Chào các em học sinh lớp 11 yêu quý! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập vật lý rất thực tế liên quan đến hiện tượng cộng hưởng, một chủ đề quan trọng trong chương trình Vật lý 11 mới của chúng ta. Cô hy vọng bài giảng hôm nay sẽ giúp các em hiểu sâu hơn về hiện tượng này và cách áp dụng nó để giải quyết các bài toán.

Chúng ta sẽ cùng nhau phân tích và giải bài tập sau:
Một chiếc xe máy chạy trên đường lát gạch cứ khoảng 6 m thì có một rãnh nhỏ. Chu kì dao động riêng của giảm xóc lò xo là 2 s. Tốc độ chuyển động của xe bằng bao nhiêu thì xe bị xóc mạnh nhất?

Trước hết, chúng ta cần xác định rõ “xóc mạnh nhất” ở đây có ý nghĩa gì trong vật lý.

Bước 1: Xác định hiện tượng vật lý.
Khi xe máy chạy trên đường có các rãnh nhỏ cách đều nhau, mỗi lần bánh xe đi qua một rãnh, nó sẽ gây ra một lực tác dụng lên hệ thống giảm xóc của xe. Lực này có xu hướng làm cho hệ thống giảm xóc dao động. Khoảng cách giữa hai rãnh liên tiếp đóng vai trò là “bước sóng” của ngoại lực tác dụng lên hệ thống giảm xóc. Chu kì dao động riêng của giảm xóc là thời gian mà hệ thống giảm xóc tự nó thực hiện một dao động đầy đủ nếu không có ngoại lực tác dụng.
Hiện tượng “xóc mạnh nhất” xảy ra khi tần số của ngoại lực tác dụng trùng với tần số dao động riêng của hệ thống giảm xóc. Đây chính là hiện tượng cộng hưởng.

Bước 2: Phân tích các đại lượng đã cho và cần tìm.
– Khoảng cách giữa hai rãnh nhỏ liên tiếp: d = 6 m. Đây là độ dài của một “chu kì không gian” của ngoại lực.
– Chu kì dao động riêng của giảm xóc: T_0 = 2 s.
– Tốc độ chuyển động của xe: v (cần tìm).

Bước 3: Liên hệ các đại lượng với nhau thông qua điều kiện cộng hưởng.
Để xảy ra hiện tượng cộng hưởng, chu kì của ngoại lực tác dụng phải bằng chu kì dao động riêng của hệ thống.
Chu kì của ngoại lực (thời gian giữa hai lần bánh xe đi qua hai rãnh liên tiếp) có thể được tính bằng cách lấy khoảng cách giữa hai rãnh chia cho tốc độ của xe.
Gọi chu kì của ngoại lực là T.
Ta có: T = d / v.

Điều kiện để xảy ra cộng hưởng là chu kì của ngoại lực bằng chu kì dao động riêng của hệ thống:
T = T_0

Bước 4: Thiết lập phương trình và giải tìm tốc độ v.
Thay biểu thức của T vào điều kiện cộng hưởng, ta có:
d / v = T_0

Bây giờ, chúng ta chỉ cần sắp xếp lại phương trình để tìm v:
v = d / T_0

Bước 5: Thay số và tính toán kết quả.
Chúng ta có d = 6 m và T_0 = 2 s.
Thay các giá trị này vào công thức:
v = 6 m / 2 s
v = 3 m/s

Bước 6: Kết luận.
Vậy, tốc độ chuyển động của xe là 3 m/s thì xe bị xóc mạnh nhất.

Giải thích thêm:
Khi xe chạy với tốc độ 3 m/s, cứ mỗi 2 giây, bánh xe lại gặp một rãnh nhỏ. Điều này có nghĩa là ngoại lực tác dụng lên hệ thống giảm xóc cũng có chu kì là 2 giây. Vì chu kì ngoại lực (2 s) bằng đúng chu kì dao động riêng của giảm xóc (2 s), nên hệ thống giảm xóc sẽ dao động với biên độ rất lớn, gây ra hiện tượng “xóc mạnh nhất”. Nếu tốc độ xe nhanh hơn hoặc chậm hơn, chu kì ngoại lực sẽ khác với chu kì riêng, và biên độ dao động sẽ nhỏ hơn.

Cô hy vọng các em đã hiểu rõ cách giải bài tập này. Hiện tượng cộng hưởng rất phổ biến trong đời sống, từ cầu rung khi quân đội hành quân, đến việc điều chỉnh radio bắt sóng. Các em hãy cố gắng liên hệ kiến thức đã học với thực tế xung quanh mình nhé!