Bài tập về Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng

Lý thuyết

1. Dao động tắt dần

a. Quan sát hiện tượng dao động tắt dần

- Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian

b. Giải thích hiện tượng dao động tắt dần

- Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn ngược chiều chiều chuyển động của vật. Do đó, công của cản tác dụng lên vật luôn âm làm cho cơ năng giảm. Từ đó biên độ dao động của vật giảm dần theo thời gian

2. Dao động cưỡng bức và hiện tượng cộng hưởng

a. Dao động cưỡng bức

- Dao động của vật dưới tác dụng của ngoại lực điều hòa trong giai đôạn ổn định được gọi là dao động cưỡng bức. Ngoại lực điều hòa tác dụng vào vật khi này được gọi là lực cưỡng bức

- Tính chất của dao động cưỡng bức

+ Dao động cưỡng bức trong giai đoạn ổn định là dao động điều hòa

+ Tần số góc của dao động cưỡng bức bằng tần số góc của lực cưỡng bức

+ Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ F₀, độ chênh lệch giữa tần số góc của lực cưỡng bức và tần số góc riêng của hệ, lực cản của môi trường xung quanh

b. Hiện tượng cộng hưởng

- Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số góc của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số góc riêng của hệ dao động. Khi này, biên độ dao động cưỡng bức của hệ đạt giá trị cực đại A_max

c. Lợi ích và tác hại của hiện tượng cộng hưởng

- Khi thiết kế các công trình lớn như nhà cao tầng hoặc cầu đường, các kĩ sư cần có những phương án xử lí kĩ thuật nhằm tránh xảy ra cộng hưởng trên hệ thống

- Sóng địa chấn đã tạo ra lực cưỡng bức lên các tòa nhà, gây hiện tượng cộng hưởng làm nhiều tòa nhà có độ cao trung bình rung lắc dữ dội và sụp đổ hoàn toàn, trong khi những tòa nhà cao hơn hoặc thấp hơn hẳn lại đứng vững

- Trong lĩnh vực âm nhạc: Mỗi nhạc cụ phát ra những giai điệu âm thanh mang nét đặc trưng riêng của nhạc cụ đó. Để khuếch đại độ to của âm thanh mà không làm mất đi nét đặc trưng riêng đó, người ta sử dụng buồng đặc biệt là buồng cộng hưởng

Sơ đồ tư duy về “Dao động tắt dần và hiện tượng cộng hưởng”

Bài tập tự luyện

Câu 1. Một vật dao động tắt dần có các đại lượng giảm liên tục theo thời gian là

A. biên độ và gia tốc

B. li độ và tốc độ

C. biên độ và năng lượng

D. biên độ và tốc độ

Lời giải:

Theo định nghĩa về dao động tắt dần thì biên độ và năng lượng giảm liên tục theo thời gian.

Câu 2. Khi nói về dao động cưỡng bức, phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Dao động của con lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức.

B. Biên độ của dao động cưỡng bức là biên độ của lực cưỡng bức.

C. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

D. Dao động cưỡng bức có tần số nhỏ hơn tần số của lực cưỡng bức.

Lời giải:

A.đúng vì dao động của con lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức.

B. sai vì biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số ngoại lực tỉ lệ với biên độ của ngoại lực.

C. sai vì dao động cưỡng bức có biên độ thay đổi và đạt cực đại khi tần số lực cưỡng bức bằng tần số riêng

D. sai vì dao động cưỡng bức có tần số chính là tần số của lực cưỡng bức.

Câu 3. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động

A. với tần số bằng tần số dao động riêng.

B. mà không chịu ngoại lực tác dụng.

C. với tần số lớn hơn tần số dao động riêng.

D. với tần số nhỏ hơn tần số dao động riêng.

Lời giải:

Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động với tần số bằng tần số dao động riêng.

Câu 4. Một vật dao động tắt dần có các đại lượng nào sau đây giảm liên tục theo thời gian?

A. Biên độ và tốc độ

B. Biên độ và gia tốc

C. Li độ và tốc độ

D. Biên độ và cơ năng

Lời giải:

Một vật dao động tắt dần có các đại lượng nào sau đây giảm liên tục theo thời gian là biên độ và cơ năng.

