Bài tập chu kỳ dao động con lắc đơn chịu ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài

Đặng Quang Huy -  CTV Thư Viện Vật Lý

PHẦN I. MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

- Vật lý là một môn học khó và trừu tượng, cơ sở của nó là toán học. Bài tập vật lý rất đa dạng và phong phú. Trong phân phối chương trình số tiết Bài tập lại hơi ít so với nhu cầu cần củng cố và nâng cao kiến thức cho học sinh. Chính vì thế, người giáo viên phải làm thế nào để tìm ra phương pháp tốt nhất nhằm tạo cho học sinh niềm say mê yêu thích môn học này. Giúp học sinh việc phân loại các dạng bài tập và hướng dẫn cách giải là rất cần thiết. Việc làm này rất có lợi cho học sinh trong thời gian ngắn đã nắm được các dạng bài tập, nắm được phương pháp giải và từ đó có thể phát triển hướng tìm tòi lời giải mới cho các dạng bài tương tự.

- Trong yêu cầu về đổi mới giáo dục về việc đánh giá học sinh bằng phương pháp trắc nghiệm khách quan thì khi nắm được dạng bài và phương pháp giải sẽ giúp cho học sinh nhanh chóng trả được bài .

- Trong chương trình Vật lý lớp 12, chương “Dao động cơ học”có nhiều dạng bài tập phức tạp và khó. Nhóm các bài toán về chu kỳ của con lắc đơn chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như: nhiệt độ, độ cao, độ sâu, lực điện trường, lực quán tính ... là một trong những nhóm bài tập phức tạp và khó nhất trong chương, học sinh khá, giỏi thường rất lúng túng trong việc tìm cách giải các dạng toán này. Xuất phát từ thực trạng trên, qua kinh nghiệm giảng dạy, tôi chọn đề tài: “PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ BÊN NGOÀI”.

2. Mục đích nghiên cứu

- Đề tài nhằm giúp học sinh khá, giỏi khắc sâu những kiến thức lí thuyết , có một hệ thống bài tập và phương pháp giải chúng, giúp các em có thể nắm được cách giải và từ đó chủ động vận dụng các phương pháp này trong khi làm bài tập có liên quan. Từ đó học sinh có thêm kỹ năng về cách giải các bài tập Vật lí, có thể nhanh chóng giải các bài toán trắc nghiệm về dao động điều hòa của con lắc đơn phong phú và đa dạng.

- Nhằm xây dựng một chuyên đề sâu, chi tiết có thể làm tài liệu tham khảo cho các đồng nghiệp ôn thi Đại học - Cao đẳng và luyện thi học sinh giỏi cấp tỉnh.

3. Đối tượng nghiên cứu

Nhóm các bài tập về chu kỳ dao động của con lắc đơn chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài, trong chương “Dao động cơ học”- Vật lý 12 Nâng cao.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu một số vấn đề lý luận về bài tập vật lý.

- Phân loại bài tập và đề ra phương pháp giải cho từng loại.

- Lựa chọn hệ thống bài tập vận dụng.

5. Phạm vi nghiên cứu

Các bài tập về chu kỳ dao động của con lắc đơn chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài trong chương II- vật lý 12 NC và trong các tài liệu tham khảo dành cho học sinh ôn thi đại học, ôn thi học sinh giỏi lớp 12 cấp tỉnh.

6. Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài tôi sử dụng các phương pháp chủ yếu là nghiên cứu lý luận về bài tập Vật lý và các tài liệu tham khảo nâng cao khác có liên quan đến đề tài.

-----------

Dưới đây là Nội dung, vì trình bày trên web gặp nhiều khó khăn, bạn có thể download file word ở đây -> SKKN: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ BÊN NGOÀI - https://thuvienvatly.com/download/13506

-----------

PHẦN II. NỘI DUNG

I- MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ LUẬN VỀ BÀI TẬP VẬT LÝ

1.1. Vai trò của bài tập vật lý trong việc giảng dạy vật lý.

Việc giảng dạy bài tập vật lý trong nhà trường không chỉ giúp học sinh hiểu được một cách sâu sắc và đầy đủ những kiến thức quy định trong chương trình mà còn giúp các em vận dụng những kiến thức đó để giải quyết những nhiệm vụ của học tập và những vấn đề mà thực tiễn đã đặt ra.

