Dao động cưỡng bức, dao động duy trì là những dao động phổ biến, thường xuyên xảy ra trong cuộc sống xung quanh ta. Hiện tưởng cộng hưởng từ những dao động này cũng được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Cùng bài viết này tìm hiểu nhé:
Mục lục bài viết
1. Dao động cưỡng bức:
Định nghĩa: Dao động cưỡng bức là dao động chịu tác dụng của một ngoại lực tuần hoàn, được tạo ra bằng cách tác dụng lên hệ một ngoại lực biến thiên tuần hoàn theo thời gian. Lực này cung cấp năng lượng cho hệ để bù lại phần năng lượng mất mát do ma sát. Dao động của hệ gọi là dao động cưỡng bức.
Ngoài ra, ta có coi dao động cưỡng bức là dao động điều hòa.
Ví dụ:
– Một con lắc lò xo sẽ dao động tắt dần, khi ta đặt một lực do tay ta tạo ra lên con lắc, vật dao động sẽ phụ thuộc vào lực do tay ta tạo nên, khi đó dao động này gọi là dao động cưỡng bức, tần số bằng tần số ngoại lực cưỡng bức.
– Xe buyét khi đến điểm chỉ tạm dừng nên không tắt máy, thân xe dao động là dao động cưỡng bức dưới tác dụng của lực cưỡng bức tuần hoàn gây ra bởi chuyển động của pit tông trong xi lanh của máy nổ.
Đặc điểm của dao động cưỡng bức:
– Biên độ dao động không đổi, tần số của dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức:
– Biên độ dao động cưỡng bức không chỉ phụ thuộc vào biên độ của lực cưỡng bức mà còn phụ thuộc vào cả độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ dao động.
– Nếu tần số của lực cưỡng bức càng gần tần số riêng thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn.
– Lực cản môi trường càng nhỏ thì biên độ dao động cưỡng bức càng lớn hoặc ngược lại.
Sự phụ thuộc của biên độ vào tần số của dao động cưỡng bức được thể hiện dưới đồ thị sau:
2. Dao động duy trì:
Định nghĩa: Ngược lại với dao động tắt dần, người ta thực hiện dao động duy trì cho vật khi không muốn vật bị tắt đi. Dao động duy trì là dao động được cung cấp phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng mất đi sau mỗi chu kỳ, được tạo ra bằng cách cung cấp cho hệ một năng lượng đúng bằng năng lượng nó đã mất sau mỗi chu kì dao động.
– Hệ dao động được cung cấp năng lượng thông qua cơ cấu được điều khiển bởi chính hệ đó.
– Tần số dao động duy trì bằng tần số dao động riêng của hệ: 
Ví dụ: Dao động của con lắc đồng hồ là dao động duy trì.
3. Phân biệt dao động cưỡng bức và dao động duy trì:
3.1. Giống nhau:
Cả 2 dao động này đều là một cách kéo dài của một dao động tắt dần.
Hai dao động này đều xảy ra dưới tác dụng của ngoại lực.
Khi cộng hưởng với dao động duy trì, cả hai dao động đều được điều chỉnh để tần số ngoại lực bằng với tần số dao động tự do của hệ.
3.2. Khác nhau:
- Dao động cưỡng bức:
– Được tạo ra bởi ngoại lực là bất kỳ, độc lập với vật
– Sau giai đoạn chuyển tiếp thì dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số f của ngoại lực
– Biên độ của hệ phụ thuộc vào F0 và |f – f0|
– Khi cộng hưởng, năng lượng hệ nhận được trong mỗi chu kì dao động do công ngoại lực truyền cho lớn hơn năng lượng mà hệ tiêu hao do ma sát trong chu kì đó.
- Dao động duy trì:
– Được tạo ra bởi lực được điều khiển bởi chính dao động ấy qua một cơ cấu nào đó
– Dao động với tần số đúng bằng tần số dao động riêng f0 của hệ
– Biên độ không thay đổi
4. Hiện tượng cộng hưởng là gì?
Hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng fo của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng. Như vậy, cộng hưởng là hiện tượng biên độ của dao động cưỡng bức đạt cực đại khi tần số của ngoại lực bằng tần số riêng.
Như vậy, hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi f=f0 hay nói cách khác, điều kiện cộng hưởng là: f = f0
Ví dụ: Một con lắc lò xo có tần số góc bằng 10 rad. Người ta làm thí nghiệm và thấy rằng khi tần số ngoại lực bằng 10 rad thì biên độ của con lắc lò xo đạt cực đại.
– Hiện tượng cộng hưởng có tác dụng trong việc ứng dụng làm hộp đàn ghita, violon, … Trong y học, người ta ứng dụng hiện tưởng cộng hưởng trong máy cộng hưởng từ để chụp ảnh các cơ quan nội tạng bên trong con người. Trong cuộc sống, một số máy thu sóng điện từ như radio, tivi sử dụng hiện tượng cộng hưởng để chọn thu và khuếch đại các sóng điện từ có tần số thích hợp, mạch khuếch đại trung cao tần sử dụng cộng hưởng khuếch đại các âm thích hợp.
– Tác hại hiện tượng cộng hưởng: Nếu tần số ngoại lực bằng với tần số dao động riêng của hệ sẽ làm cho hệ dao động với biên độ rất lớn, gây ra hiện tượng hư hỏng, đổ gãy. Vậy nên khi thiết kế cây cầu, bệ máy, khung xe, … cần phải lưu ý để cho tần số dao động riêng của chúng phải khác nhiều so với tần số của các lực cưỡng bức thường xuyên tác dụng lên. Ngoài ra, vì mỗi vật đều có tần số riêng nên trong xây dựng người ta cũng rất chú ý đến sự cộng hưởng. Ví dụ khi xây cầu nếu để xảy ra hiện tượng cộng hưởng thì rất dễ sụp đổ vì nó dao động với biên độ lớn.
5. Một số câu hỏi về dao động cưỡng bức và dao động duy trì:
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 lớn hơn 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.