Câu 5. Đối với dao động cơ, hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số của lực cưỡng bức

A. rất nhỏ so với tần số riêng của hệ.

B. bằng chu kỳ riêng của hệ.

C. bằng tần số riêng của hệ

D. rất lớn so với tần số riêng của hệ.

Lời giải:

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số (chu kỳ) của dao động cưỡng bức bằng với tần số (chu kỳ) của dao động riêng của hệ.

Câu 6. Nhận định nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học tắt dần?

A. Trong dao động tắt dần, cơ năng giảm dần theo thời gian.

B. Lực ma sát càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh.

C. Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian

D. Dao động tắt dần có động năng giảm dần còn thế năng biến thiên điều hoà.

Lời giải:

Cơ năng có biểu thức W = (1/2)mω²A² nên cơ năng tỉ lệ với bình phương biên độ vì thế cơ năng giảm nhanh hơn biên độ (A đúng).

Nguyên nhân tắt dần là do lực cản của môi trường vì thế lực cản càng lớn thì dao động tắt dần càng nhanh (B đúng). Theo định nghĩa thì dao động tắt dần là dao động có biên độ và năng lượng giảm dần theo thời gian (C đúng). Dao động tắt dần không còn tính tuần hoàn nữa nên động năng và thế năng biến thiên không tuần hoàn suy ra không điều hòa (D sai).

Câu 7. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động

A. với tần số bằng tần số dao động riêng.

B. với tần số nhỏ hơn tần số dao động riêng.

C. với tần số lớn hơn tần số dao động riêng.

D. mà không chịu ngoại lực tác dụng

Lời giải:

Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động với tần số bằng tần số dao động riêng.

Câu 8. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?

A. Biên độ của dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng không phụ thuộc vào lực cản của môi trường.

B. Tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy.

C. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ.

D. Tần số dao động tự do của một hệ cơ học là tần số dao động riêng của hệ ấy.

Lời giải:

Khi đọc xong 4 đáp án thì ta nhận thấy rằng:

C luôn đúng vì hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ.

D cũng luôn đúng vì tần số dao động tự do của một hệ cơ học là tần số dao động riêng của hệ ấy. Trong dao động cưỡng bức thì tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy (B đúng). Còn lại A chắc chắn là đáp án cần tìm.

A sai vì biên độ của dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng vẫn phụ thuộc vào lực cản của môi trường.

Câu 9. Khi nói về dao động cưỡng bức, phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Dao động của con lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức.

B. Biên độ của dao động cưỡng bức là biên độ của lực cưỡng bức.

C. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.

D.Dao động cưỡng bức có tần số nhỏ hơn tần số của lực cưỡng bức.

Lời giải:

A.Dao động của con lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức. Đúng

B. Sai. Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số ngoại lực tỉ lệ với biên độ của ngoại lực.

C. Sai. Dao động cưỡng bức có biên độ thay đổi và đạt cực đại khi tần số lực cưỡng bức bằng tần số riêng

D. Sai. Dao động cưỡng bức có tần số chính là tần số của lực cưỡng bức.

Câu 10. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về dao động tắt dần?

A. Dao động tắt dần có biên độ giảm dần theo thời gian.

B. Cơ năng của vật dao động tắt dần không đổi theo thời gian.

C. Lực cản môi trường tác dụng lên vật luôn sinh công dương.

D. Dao động tắt dần là dao động chỉ chịu tác dụng của nội lực.

Lời giải:

A. đúng vì theo định nghĩa: Dao động tắt dần có biên độ và năng lượng giảm dần theo thời gian.

B. sai vì biên độ nhỏ dần theo thời gian nên cơ năng của vật dao động cũng nhỏ dần theo thời gian nên cơ năng dao động tắt dần thay đổi theo thời gian

C. sai vì lực cản môi trường tác dụng lên vật luôn sinh công âm.

D. sai vì dao động tắt dần là dao động chỉ chịu tác dụng của ngoại lực.

Câu 11. Phát biểu nào sau đây sai về các dao động cơ?

A. Một vật dao động điều hoà với tần số góc ω thì gia tốc của vật biến đổi theo thời gian theo phương trình: a = Acos(ωt + φ) (với A là độ lớn gia tốc cực đại).