Muốn đạt được điều đó, phải thường xuyên rèn luyện cho học sinh những kỹ năng, kỹ xảo vận dụng kiến thức vào cuộc sống hằng ngày.

Kỹ năng vận dụng kiến thức trong bài tập và trong thực tiễn đời sống chính là thước do mức độ sâu sắc và vững vàng của những kiến thức mà học sinh đã thu nhận được. Bài tập vật lý với chức năng là một phương pháp dạy học có một vị trí đặc biệt trong dạy học vật lý ở trường phổ thông.

Trước hết, vật lý là một môn khoa học giúp học sinh nắm dược qui luật vận động của thế giới vật chất và bài tập vật lý giúp học sinh hiểu rõ những qui luật ấy, biết phân tích và vận dụng những qui luật ấy vào thực tiễn. Trong nhiều trường hợp mặc dù người giáo viên có trình bày tài liệu một cách mạch lạc, hợp lôgích, phát biểu định luật chính xác, làm thí nghiệm đúng yêu cầu, qui tắc và có kết quả chính xác thì đó chỉ là điều kiện cần chứ chưa đủ để học sinh hiểu và nắm sâu sắc kiến thức . Chỉ thông qua việc giải các bài tập vật lý dưới hình thức này hay hình thức khác nhằm tạo điều kiện cho học sinh vận dụng kiến thức đã học để giải quyết các tình huống cụ thể thì kiến thức đó mới trở nên sâu sắc và hoàn thiện.

Trong qúa trình giải quyết các tình huống cụ thể do các bài tập vật lý đặt ra, học sinh phải sử dụng các thao tác tư duy như phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa , trừu tượng hóa… để giải quyết vấn đề, do đó tư duy của học sinh có điều kiện để phát triển. Vì vậy có thể nói bài tập vật lý là một phương tiện rất tốt để phát triển tư duy, óc tưởng tượng, khả năng độc lập trong suy nghĩ và hành động, tính kiên trì trong việc khắc phục những khó khăn trong cuộc sống của học sinh.

Bài tập vật lý là cơ hội để giáo viên đề cập đến những kiến thức mà trong giờ học lý thuyết chưa có điều kiện để đề cập qua đó nhằm bổ sung kiến thức cho học sinh.

Đặc biệt, để giải được các bài tập vật lý dưới hình thức trắc nghiệm khách quan học sinh ngoài việc nhớ lại các kiến thức một cách tổng hợp, chính xác ở nhiều phần, nhiều chương, nhiều cấp học thì học sinh cần phải rèn luyện cho mình tính phản ứng nhanh trong từng tình huống cụ thể, bên cạnh đó học sinh phải giải thật nhiều các dạng bài tập khác nhau để có được kiến thức tổng hợp, chính xác và khoa học .

1.2. Phân loại bài tập vật lý.

1.2.1) Bài tập vật lý định tính hay bài tập câu hỏi lý thuyết.

- Là bài tập mà học sinh không cần phải tính toán (Hay chỉ có các phép toán đơn giản) mà chỉ vận dụng các định luật, định lý, qui luật để giải tích hiện tượng thông qua các lập luận có căn cứ, có lôgich.

- Nội dung của các câu hỏi khá phong phú, và đòi hỏi phải vận dụng rất nhiều các kiến thức vật lý.

- Thông thường để giải các bài toán này cần tiến hành theo các bước:

* Phân tích câu hỏi

* Phân tích hiện tượng vật lý có đề cập đến trong câu hỏi để từ đó xác định các định luật, khái niệm vật lý hay một qui tắc vật lý nào đó để giải quyết câu hỏi.

* Tổng hợp các điều kiện đã cho với các kiến thức tương ứng để trả lời câu hỏi.

1.2.2) Bài tập vật lý định lượng

Đó là loại bài tập vật lý mà muốn giải quyết nó ta phải thực hiện một loạt các phép tính. Dựa vào mục đích dạy học ta có thể phân loại bài tập dạng này thành 2 loại:

* Bài tập tập dượt: Là bài tập đơn giản được sử dụng ngay khi nghiên cứu một khái niệm hay một qui tắc vật lý nào dó để học sinh vật dụng kiến thức vừa mới tiếp thu.

