SKKN 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 HÓA NĂM 2018
MỤC LỤC
TT
NỘI DUNG
TRANG
1
PHẦN I. MỞ ĐẦU
2
2
PHẦN II. NỘI DUNG
3
I- VAI TRÒ BÀI TẬP VẬT LÝ
3
II- CÁC CÔNG THỨC ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI.
4
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
5
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.
5
V.BÀI TẬP ÁP DỤNG
6
3
PHẦN III. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
12
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
13
PHẦN I. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
 - Từ trước đến nay trong các môn học ở trường THPT thì môn vật lí có thể đánh giá là một môn học khó và trừu tượng, vì để học tốt môn vật lí đòi hỏi học sinh ngoài phải có một kiến thức toán học tốt còn phải có khả năng tư duy, tưởng tượng để nhận định được các khả năng có thể xảy ra. Số dạng bài tập vật lí rất đa dạng và phong phú tuy nhiên thời gian để học sinh rèn luyện trong phân phối chương trình thì lại ít. Chính vì thế trong quá trình dạy học , người thầy phải làm thế nào để tìm ra phương pháp tốt nhất để tạo nên hứng thú học tập cho học sinh, đặc biệt đối với các dạng bài tập thì phải phân dạng được bài tập và hướng dẫn cách giải cho học sinh để các em có thể tham khảo tìm hiểu thêm trong quá trình tự học ở nhà là rất cần thiết. Đặc biệt trong hình thức kiểm tra đánh giá bằng phương pháp thi trắc nghiệm khách quan thì khi nắm chắc được các dạng bài sẽ giúp các em nhanh chóng tìm được kết quả chính xác với thời gian ngắn nhất.
 - Trong chương trình vật lí 12 chương “ Dao động cơ học” có thể nói số dạng bài tập là nhiều và có nhiều dạng bài phức tạp và khó trong đó các dạng bài như chu kì con lắc đơn , biên độ, năng lượng con lắc đơn, con lắc lò xo khi chịu tác dụng của lực lạ là một trong các bài toán khó, trừu tượng mà các học sinh khá, giỏi thường bị vấp phải phi tìm cách giải bài toán. Từ thực trạng trên qua quá trình giảng dạy tôi 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 ”
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 và con lắc lò xo trong quá trình ôn thi tốt nghiệp quốc gia và ôn thi học sinh giỏi.
3. Đối tượng nghiên cứu
 Nhóm các bài tập về chu kỳ , biên độ , năng lượng dao động của con lắc đơn, con lắc lò xo chịu ảnh hưởng của lực lạ trong chương “Dao động cơ học”.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- 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 , biên độ , năng lượng dao động của con lắc đơn, con lắc lò xo chịu ảnh hưởng của lực lạ” trong chương “Dao động cơ học” dành cho học sinh ôn thi trung học phổ thông quốc gia, 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.
PHẦN II. NỘI DUNG
I-Vai trò của bài tập vật lý trong việc giảng dạy vật lý.
 Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lý là một phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực tiễn. Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn đề của thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản thân.
 Tuy nhiên, khi vận dụng kiến thức để giải bài tập các em còn gặp nhiều khó khăn như: không định hướng được cách giải bài tập, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung,... hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng; và khi gặp những bài tập phải biến đổi về các dạng toán đã học thì nhiều học sinh còn lúng túng.
 Hiện nay, với việc tổ chức kiểm tra đánh giá học sinh bằng phương pháp trắc nghiệm khách quan, các kỹ năng giải bài tập càng đòi hỏi sự nhanh chóng và chính xác. Do đó, việc hệ thống, phân loại và đưa ra phương pháp giải bài tập lại càng thể hiên tính quan trọng của nó.
 Trong quá trình học tập học sinh phải tìm cách để giải bài tập một cách dễ hiểu, làm các bài tập từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy,... giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn. 