B. Một vật dao động duy trì thì có chu kì dao động chỉ phụ thuộc vào đặc tính của hệ.

C. Một vật dao động tự do thì tác dụng lên vật chỉ có nội lực.

D. Con lắc lò xo dao động cưỡng bức thì tần số dao động luôn bằng: 

Lời giải:

A. Một vật dao động điều hoà với tần số góc ω thì gia tốc của vật biến đổi theo thời gian theo phương trình: a = Acos(ωt + φ) (với A là độ lớn gia tốc cực đại). Đúng vì gia tốc dao động điều hòa với tần số góc

B. Một vật dao động duy trì thì có chu kì dao động chỉ phụ thuộc vào đặc tính của hệ. Đúng vì chu kỳ của dao động duy trì luôn điều chỉnh để bằng với chu kỳ dao động tự do

C. Một vật dao động tự do thì tác dụng lên vật chỉ có nội lực. Đúng vì theo tính chất của dao động tự do

D. Con lắc lò xo dao động cưỡng bức thì tần số dao động chỉ bằng:  khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Vậy câu này sai

Câu 12. Một người xách một xô nước đi trên đường mỗi bước đi dài 50 cm thì nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất. Vận tốc đi của người đó là 2,5 km/h. Chu kỳ dao động riêng của nước trong xô là:

A. 0,72 s.      B. 0,35 s.      C. 0,45 s.     D. 0,52 s.

Lời giải:

Ta chuyển đơn vị vận tốc về m/s: v = 2,5 km/h = 25/36 m/s

Nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khi đó chu kỳ của dao động của người bằng với chu kỳ dao động riêng của nước trong xô:

Câu 13. Một người đi bộ với bước đi dài Δs = 0,6m. Nếu người đó xách một xô nước mà nước trong xô dao động với tần số f = 2 Hz. Người đó đi với vận tốc bao nhiêu thì nước trong xô sóng sánh mạnh nhất ?

A. 2,85 km/h.     B. 3,95 km/h.

C. 4,32 km/h.     D. 5,00 km/h.

Lời giải:

Nước trong xô bị sóng sánh mạnh nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khi đó chu kỳ của dao động của người bằng với chu kỳ dao động riêng của nước trong xô ⇒ T = 1/f = 0,5 (s)

Khi đó tốc độ đi của người đó là: v = S/t = S/T = 0,6/0,5 = 1,2 m/s = 4,32 km/h

Câu 14. Một con lắc đơn (vật nặng có khối lượng m , chiều dài dây treo l = 1 m) dao động điều hòa dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn F = F₀cos(2πft + π/2) (N). Lấy g = π² = 10 m/s². Nếu tần số f của ngoại lực thay đổi liên tục từ 0,25 Hz đến 1 Hz thì biên độ dao động của con lắc

A. không thay đổi     B. luôn tăng

C. luôn giảm     D. tăng rồi giảm

Lời giải:

Trước tiên tìm tần số dao động riêng:

⇒ biên độ tăng rồi giảm.

Câu 15. Một lò xo có khối lượng không đáng kể treo một viên bi nhỏ có khối lượng 200 gam thì khi cân bằng lò xo giãn 2 cm. Khi vật đang đứng yên ở vị trí cân bằng thì người ta tác dụng một ngoại lực biến thiên tuần hoàn có phương trình F = F_ocos(ωt) với F₀ không đổi còn ω thay đổi được. Với tần số 2,6 HZ thì biên độ dao động của vật là A₁, với tần số 3,4 HZ thì biên độ là A₂. Lấy g = 10 m/s². Hãy chọn kết luận đúng:

A. A₁ < A₂     B. A₁ = A₂

C. A₁ > A₂     D. A₁ ≤ A₂

Lời giải:

Tần số dao động riêng:

Suy ra biên độ luôn tăng nên A₂ > A₁

Câu 16. Con lắc lò xo gồm vật nặng m = 100g và lò xo nhẹ có độ cứng k = 100 N/m. Tác dụng một ngoại lực cưỡng bức biến thiên điều hòa biên độ F₀ và tần số f₁ = 4,5 Hz thì biên độ dao động A₁. Nếu giữ nguyên biên độ F₀ mà tăng tần số ngoại lực đến f₂ = 5,5 Hz thì biên độ dao động ổn định là A₂. Kết luận đúng là:

A. biên độ dao động cưỡng bức tăng rồi giảm

B. A₁ = A₂

C. A₂ > A₁

D. A₁ > A₂

Lời giải:

Tần số dao động riêng:

⇒ Biên độ tăng rồi giảm.