* Bài tập tổng hợp: Là những bài tập phức tạp mà muốn giải nó học sinh vận dụng nhiều kiến thức ở nhiều phần, nhiều chương, nhiều cấp học và thuộc nhiều lĩnh vực

Đặc biệt, khi các câu hỏi loại này được nêu dưới dạng trắc nghiệm khách quan thì yêu cầu học sinh phải nhớ kết quả cuối cùng đã dược chứng minh trước đó để giải nó một cách nhanh chóng. Vì vậy yêu cầu học sinh phải hiểu bài một cách sâu sắc để vận dụng kiến thức ở mức độ cao .

1.2.3) Bài tập đồ thị

Đó là bài tập mà dữ kiện đề bài cho dưới dạng đồ thị hay trong quá trình giải nó ta phải sử dụng dồ thị. ta có thể phân loại dạng câu hỏi nay thành các loại:

* Đọc và khai thác đồ thị đã cho: Bài tập loại này có tác dụng rèn luyện cho học sinh kỹ năng đọc đồ thị, biết cách đoán nhận sự thay đổi trạng thái của vật thể, hệ vật lý, của một hiện tượng hay một quá trình vật lý nào đó. Biết cách khai thác từ đồ thị những dữ để giải quyết một vấn đề cụ thể.

* Vẽ đồ thị theo những dữ liệu đã cho: bài tập này rèn luyện cho học sinh kỹ năng vẽ đồ thị, nhất là biết cách chọn hệ tọa độ và tỉ lệ xích thích hợp để vẽ đồ thị chính xác.

1.2.4) Bài tập thí nghiệm

Là loại bài tập cần phải tiến hành các thí nghiệm hoặc để kiểm chứng cho lời giải lý thuyết, hoặc để tìm những số liệu, dữ kiện dùng trong việc giải các bài tập.Tác dụng cụ thể của loại bài tập này là Giáo dục, giáo dưỡng và giáo dục kỹ thuật tổng hợp. Đây là loại bài tập thường gây cho học sinh cảm giác lí thú và đặc biệt đòi hỏi học sinh ít nhiều tính sáng tạo.

II- CÁC CÔNG THỨC ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI.

1. Chu kỳ dao động của con lắc đơn:

: Chiều dài của con lắc (m).

g: Gia tốc trọng trường (m/s2).

2. Công thức về sự nở dài:

: Chiều dài dây treo (kim loại) ở 0oC (m)

: Chiều dài dây treo (kim loại) ở toC (m)

: Hệ số nở dài của dây treo kim loại (K-1).

3. Gia tốc trọng trường

- Gia tốc trọng trường ở mực nước biển:

G = 6,67.10-11N.m2/kg2: Hằng số hấp dẫn.

M: Khối lượng của trái đất

R: Bán kính trái đất

- Gia tốc trọng trường ở độ cao h so với mực nước biển:

=>

- Gia tốc trọng trường ở độ sâu d so với mực nước biển:

=>

4. Lực điện trường:

q: Điện tích trong điện trường (C).

: Cường độ điện trường (V/m).

+ q > 0 cùng hướng với .

+ q < 0 ngược hướng với .

+ Độ lớn:

5. Lực quán tính:

m: khối lượng của vật (kg)

a : Gia tốc của hệ quy chiếu (m/s2)

+ luôn ngược hướng với

+ Độ lớn: Fqt = ma

6. Các công thức gần đúng

Nếu x, x1, x2 là những số dương rất nhỏ

Ta có:

; ;

III- PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ BÊN NGOÀI.

Loại 1: Xác định thời gian đồng hồ quả lắc (được xem như con lắc đơn) chạy sai trong một ngày đêm khi thay đổi nhiệt độ, độ cao, độ sâu và vị trí trên trái đất.

1.1. Định hướng phương pháp chung

- Gọi T­1 là chu kỳ chạy đúng; T2 là chu kỳ chạy sai

- Trong thời gian T1 (s) đồng hồ chạy sai│T2 - T1 │(s)

1(s) đồng hồ chạy sai (s)

- Vậy trong 1 ngày đêm ∆t = 86400(s) đồng hồ chạy sai:

θ = ∆t. = (s)

Các bước giải

- B1: Từ các công thức có liên quan đến yêu cầu của bài tập, thiết lập tỉ số

- B2: Biện luận

+ Nếu > 1 => T2 > T1 : chu kỳ tăng => đồng hồ chạy chậm lại.

