Chương 4: Ôn tập cuối năm

Giới thiệu bài học

Chương 4 là chương ôn tập cuối năm dành cho môn Vật lý lớp 11 theo chương trình Giáo dục phổ thông 2018 (sách Chân trời sáng tạo). Bài học này sẽ giúp các em hệ thống lại toàn bộ kiến thức nền tảng đã học trong năm, từ dao động, sóng, dòng điện, đến từ trường và cảm ứng điện từ. Mục tiêu là củng cố lý thuyết, hiểu rõ mối liên hệ giữa các chương, và vận dụng được các công thức vào giải bài tập tổng hợp. Đây là cơ hội để các em nhìn lại bức tranh toàn cảnh của Vật lý 11, chuẩn bị tốt cho các kỳ thi sắp tới.

Lý thuyết trọng tâm cần ôn tập

1. Dao động và sóng

• Dao động điều hòa: Là dao động có li độ mô tả bằng hàm sin hoặc cosin theo thời gian. Ví dụ: phương trình li độ: \(x = A \cos(\omega t + \varphi)\). Trong đó:
  • A là biên độ (giá trị cực đại của li độ).
  • ω là tần số góc (rad/s), liên hệ với chu kì T: \(\omega = \frac{2\pi}{T}\).
  • φ là pha ban đầu (rad).
• Con lắc lò xo: Chu kì dao động \(T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}\). Năng lượng: thế năng đàn hồi và động năng biến thiên qua lại, tổng cơ năng không đổi.
• Con lắc đơn: Chu kì \(T = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}\) (với l là chiều dài dây, g là gia tốc trọng trường).
• Sóng cơ: Là dao động lan truyền trong môi trường đàn hồi. Các đại lượng đặc trưng: bước sóng λ, chu kì T, tần số f, tốc độ truyền sóng v: \(v = \lambda f = \frac{\lambda}{T}\).
• Giao thoa sóng: Hai nguồn kết hợp (cùng tần số, độ lệch pha không đổi) tạo ra các vân cực đại và cực tiểu. Vị trí cực đại: \(d_2 - d_1 = k\lambda\); vị trí cực tiểu: \(d_2 - d_1 = (k + 0,5)\lambda\).
• Sóng dừng: Xuất hiện khi có sóng tới và sóng phản xạ giao thoa. Vị trí nút và bụng phụ thuộc vào điều kiện biên (cố định hay tự do).

2. Dòng điện và từ trường

• Định luật Ohm cho toàn mạch: Cường độ dòng điện trong mạch kín: \(I = \frac{E}{R + r}\), với E là suất điện động, R là điện trở ngoài, r là điện trở trong.
• Hiện tượng đoản mạch: Xảy ra khi R → 0, dòng điện rất lớn, có thể gây cháy nổ.
• Từ trường: Tác dụng lực từ lên dòng điện (định luật Am-pe) và lên hạt điện tích chuyển động (lực Lorentz). Công thức cảm ứng từ tại tâm dòng điện tròn: \(B = 2\pi \cdot 10^{-7}\frac{NI}{R}\).
• Cảm ứng điện từ:
  1. Định luật Faraday: Suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông: \(e_c = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\).
  2. Định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng sinh ra có chiều sao cho từ trường của nó chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó.
  3. Từ thông: \(\Phi = B S \cos\alpha\).

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Dao động tổng hợp

Đề bài: Một vật tham gia đồng thời hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số: \(x_1 = 4 \cos(10t)\) cm và \(x_2 = 4 \cos(10t + \frac{\pi}{3})\) cm. Viết phương trình dao động tổng hợp.

Lời giải:

• Biên độ tổng hợp: \(A = \sqrt{A_1^2 + A_2^2 + 2A_1A_2 \cos \Delta \varphi} = \sqrt{4^2 + 4^2 + 2\cdot4\cdot4 \cdot \cos \frac{\pi}{3}} = \sqrt{32 + 32\cdot 0,5} = \sqrt{48} = 4\sqrt{3}\) cm.
• Pha ban đầu: \(\tan \varphi = \frac{A_1 \sin \varphi_1 + A_2 \sin \varphi_2}{A_1 \cos \varphi_1 + A_2 \cos \varphi_2} = \frac{0 + 4 \cdot \sin \frac{\pi}{3}}{4 + 4 \cdot \cos \frac{\pi}{3}} = \frac{4\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}}{4 + 4\cdot 0,5} = \frac{2\sqrt{3}}{6} = \frac{\sqrt{3}}{3} \Rightarrow \varphi = \frac{\pi}{6}\) rad.
• Vậy phương trình tổng hợp: \(x = 4\sqrt{3} \cos(10t + \frac{\pi}{6})\) cm.

Ví dụ 2: Cảm ứng điện từ

Đề bài: Một khung dây dẫn hình vuông cạnh 10 cm đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Mặt phẳng khung dây vuông góc với các đường sức. Tính suất điện động cảm ứng nếu trong 0,1 giây, cảm ứng từ giảm đều xuống 0.

Lời giải:

• Diện tích khung dây: \(S = (0,1)^2 = 0,01\) m².
• Ban đầu, mặt phẳng vuông góc với đường sức nên \(\alpha = 0\), từ thông \(\Phi_1 = B S \cos 0 = 0,5 · 0,01 = 0,005\) Wb.
• Lúc sau, B = 0 nên \(\Phi_2 = 0\) Wb.
• Độ biến thiên từ thông: \(\Delta \Phi = \Phi_2 - \Phi_1 = -0,005\) Wb.
• Suất điện động cảm ứng: \(e_c = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = -\frac{-0,005}{0,1} = 0,05\) V.
• Giải thích: Dấu dương cho thấy dòng cảm ứng có chiều chống lại sự giảm của từ trường (theo định luật Lenz).

Ghi nhớ

• Đối với dao động điều hòa, nắm vững các công thức liên hệ giữa li độ, vận tốc, gia tốc và năng lượng.
• Sóng cơ phải phân biệt rõ sóng ngang, sóng dọc, và điều kiện giao thoa (hai nguồn kết hợp).
• Định luật Ohm và cảm ứng điện từ là nền tảng cho các bài toán mạch điện kín và biến thiên từ trường.
• Luôn chú ý chiều dòng điện cảm ứng theo định luật Lenz – đây là dạng bài lý thuyết quan trọng trong kiểm tra.
• Các công thức cần nhớ: \(v = \lambda f\), \(I = \frac{E}{R+r}\), \(e_c = -\Delta\Phi/\Delta t\).

Bài tập gợi ý

1. Một vật dao động điều hòa với phương trình \(x = 5 \cos(2\pi t - \frac{\pi}{4})\) cm. Tính vận tốc và gia tốc tại thời điểm t = 0,5 s.
2. Trong thí nghiệm giao thoa sóng nước, hai nguồn kết hợp A và B cách nhau 12 cm, dao động cùng pha với tần số 20 Hz. Tốc độ truyền sóng là 50 cm/s. Xác định số điểm cực đại trên đoạn AB.
3. Một mạch điện kín gồm nguồn điện có E = 12 V, r = 2 Ω và điện trở ngoài R = 4 Ω. Tính:
   • Cường độ dòng điện trong mạch.
   • Hiệu suất của nguồn điện.
4. Một khung dây tròn bán kính 5 cm, gồm 100 vòng dây, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ tăng đều từ 0 đến 0,2 T trong 0,5 giây. Mặt phẳng khung dây hợp với đường sức một góc 30°. Tính suất điện động cảm ứng trung bình.