Câu 17. Một con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng trong môi trường có lực cản. Tác dụng vào con lắc một lực cưỡng bức tuần hoàn F = F_ocosωt, tần số góc ω thay đổi được. Khi thay đổi tần số góc đến giá trị ω₁ và 3ω₁ thì biên độ dao động của con lắc đều bằng A₁. Khi tần số góc bằng 2ω₁ thì biên độ dao động của con lắc bằng A₂. So sánh A₁ và A₂, ta có

A. A₁ < A₂      B. A₁ = A₂     C. A₁ > A₂     D. A₁ = 2A₂.

Lời giải:

+ Coi tần số riêng của con lắc lò xo là f₀; f là tần số dao động của ngoại lực cưỡng bức

+ Biên độ dao động của hệ phụ thuộc vào F₀ (coi như không đổi) và |f - f_o|

+ Khi thay đổi tần số góc đến giá trị ω₁ (f₁) biên độ dao động của con lắc là A₁

+ Khi thay đổi tần số góc đến giá trị 2ω₁ (f₂) biên độ dao động của con lắc là A₂

⇒ |f₁-f_o| < |f₂-f_o| ⇒ A₁ < A₂

Câu 18. Một dao động riêng có tần số 15 Hz được cung cấp năng lượng bởi một ngoại lực biến thiên tuần hoàn có tần số thay đổi được. Khi tần số ngoại lực lần lượt là 8 Hz, 12 Hz, 16 Hz, 20 Hz thì biên độ dao động cưỡng bức lần lượt là A₁, A₂, A₃, A₄ Kết luận nào sau đây là đúng:

A. A₃ < A₂ < A₄ < A₅

B. A₁ > A₂ > A₃ > A₄

C. A₁ < A₂ < A₃ < A₄

D. A₃ > A₂ > A₄ > A₁

Lời giải:

Giả thiết cho: f₀ = 15 Hz, f₁ = 8 Hz; f₂ = 12 Hz; f₃ = 16 Hz; f₄ = 20 Hz

Xét Δf = |f-f_o| khi Δf càng bé thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn.

Khi Δf = 0 thì A = A_max có sự cộng hưởng

Do đó: Δf₃ < Δf₂ < Δf₄ < Δf₁ (1 < 3 < 5 < 7).

Vậy suy ra A₃ > A₂ > A₄ > A₁

Câu 19. Một con lắc lò xo gồm vật nặng có khối lượng m = 100g, lò xo có độ cứng k = 40 N/m. Tác dụng vào vật một lực tuần hoàn biên độ F₀ và tần số f₁ = 4 Hz thì biên độ dao động ổn định là A₁. Nếu giữ nguyên biên độ F₀ nhưng tăng tần số đến giá trị f₂ = 5 Hz thì biên độ dao động của hệ là A₂. Chọn phương án đúng

A. A₂ > A₁      B. A₂ = A₁     C. A₂ < A₁      D. A₂ ≥ A₁.

Lời giải:

Tần số dao động riêng:

+ Ta có |f₂ - f_o| > |f₁-f_o| nên A₂ < A₁

Câu 20. Một con lắc dao động tắt dần, cứ sau mỗi chu kỳ biên độ giảm 3%. Phần năng lượng của con lắc bị mất đi trong một dao động toàn phần là bao nhiêu?

A. ΔW = 6%     B. ΔW = 7%

C. ΔW = 8%     D. ΔW = 9%

Lời giải:

Xem thêm các dạng  bài tập liên quan hay, chi tiết khác:

30 Bài tập về Một số dao động điều hoà thường gặp (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về Năng lượng trong dao động điều hoà (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về Mô tả sóng (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về Sóng ngang. Sóng dọc. Sự truyền năng lượng của sóng cơ (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về Dao động tắt dần. Dao động cưỡng bức. Hiện tượng cộng hưởng (2024) có đáp án chi tiết nhất