+ Nếu < 1 => T2 < T1 : chu kỳ giảm => đồng hồ chạy nhanh lên.

- B3: Xác định thời gian đồng hồ quả lắc chạy nhanh hay chậm trong một ngày đêm bằng công thức:

θ = ∆t. = (s)

2.1. Xác định thời gian đồng hồ chạy sai khi thay đổi nhiệt độ (Các yếu tố khác không đổi)

Ở nhiệt độ t1 đồng hồ chạy đúng, khi nhiệt độ thay đổi đến giá trị t2 thì đồng hồ chạy sai

- Áp dụng các công thức ở mục II:

=>

=>

Ta có:

Vì ( ), ( ) << 1 nên áp dụng các công thức gần đúng ta có:

- Biện luận:

+ Nếu t2 > t1 => => T2 > T1 : chu kỳ tăng => đồng hồ chạy chậm lại.

+ Nếu t2 < t1 => => T2 < T1 : chu kỳ giảm => đồng hồ chạy nhanh lên.

- Trong một ngày đêm đồng hồ chạy sai: θ = = 43200 (s)

3.1. Xác định thời gian đồng hồ chạy sai ở độ cao h và độ sâu d so với mực nước biển (coi nhiệt độ không đổi)

* Ở mực nước biển đồng hồ chạy đúng, khi đưa đồng hồ lên độ cao h thì đồng hồ chạy sai

- Ta có:

- Lập luận: => T2 > T1 đồng hồ chạy chậm lại.

- Trong một ngày đêm đồng hồ chạy chậm: θ = = 86400 (s)

* Ở mực nước biển đồng hồ chạy đúng, khi đưa đồng hồ xuống độ sâu h thì đồng hồ chạy sai

- Ta có:

Vì , áp dụng công thức gần đúng ta có:

- Lập luận: => T2 > T1 đồng hồ chạy chậm lại.

- Trong một ngày đêm đồng hồ chạy chậm: θ = = 43200 (s)

4.1 Xác định thời gian đồng hồ chạy sai khi cả độ cao (hoặc độ sâu) và nhiệt độ thay đổi

a) Tại mặt đất nhiệt độ t1 đồng hồ chạy đúng. Khi đưa đồng hồ lên độ cao h nhiệt độ t2 đồng hồ chạy sai.

-

Áp dụng các công thức gần đúng ta có:

- Nếu t2 > t1 => => T2 > T1 : chu kỳ tăng => đồng hồ chạy chậm lại.

- Nếu t2 < t1 => => T2 < T1 : chu kỳ giảm => đồng hồ chạy nhanh lên.

- Trong 1 ngày đêm đồng hồ chạy sai: θ = = 86400 (s).

b) Tại mặt đất nhiệt độ t1 đồng hồ chạy đúng. Khi đưa đồng hồ xuống giếng sâu d nhiệt độ t2. Trong 1 ngày đêm đồng hồ chạy sai:

Tương tự ta chứng minh được trong một ngày đêm đồng hồ chạy sai:

θ = = 43200 (s).

5.1. Xác định thời gian đồng hồ chạy sai khi thay đổi vị trí trên trái đất (nhiệt độ không đổi)

- Tại nơi có gia tốc trọng trường g1 đồng hồ chạy đúng với:

- Tại nơi có gia tốc trọng trường g2 đồng hồ chạy sai với:

- Ta có

+ Nếu g2 > g1 => => T2 < T1 đồng hồ chạy nhanh lên.

+ Nếu g2 < g1 => => T2 > T1 đồng hồ chạy chậm lại.

- Trong một ngày đêm đồng hồ chạy sai: θ = = (s).

* Nếu cả vị trí và nhiệt độ thay đổi thì trong một ngày đêm đồng hồ chạy sai:

θ = .

