chu kì, tần số.
- Xác định được biểu thức của vận tốc, gia tốc của vật dao động điều hoà. Biết cách biểu diễn dao động điều hoà bằng vectơ quay.
- Biết viết điều kiện ban đầu tuỳ theo cách kích thích dao động, và từ điều kiện ban đầu suy ra biên độ A và pha ban đầu .
2. Về kĩ năng
- Rèn luyện cho HS có kĩ năng đưa ra các dự đoán có căn cứ.
- Rèn luyện kĩ năng lôgic toán học để khảo sát dao động của con lắc lò xo. - Rèn luyện kĩ năng thiết kế các phương án thí nghiệm.
- Rèn luyện kĩ năng dao động điều hoà bằng vectơ quay.
II. CHUẨN BỊ 1. Giáo viên
- Chuẩn bị con lắc đơn, đồng hồ bám giây để đo chu kì của con lắc đơn. - Phiếu học tập cho HS.
PHIẾU HỌC TẬP
Câu 1. Cho một vectơ OM quay đều quanh điểm O trong mặt
phẳng chứa trục toạ độ Ox với tốc độ góc . Tại thời điểm ban
50 OM trên trục Ox tại thời điểm t.
Câu 2. Cho một con lắc lò xo. Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng một đoạn x0 rồi thả tự do (không vận tốc ban đầu) để cho con lắc dao động điều hoà. Viết phương trình dao động điều hoà của con lắc.
Câu 3. Dao động là chuyển động
A. có giới hạn trong không gian lặp đi, lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằng. B. qua lại hai bên vị trí cân bằng và không giới hạn trong không gian.
C. mà trạng thái được lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau.
D. lặp đi lặp lại nhiều lần có giới hạn trong không gian.
Câu 4. Dao động tuần hoàn là dao động
A. qua lại hai bên vị trí cân bằng có giới hạn trong không gian.
B. mà trạng thái chuyển động lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau.
C. có li độ biến đổi theo thời gian tuân theo quy luật sin. D. A, C đúng.
Câu 5. Chu kì của một vật dao động tuần hoàn là
A. khoảng thời gian thực hiện một dao động toàn phần.
B. khoảng thời gian ngắn nhất để một trạng thái dao động lặp lại.
C. khoảng thời gian tối thiểu để vật đó có trục toạ độ và chiều chuyển động như cũ.
D. Cả A, B, C đều đúng.
Câu 6. Câu nào sau đây sai khi nói về dao động điều hòa?
A. Cơ năng được bảo toàn.
B. Vận tốc biến thiên theo hàm số bậc nhất với thời gian. C. Phương trình li độ có dạng x = Asin(t + ).
D. Biên độ, chu kì, pha ban đầu không thay đổi.
Câu 7: Một Con lắc lò xo dao động với phương trình x = 6cos(20t) cm. Xác định chu kỳ, tần số dao động chất điểm.
A. f =10Hz; T= 0,1s . C. f =100Hz; T= 0,01s
51
2.Học sinh
Ôn tập về đạo hàm của hàm số, ý nghĩa cơ học của đạo hàm: trong chuyển động thẳng: Vận tốc của chất điểm bằng đạo hàm của tọa độ theo thời gian; Gia tốc bằng đạo hàm của vận tốc.
III. THIẾT KẾ TIÊN TRÌNH XÂY DỰNG KIẾN THỨC
Các cơ hội kích thích hứng thú học tập của HS
Cơ hội 1: Tổ chức cho HS quan sát dao động và rút ra nhận xét như trong SGK. Hình thành khái niệm dao động cơ.
Câu hỏi: Quan sát CĐ của con lắc dây, con lắc lò xo thẳng đứng, con lắc lò xo nằm ngang trên đệm không khí. Nhận xét về các đặc điểm của các CĐ này?
Trả lời: Các CĐ trên giống nhau ở chỗ: vật chỉ CĐ trong vùng không gian hẹp, CĐ qua lại quanh một vị trí cân bằng. Những chuyển động như trên gọi là dao động.
Cơ hội 2: Thiết lập phương trình động lực học của vật dao động trong con lắc lò xo.
Câu hỏi: Khi vật dao động, ở vị trí bất kì có li độ x. Phân tích các lực tác dụng vào vật. Theo định luật II Niutơn, phương trình chuyển động của vật được viết thế nào?
Trả lời: Vật nặng chịu tác dụng của những lực: Trọng lực P, phản lực N, lực đàn hồi F. Trong đó Pvà N cân bằng nhau, còn F = - kx
DAO ĐỘNG
Nghiệm của phương trình động lực học: phương trình dao động điều hòa: ); , cos( t A A x là các hằng số tùy ý.
Thiết lập phương trình động lực học của vật rắn dao động trong con lắc lò xo: x''2x0 (1)
Các đại lượng đặc trương của dao động điều hòa
- A là biên độ dao động
- (t) là pha dao động tại thời điểm t. là pha ban đầu
Đồ thị x(t) của dao động điều hòa
Chu kì, tần số, vận tốc và gia tốc của dao động điều hòa
Biều diễn dao động điều hòa bằng veto quay
52
Chọn trục toạ độ như hình vẽ, gốc toạ độ O tại vị trí cân bằng. Áp dụng ĐL II Niu-tơn ta có: F= - kx = ma => kxmx" => x " k x 0 m Đặt 2 k 2 x '' x 0(*) m
IV. TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Hoạt động 1
Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Đặt vấn đề
HS suy nghĩ cá nhân tìm câu trả lời.
