Lý thuyết dao động điều hòa

Học Lớp

Administrator
Thành viên BQT
Dao động điều điều hòa là bài quan trọng nằm trong chương trình dao động cơ học của vật lý 12. Để đạt điểm cao vật lý trong kỳ thi THPT Quốc Gia tới đây ta cần hiểu rõ và vận dụng tốt bài này. Chúng ta vào bài học

1. Các phương trình dao động điều hòa
a. Phương trình li độ

Dao động điều hòa con lắc lò xo.png

+ Định nghĩa: Dao động điều hòa là dao động được mô tả theo quy luật sin hoặc cosin của thời gian.
Phương trình mô tả \(x = A.cos(\omega t + \varphi )\)
Với:
  • x: li độ (tọa độ)
  • A: biên độ (li độ cực đại)
  • \(\omega\): tần số góc
  • \(\omega t + \varphi\): pha dao động
  • \(\varphi\): pha ban đầu (Tại t = 0)
b. Phương trình vận tốc
\(v = \frac{\Delta x}{\Delta t} = x'(t)\)
\(v = - \omega A.sin(\omega t+\varphi ) = \omega Acos(\omega t + \varphi + \frac{ \pi}{2})\)
\(\rightarrow v = v_{max}.cos(\omega t + \varphi + \frac{ \pi}{2}),v_{max} = \omega A\)
  • \(v_{max} = \omega A\): vận tốc cực đại (VTCB, v > 0)
  • \(v_{min} = -\omega A\): vận tốc cực tiểu (VTCB, v < 0)
  • \(|v|_{max} = \omega A\): tốc độ cực đại (VTCB)
  • \(|v|_{min} = 0\): tốc độ cực tiểu (VT biên)
c. Phương trình gia tốc
\(a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = v'(t)\)
\(\rightarrow a = x''(t)\)
\(\rightarrow a = -\omega ^2 \underbrace{ A.cos(\omega t + \varphi ) }_{x} \Rightarrow a = - \omega ^2.x\)
  • \(\left | a \right | _{max} = \omega ^2.A\): vật ở 2 biên
  • \(\left | a \right | _{min} = 0\): vật ở VTCB
2. Mối liên hệ về pha – Công thức độc lập với thời gian
a. Mối liên hệ về pha

Ta có: \(\left \{\begin{matrix} x = A.cos(\omega t + \varphi ) \hspace{2,5cm}\\ v = v_{max} .cos(\omega t + \varphi + \frac{\pi}{2}) \hspace{1,2cm}\\ a = - \omega ^2.x = - \omega ^2.A.cos(\omega t + \varphi ) \end{matrix}\right.\)
Dao động điều hòa.png

  • v nhanh pha \(\frac{\pi}{2}\) so với x (vuông pha)
  • a nhanh pha \(\frac{\pi}{2}\) so với v (vuông pha)
  • a ngược pha x
b. Công thức độc lập với thời gian
Ta có:
\(\left \{\begin{matrix} x = A.cos(\omega t + \varphi ) \ \ \ \ \ \\ v = -v_{max} .sin(\omega t + \varphi )\\ a = - a_{max}.cos(\omega t + \varphi ) \end{matrix}\right.\)
NHỚ: \(sin^2(\omega t + \varphi ) + cos^2(\omega t + \varphi ) = 1\)
\(\cdot \ x\perp v : \left\{\begin{matrix} \frac{x}{A}=cos(\omega t + \varphi )\\ \frac{v}{v_{max}}=-sin(\omega t + \varphi ) \end{matrix}\right.\)
\(\left ( \frac{x}{A} \right )^2 + \left ( \frac{v}{v_{max}} \right )^2 = 1 \Rightarrow A^2 = x^2 + \left ( \frac{v}{\omega } \right )^2\)
\(\cdot \ a\perp v : \left\{\begin{matrix} \frac{a}{a_{max}}=-cos(\omega t + \varphi )\\ \frac{v}{v_{max}}=-sin(\omega t + \varphi ) \end{matrix}\right.\)
\(\Rightarrow \left ( \frac{a}{a_{max}} \right )^2 + \left ( \frac{v}{v_{max}} \right )^2 = 1\)
\(\Rightarrow A^2 = \left ( \frac{a}{\omega ^2} \right )^2 + \left ( \frac{v}{\omega ^2} \right )^2 = 1 \ \ \ (a = -\omega ^2x)\)

3. Liên hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa
Xét 1 vật có khối lượng m, chuyển động tròn đều với tốc độ góc ⍵ trên đường tròn tâm O, bán kính R = A
chuyển động tròn đều và dao động điều hòa.png

Ta có: \(x = \overline{OP} = A.cos(\omega t + \varphi )\)
Vậy: hình chiếu của 1 chuyển động tròn đều lên 1 trục nằm trong mặt phẳng quỹ đạo là 1 DĐĐH.
* Các đại lượng tương ứng giữa chuyển động tròn đều và DĐĐH.

Chuyển động tròn đều

Dao động điều hòa

Bán kính R.
Tốc độ góc \(\omega\).
Tọa độ góc ban đầu \(\varphi\).
Vận tốc dài: \(v = \omega R\).
Gia tốc hướng tâm: \(a_{ht} = R\omega ^2\)

Biên độ A.
Tần số góc \(\omega\).
Pha ban đầu \(\varphi\).
Tốc độ cực đại: \(v_{max} = \omega A\).
Gia tốc cực đại: \(a_{max} = A\omega ^2\).
* Ta có:
\(\\ 2 \pi\rightarrow T\\ \alpha \ \rightarrow \Delta t = \frac{\alpha .T}{2 \pi}\)

4. Lực hồi phục: là lực làm vật dao động điều hòa, luôn hướng về VTCB nên còn gọi là lực kéo về.
Biểu thức: \(F_{hp} = ma = -m\omega ^2x\)
lực hồi phục.png

⇒ Fhp cùng pha với gia tốc.
\(| F_{hp}|_{max} = m\omega ^2A; | F_{hp}|_{min} = 0\) (Lưu ý: m đổi ra kg, A đổi ra m)

11 dạng bài tập dao động điều hòa:
 
Sửa lần cuối:

Chương 1: Dao động cơ

Bài 1: Dao động điều hòa Bài 2: Con lắc lò xo Bài 3: Con lắc đơn Bài 4: Dao động duy trì - dao động cưỡng bức - dao động tắt dần Bài 5: Tổng hợp dao động

Bài 6: Sơ đồ tư duy chương dao động cơ

Tài liệu: dao động cơ