Loại 2: Khảo sát dao động nhỏ của con lắc đơn khi có thêm một lực phụ không đổi tác dụng (ngoài trọng lực và lực căng dây treo)

1.2. Định hướng phương pháp chung

- Coi con lắc chịu tác dụng của một trọng lực hiệu dụng (trọng lực biểu kiến):

=> gia tốc trọng trường hiệu dụng:

- Vị trí cân bằng của con lắc là vị trí dây treo có phương trùng với phương của

- Chu kỳ dao động nhỏ của con lắc:

Vậy để xác định được chu kỳ T’ cần xác định được gia tốc trọng trường hiệu dụng g’

2.2 Xác định chu kỳ dao động của con lắc đơn dưới tác dụng của lực điện trường

- Khi không có điện trường chu kỳ dao động của con lắc là: .

- Khi đặt con lắc vào điện trường đều có véc tơ cường độ điện trường thì nó chịu tác dụng của Trọng lực và lực điện trường , hợp của hai lực này ký hiệu là , và được gọi là trọng lực hiệu dụng hay trọng lực biểu kiến. Ta xét một số trường hợp thường gặp:

a) Trường hợp 1: hướng thẳng đứng xuống dưới.

Khi đó để xác định chiều của ta cần biết dấu của q.

* Nếu q > 0: cùng hướng với => hướng thẳng đứng xuống dưới

Ta có: P’ = P + F => g’ = g +

Chu kỳ dao động của con lắc trong điện trường: < T

=>

* Nếu q < 0: ngược hướng với => hướng thẳng đứng lên trên

Ta có: P’ = P - F => g’ = g -

Chu kỳ dao động của con lắc trong điện trường: > T

=>

b) Trường hợp 2: hướng thẳng đứng lên trên.

Tương tự như trên ta chứng minh được:

* Nếu q > 0 thì chu kỳ dao động của con lắc là: > T

* Nếu q < 0 thì chu kỳ dao động của con lắc là: < T.

c) Trường hợp 3: có phương ngang

=> có phương ngang

vuông góc với => tại vị trí cân bằng dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc (hình vẽ).

- Từ hình vẽ ta có:

- Về độ lớn:

- Chu kỳ dao động của con lắc trong điện trường là:

< T.

3.2. Xác định chu kỳ dao động của con lắc đơn dưới tác dụng của lực quán tính.

Khi con lắc đơn được đặt trong một hệ quy chiếu chuyển động với gia tốc (hệ quy chiếu phi quán tính) thì ngoài trọng lực và lực căng của dây treo con lắc còn chịu tác dụng của lực quán tính . Trọng lực hiệu dụng

Gia tốc trọng trường hiệu dụng: . Xét một số trường hợp thường gặp:

a) Trường hợp 1: Con lắc treo trong thang máy đang chuyển động thẳng đứng lên trên với gia tốc

- Thang máy chuyển động nhanh dần đều: ngược hướng với => g’ = g + a

Chu kỳ dao động của con lắc trong thang máy:

Ta có: (T chu kỳ dao động của con lắc khi thang máy đứng yên hay chuyển động thẳng đều)

- Thang máy chuyển động chậm dần đều: cùng hướng với => g’ = g - a

;

b) Trường hợp 2: Con lắc treo trong thang máy đang chuyển động thẳng đứng xuống dưới với gia tốc

- Thang máy chuyển động nhanh dần đều: cùng hướng với => g’ = g – a

;

- Thang máy chuyển động chậm dần đều: ngược hướng với => g’ = g + a

;

c) Trường hợp 3: Con lắc đơn được treo trên xe chuyển động theo phương ngang với gia tốc => có phương ngang và ngược hướng với .

- Tại vị trí cân bằng dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc

Ta có .

- Về độ lớn:

- Chu kỳ dao động của con lắc:

Cách khác: Ta có =>

=>

IV- BÀI TẬP ÁP DỤNG

1. Nhóm các bài tập thuộc loại 1

Bài 1.1: Một con lắc đơn chạy đúng giờ vào mùa hè khi nhiệt độ là 320C. Khi nhiệt độ vào mùa đông là 170C thì nó sẽ chạy nhanh hay chậm? Nhanh hay chậm bao nhiêu giây trong 12 giờ, biết hệ số nở dài của dây treo là λ = 2.10-5K-1, ℓ0 = 1m.