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 
2. 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: 
3. Lực quán tính:
+
m: khối lượng của vật (kg)
a : Gia tốc của hệ quy chiếu ()
+ luôn ngược hướng với ( vật chuyển động chậm dần đều cùng hướng chuyển động; vật chuyển động nhanh dần đều ngược hướng chuyển động )
+ Độ lớn: Fqt = ma
4. Lực Acsimet: luôn thẳng đứng hướng lên và có biểu thức tính là FA=D.V.g
+ D là khối lượng riêng của chất lỏng ( chất khí ) bị chiếm chỗ.
+ V là thể tích của vật chiếm chỗ.
+ g là gia tốc trọng trường.
5. Cơ năng của con lắc đơn dao động điều hòa
W=
6. Cơ năng của con lắc lò xo dao động điều hòa
	W=
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 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 
- Khi cùng phương cùng chiều với : P’=P+F => g’=g+
- Khi cùng phương ngược chiều với : P’=P-F => g’=g-
- Khi : 
 vật nặng sẽ có vị trí cân bằng mới tại vị trí dây treo hợp với phương thẳng đứng 1 góc với .
- Chu kỳ dao động nhỏ của con lắc: 
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.
 1. Con lắc đơn.
 - Tần số góc ban đầu: 
- Tần số góc khi chịu lực lạ: 
- Biên độ dao động khi chịu lực lạ 
 với S’ là li độ của vật so với vị trí cân bằng mới
- Cơ năng của vật : + ban đầu: 
 + Lúc sau: 
- Thời gian đồng hồ chạy sai trong thời gian t: ∆t=T-T'T.t
2. Con lắc lò xo.
- Khi lực lạ trùng với trục dao động của lò xo thì vị trí cân bằng mới cách vị trí cân bằng cũ một đoạn: oo’=x0=
- Li độ dao động mới của vật: 
( căn cứ vị trí của vật khi chưa chịu tác dụng của lực lạ và chiều dương trục tọa độ từ đó xác định vị trí li độ mới của vật ).
- Biên độ dao động mới: 
V.BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1. Con lắc đơn đang dao động điều hòa trong thang máy đứng yên với chu kì T thì thang máy chuyển động đi lên nhanh dần đều , khi đó con lắc dao động với chu kì T’:
A. Lớn hơn chu kì T	B. Bé hơn chu kì T	
C. Bằng chu kì T	D. Chưa xác định được
Hướng dẫn giải:
 Thang máy chuyển động đi lên nhanh dần đều thì lực quán tính hướng xuống nên gia tốc trọng trường biểu kiến: g’=g+a >g nên T’ Đáp án B.
Bài 2. Một con lắc đơn dao động điều hòa trong điện trường có đường sức hướng thẳng đứng xuống dưới và khi con lắc không mang điện thì chu kỳ dao động là T, khi con lắc mang điện tích q1 thì chu kỳ dao động là T1= 2T, khi con lắc mang điện tích q2 thì chu kỳ dao động là T2 =T / 2. Tìm tỉ số q1 / q2 .
Hướng dẫn giải:
Ta có và 
do điện trường hướng xuống dưới và T1=2T => g1’=g/4 nên q1<0 
 (1)
* T2=T/2 =>q2>0 và g2’=4g=(2)
từ (1) và (2) ta có: q1 / q2 =-1/4
Bài 3: Một con lắc đơn có m = 10g, đặt trong điện trường đều  có phương ngang và độ lớn E = 2.106 V/m. Khi vật chưa tích điện nó dao động với chu kỳ T, khi vật được tích điện tích q thì nó dao động với chu kỳ T'. Lấy g = 10 m/s2, xác định độ lớn của điện tích q biết rằng T’=T/2 .
Hướng dẫn giải:
Vì có phương ngang và T’=T/2 => g’=4g
 => => =1,94.10-7 (C)
Bài 4: Một con lắc đơn gồm dây treo không dãn l=1m, vật nặng m=100g , đặt trong điện trường đều  có phương ngang , tại vị trí cân bằng của vật dây treo lệch với phương thẳng đứng góc 40. Sau đó điện trường đột ngột đổi chiều, xác định cơ năng của vật trước và sau khi đổi chiều điện trường.Biết g=10 m/s2.
