Bài 5. Động năng. Thế năng. Sự chuyển hoá năng lượng trong dao động điều hoà

Mục tiêu bài học

• Viết được biểu thức động năng, thế năng của con lắc lò xo và con lắc đơn.
• Mô tả sự chuyển hoá qua lại giữa động năng và thế năng.
• Nêu được cơ năng được bảo toàn khi bỏ qua ma sát, tỉ lệ với bình phương biên độ.
• Dùng đồ thị để phân tích năng lượng trong dao động.

Khái niệm chính

Con lắc lò xo

Vật nặng gắn vào lò xo, dao động do lực đàn hồi.

Con lắc đơn

Vật nhỏ treo vào sợi dây nhẹ không dãn, dao động nhỏ quanh vị trí thấp nhất.

Động năng

Năng lượng do vật chuyển động, lớn nhất ở vị trí cân bằng.

Thế năng đàn hồi

Năng lượng do lò xo biến dạng, lớn nhất ở biên.

Cơ năng

Tổng động năng và thế năng, không đổi khi bỏ qua ma sát.

Công thức

• $W_d = \frac{1}{2}mv^2$

  Động năng

  • $W_d$động năng(J)
  • $m$khối lượng vật(kg)
  • $v$vận tốc(m/s)

• $W_t = \frac{1}{2}kx^2$

  Thế năng của con lắc lò xo

  • $W_t$thế năng(J)
  • $k$độ cứng lò xo(N/m)
  • $x$li độ(m)

• $W = \frac{1}{2}kA^2 = \frac{1}{2}m\omega^2A^2$

  Cơ năng của con lắc lò xo

  • $W$cơ năng(J)
  • $k$độ cứng lò xo(N/m)
  • $A$biên độ(m)
  • $m$khối lượng vật(kg)
  • $\omega$tần số góc(rad/s)

• $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}$

  Tần số góc của con lắc lò xo

  • $\omega$tần số góc(rad/s)
  • $k$độ cứng lò xo(N/m)
  • $m$khối lượng vật(kg)

• $\omega = \sqrt{\frac{g}{l}}$

  Tần số góc của con lắc đơn (góc nhỏ)

  • $\omega$tần số góc(rad/s)
  • $g$gia tốc trọng trường($\mathrm{m/s^2}$)
  • $l$chiều dài dây(m)

Thí nghiệm

• Khảo sát năng lượng con lắc

  Mô phỏng / video

  Mục đích: Quan sát động năng và thế năng thay đổi theo vị trí

  Kéo vật ra rồi thả, theo dõi các cột năng lượng. Động năng và thế năng đổi chỗ cho nhau nhưng tổng gần như không đổi.

  Dụng cụ: Mô phỏng con lắc lò xo có hiển thị thanh năng lượng