HS nhận thức được vấn đề bài học
GV nêu câu hỏi kiểm tra kiến thức cũ: - Viết biểu thức của lực đàn hồi.
- Viết phương trình của ĐL II Niu-tơn.
Đặt vấn đề: Hằng ngày chúng ta thấy rất
nhiều CĐ khác với các CĐ mà chúng ta đã học như: CĐ của các lá cây khi có gió, CĐ của quả lắc đồng hồ, CĐ của xích đu, CĐ của con lắc lò xo trên đệm không khí…Các CĐ đó có tuân theo quy luật nào không? Bài hôm nay chúng ta trả lời câu hỏi đó.
Hoạt động 2
Tìm hiểu khái niệm dao động, dao động tuần hoàn
HS thảo luận chung toàn lớp
- Các CĐ trên giống nhau ở chỗ: vật chỉ CĐ trong vùng không gian hẹp, CĐ qua lại quanh một VTCB.
HS tiếp thu, ghi nhớ. HS suy nghĩ cá nhân
HS quan sát và rút ra dự đoán:
- Đối với DĐ con lắc VL và DĐ con lắc lò xo trên đệm không khí tuân theo
GV cho HS quan sát CĐ của con lắc đơn, con lắc lò xo trên đệm không khí. Sau đó trả lời câu hỏi: Các CĐ trên có điểm nào giống nhau ?
GV thông báo:
- Những CĐ như trên gọi là dao động. - Dao động là CĐ qua lại quanh một VTCB.
GV nêu câu hỏi để HS tìm hiểu DĐ tuần hoàn:
53 quy luật: sau những khoảng thời gian nhất định con lắc lại trở về vị trí ban đầu.
HS thảo luận chung toàn lớp.
- Dùng đồng hồ bấm giây để đo khoảng thời gian mà mỗi lần con lắc VL trở về vị trí ban đầu.
Đại diện cho HS cả lớp, hai HS lên tiến hành thí nghiệm.
Kết luận: Dự đoán trên là đúng.
HS tiếp thu, ghi nhớ.
GV nêu câu hỏi thiêt kế phương án thí nghiệm kiểm tra dự đoán:
- Làm thế nào để kiểm tra dự đoán trên? GV thống nhất phương án thí nghiệm và cho HS tiến hành thí nghiệm và rút ra kết luận. GV thông báo:
- DĐ chúng ta vừa xét trên là DĐ tuần hoàn. - DĐ tuần hoàn là DĐ mà trạng thái CĐ của vật được lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau.
- Giai đoạn nhỏ nhất được lặp lại trong DĐ tuần hoàn được gọi là DĐ toàn phần hay một chu trình.
- Thời gian thực hiện một DĐ toàn phần gọi là chu kì (kí hiệu là T) của DĐ tuần hoàn. Đơn vị của T là giây (s)
- Trong 1 giây CĐ thực hiện được f DĐ tuần
phần, f gọi là tần số của DĐ tuần hoàn. f = 1
T, đơn vị là héc (Hz).
Hoạt động 3
Nghiên cứu DĐ của vật DĐ trong con lắc lò xo
HS thảo luận chung toàn lớp.
GV nêu câu hỏi về vấn đề cần nghiên cứu: - Để tìm hiểu quy luật CĐ chúng ta có thể sử dụng PP lí thuyết nào? Nếu khảo sát DĐ
54 Để nghiên cứu CĐ của một vật bằng lí thuyết, có thể vận dụng ĐL II Niu- tơn. - Thí nghiệm cần phải xác định được toạ độ của vật ở mỗi thời điểm và có thể sử dụng phần mềm phân tích video.
Chọn trục toạ độ như hình vẽ, gốc toạ độ O tại vị trí cân bằng. Áp dụng định luật II Niu-tơn ta có: F= - kx = ma => kxmx" => x " k x 0 m Đặt 2 k 2 x '' x 0(*) m
HS thảo luận chung toàn lớp.
- Căn cứ vào kết quả thực nghiệm ta có thể dự đoán nghiệm của phương trình được biểu diễn dưới dạng hàm số sin hoặc cosin theo thời gian.
bằng con đường thực nghiệm thì phải tiến hành thí nghiệm như thế nào?
GV nêu các câu hỏi gợi ý:
- Phân tích các lực tác dụng vào vật? - Viết phương trình định luật II Niu-tơn.
GV thông báo:
- Đây là phương trình mà các em chưa biết PP giải.
GV thông báo:
- Toạ độ x trong phương trình trên là li độ. - Nghiệm toán học của phương trình (*) có dạng: x = Acos(t + ), trong đó A và là hai hằng số bất kì.
55 HS chú ý lắng nghe
HS thảo luận chung toàn lớp.