Hướng dẫn giải:
P
F
P’
ở vị trí cân bằng dây treo hợp với phương thẳng đứng góc 40, 
do đó khi đổi chiều điện trường vị trí cân bằng cũ 
cách vị trí cân bằng mới 80
g’=g.tan 40
Cơ năng ban đầu: W1=
Cơ năng sau: W2=
Bài 5. Một con lắc đơn gồm dây treo không dãn l=1m, vật nặng m=100g , tích điện q= 10-7C, đặt trong điện trường đều  có phương ngang có độ lớn 
E= 2.106V/m tại nơi có g=9,8 m/s2. Ban đầu dây treo được giữ theo phương thẳng đứng rồi thả nhẹ; xác định lực căng của dây treo khi vật đi qua vị trí cân bằng.
Hướng dẫn giải:
Khi vật ở vị trí cân bằng dây treo hợp với phương thẳng đứng góc 
có tan
gia tốc trọng trường biểu kiến: .
Lực căng dây treo 
Khi qua vị trí cân bằng 
Bài 6(1) . Một con lắc đơn gồm một quả cầu nhỏ, khối lượng 10g được treo bằng một sợi dây dài 1m tại nơi mà g = 10m/s2. Cho .
1. Tính chu kì dao động T0 của con lắc.
2. Tích điện cho quả cầu một điện tích q = 10-5C rồi cho nó dao động trong một điện trường đều có phương thẳng đứng thì thấy chu kì dao động của nó là 
T =. Xác định chiều và độ lớn của cường độ điện trường?
( (1):Trích đề thi tuyển sinh đại học An Giang năm 2000 )
 Hướng dẫn giải:
1. =2s
2. có phương thẳng đứng, có chiều hướng xuống, 
g’=22,5 =g+=> E=1,25.104V/m.
Bài 7. Một con lắc dao động với biên độ nhỏ có chu kì T0= 2s tại nơi có 
g = 10m/s2. Treo con lắc ở trần một chiếc xe rồi cho xe chuyển động nhanh dần đều trên một mặt đường nằm ngang thì dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc nhỏ .
a. Tìm gia tốc a của xe.
b. Cho con lắc dao động với biên độ nhỏ, tính chu kì T của con lắc .
Hướng dẫn giải:
Khi ở vị trí cân bằng 
Bài 8. Một con lắc đơn có chu kì dao động nhỏ là T = 1,5s tại nơi có gia tốc trọng trường g = 9,80m/s2. Treo con lắc trong một thang máy. Hãy tính chu kì của con lắc trong các trường hợp sau:
a. Thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc a = 1m/s2.
b. Thang máy đi lên chậm dần đều với gia tốc a = 1m/s2.
c. Thang máy chuyển động thẳng đều.
Hướng dẫn giải:
a. Thang máy đi lên nhanh dần đều lực quán tính hướng xuống cùng chiều với trọng lực : g’=g+a
b. Thang máy đi lên chậm dần đều lực quán tính hướng lên ngược chiều với trọng lực : g’=g-a
c. Thang máy chuyển động thẳng đều lực quán tính bằng không nên chu kì không đổi: T=T0=1,5s 
Bài 9. Một con lắc toán học có chiều dài 17,32cm thực hiện dao động điều hoà trên một ôtô chuyển động nhanh dần đều trên một mặt phẳng nghiêng một góc . Tìm chu kì dao động của con lắc trong hai trường hợp:
Ôtô chuyển động xuống dốc với gia tốc a = 5m/s2.
Ôtô chuyển động lên dốc với gia tốc a = 2m/s2. Lấy g = 10m/s2, .
Hướng dẫn giải:
P
•
a,
P’
Fqt
•
b,
P
P’
Fqt
a.g’2=g2+a2-2gacos600 =>g’=5m/s2=> T’=0,894 s
b.g’2=g2+a2-2gacos1200 =>g’=11,136 m/s2=> T’=0,789 s
Bài 10. Một con lắc đồng hồ có dạng con lắc đơn chạy đúng ở 200C tại nơi có gia tốc trọng trường bằng 10m/s2. vật nặng tích điện q = 10-6 C.Nếu con lắc đặt trong điện trường đều có cường độ E = 50V/m thẳng đứng hướng xuống dưới thì sau 1 ngày đêm đồng hồ chạy nhanh hay chậm bao nhiêu? Biết vật có khối lượng m = 100g.
Hướng dẫn giải:
Do q>0 và cường độ điện trường hướng xuống nên ta có
 g’=g+=10,0005 ( m/s2)
g’>g nên T’<T đồng hồ chạy nhanh hơn so với ban đầu.
Thời gian chạy sai trong một ngày đêm
Bài 11(2) . Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ khối lượng 100g và lò xo có độ cứng 40N/m được đặt trên mặt phẳng nằm ngang không ma sát. Vật nhỏ đang nằm yên ở vị trí cân bằng, tại t=0 tác dụng lực F=2N lên vật nhỏ (hình vẽ ) cho con lắc dao động điều hòa đến thời điểm t=s thì ngừng tác dụng lực F. Dao động điều hòa của con lắc sau khi ngừng tác dụng lực F có biên độ gần với giá trị nào nhất sau đây:
F
A. 9cm	B.7cm	C.5cm	D.11cm
( (2): Trích đề thi đại học khối A năm 2013 )
Hướng dẫn giải:
Dưới tác dụng của lực F vị trí cân bằng của vật cách vị trí cũ một đoạn 
= 5cm
tần số góc = 20 rad/s
Chu kì T=s
do đó sau thời gian t= vật sẽ ở li độ x==2,5cm 
và có vận tốc v=.
Sau khi thôi lực tác dụng vị trí cân bằng của vật trở về vị trí cũ và vật có li độ 
x’= 3A/2=7,5cm.
Khi đó vật dao động điều hòa với biên độ: A’==8,66cm
Chọn đáp án A
PHẦN III. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
- Qua quá trình dạy học trên lớp tôi thấy rằng đề tài đã hoàn thành được nhiệm vụ nghiên cứu một số vấn đề lý luận về bài tập vật lý, phân loại bài tập, đưa ra phương pháp giải và đồng thời lựa chọn được một số bài tập vận dụng về chu kỳ, biên độ, năng lượng dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài. Từ đó giúp phần nâng cao chất lượng giờ giải bài tập và giúp học sinh nắm chắc kiến thức hơn; từ đó giúp học sinh phát huy khả năng sáng tạo, tìm tòi, tích cực, tự lực của mỗi học sinh trước các bài tập cần giải quyết.
2. Kiến nghị
- Về phía nhà trường cần có khuyến khích các giáo viên tham gia viết đề tài sáng kiến kinh nghiệm từ đó có thể nâng cao được chất lượng dạy học cho các bộ môn . Tăng cường hơn sự động viên học sinh tự học ở nhà để dần năng cao chất lượng học tập của học sinh.
- Cần có sự phổ biến rộng rãi các đề tài đã được đánh giá và đạt kết quả cao trong giáo viên để các giáo viên được học tập, trau dồi thêm chuyên môn.
XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ
Sầm Sơn,ngày 20 tháng 5 năm 2018
 Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của người khác.
 Người viết
 Lê Thế Phương
 TÀI LIỆU THAM KHẢO
*********
1.Một số phương pháp chọn lọc giải các bài toán vật lí sơ cấp - Vũ Thanh Khiết chủ biên- nhà xuất bản Hà Nội in năm 2005.
 2. Phân loại và phương pháp giải các bài toán cơ bản, điển hình, hay, lạ và khó – Chu Văn Biên chủ biên, nhà xuất bản tổng hợp thành phố Hồ Chí Minh in năm 2013.
3. Tuyển tập các đề thi đại học, cao đẳng từ năm 2000 tới 2017.
4. Tham khảo một số tài liệu trên mạng internet.
- Nguồn: 
- Nguồn: vatlysupham.hnue.edu.vn