Lý thuyết vật lý dao động cơ 12 luyện thi đại học

Created by Tiểu Thiếu Gia

http://www.facebook.com/tieu.thieugia.319

Chương I. DAO ĐỘNG CƠ

Tiết 1. DAO ĐỘNG DIỀU HÒA

I. Dao động cơ

1. Thế nào là dao động cơ?

Dao động cơ là chuyển động qua lại của vật quanh một vị trí cân bằng.

2. Dao động tuần hoàn

Dao động tuần hoàn là dao động mà sau những khoảng thời gian bằng nhau, gọi là chu kì, vật

trở lại vị trí cũ theo hướng cũ.

II. Phương trình của dao động điều hòa

. Định nghĩa dao động điều hòa.

Dao động điều hòa là dao động trong đó li độ của vật là một hàm côsin (hay sin) của thời gian.

. Phương trình dao động điều hòa

Phương trình dao động: x = Acos(t + )

Trong đó:

A là biên độ dao động (A > 0). Nó là độ lệch cực đại của vật; đơn vị m, cm.

(t + ) là pha của dao động tại thời điểm t.

 là pha ban đầu của dao động; đơn vị rad; có giá trị nằm trong khoảng từ -  đến .

4. Chú ý

+ Điểm P dao động điều hòa trên một đoạn thẳng luôn luôn có thể dược coi là hình chiếu của một

điểm M chuyển động tròn đều lên đường kính là đoạn thẳng đó.

+ Đối với phương trình dao động điều hòa x = Acos(t + ) ta qui ước chọn trục x làm gốc để

tính pha của dao động.

III. Chu kì, tần số, tần số góc của dao động điều hòa

1. Chu kì và tần số

+ Chu kì (kí hiệu T) của dao động điều hòa là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động

toàn phần; đơn vị giây (s).

+ Tần số (kí hiệu f) của dao động điều hòa là số dao động toàn phần thực hiện được trong một

giây; đơn vị héc (Hz).

2. Tần số góc

 trong phương trình x = Acos(t + ) gọi là tần số góc của dao động điều hòa.

Liên hệ giữa , T và f:  =

T

2

= 2f.

IV. Vận tốc và gia tốc của vật dao động điều hòa

1. Vận tốc

+ Vận tốc là đạo hàm của li độ theo thời gian: v = x' = - Asin(t + ).

+ Vận tốc của vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa cùng tần số nhưng sớm pha hơn

2



so

với với li độ của dao động.

- Ở vị trí biên, x =  A thì vận tốc bằng 0.

- Ở vị trí cân bằng, x = 0 thì vận tốc có độ lớn cực đại: vmax = A.

2. Gia tốc

+ Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian: a = v' = - 

2Acos(t + ) = - 

2

x

+ x, v và a biến thiên điều hòa cùng tần số; a ngược pha với x, sớm pha

2



so với v.

+ a



luôn hướng về vị trí cân bằng và có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của li độ.

Created by Tiểu Thiếu Gia

http://www.facebook.com/tieu.thieugia.319

- Ở vị trí biên, x =  A thì gia tốc có độ lớn cực đại : amax = 

2A.

- Ở vị trí cân bằng (x = 0) thì a = 0.

V. Đồ thị của dao động điều hòa

Đồ thị của dao động điều hòa là một đường hình sin.

CON LẮC LÒ XO

I. Con lắc lò xo

1. Cấu tạo

Gồm một vật nho, khối lượng m gắn vào đầu của một lò xo có độ cứng k, có khối lượng không

đáng kể. Đầu kia của lò xo được giữ cố định. Vât m có thể trượt trên một mặt phẵng ngang không

có ma sát.

2. Nhận xét

+ Vị trí cân bằng của vật là vị trí khi lò xo không bị biến

dạng.

+ Kéo vật nặng ra khỏi vị trí cân bằng cho lò xo dãn ra

một đoạn nhỏ rồi buông tay, ta thấy vật dao động trên

một đoạn thẳng quanh vị trí cân bằng.

II. Khảo sát dao động của con lắc lò xo về mặt động

lực học

1. Phương trình chuyển động

Vật chịu tác dụng của 3 lực: Trọng lực



P , phản lực



N và lực đàn hồi



F .

Created by Tiểu Thiếu Gia

http://www.facebook.com/tieu.thieugia.319

Theo định luật II Newton: m



a =



P +



N +



F

Chiếu lên trục Ox ta có:

ma = F = - kx  a = -

m

k

x.

Đặt 

2

=

m

k

ta có: a = - 

2

x

Nghiệm của phương trình này có dạng :

x = Acos(t + )

Như vậy con lắc lò xo dao động điều hòa.

2. Tần số góc và chu kì

Tần số góc:  =

m

k

.

Chu kì: T =



2

= 2

m

k

 .

3. Lực kéo về

Lực luôn luôn hướng về vị trí cân bằng gọi là lực kéo về. Lực kéo về có độ lớn tỉ lệ với li độ, là

lực gây ra gia tốc cho vật dao động điều hòa.

III. Khảo sát dao động của con lắc lò xo về mặt năng lượng

1. Động năng của con lắc lò xo

Wđ =

2

1

mv2

=

2

1

m

2A

2

sin2

(t+)

=

2

1

kA2

sin2

(t + ) .

2. Thế năng của con lắc lò xo

Wt

=

2

1

kx2

=

2

1

k A2

cos2

(t + )

3. Cơ năngcủa con lắc lò xo. Sự bảo toàn cơ năng

W = Wt + Wđ =

2

1

k A2

=

2

1

m

2A

2

= hằng số.

Cơ năng của con lắc tỉ lệ với bình phương của biên độ dao động.

Cơ năng của con lắc được bảo toàn nếu bỏ qua mọi ma sát.

CON LẮC ĐƠN

I. Thế nào là con lắc đơn?

1. Cấu tạo

Gồm một vật nhỏ, khối lượng m, treo vào ở đầu một sợi dây không dãn,

có chiều dài l, có khối lượng không đáng kể.

Created by Tiểu Thiếu Gia

http://www.facebook.com/tieu.thieugia.319

2. Nhận xét

Vị trí cân bằng là vị trí mà dây treo có phương thẳng đứng.

Kéo nhẹ quả cầu cho dây treo lệch khỏi vị trí cân bằng một góc rồi thả ra ta thấy con lắc dao

động xung quanh vị trí cân bằng.

II. Khảo sát dao động của con lắc đơn về mặt động lực học

1. Phương trình chuyển động

Vị trí của vật m được xác định bởi li độ góc  hay bởi li độ cong s = l ( tính ra rad). Chọn

chiều dương như hình vẽ.

Vật chịu tác dụng của hai lực: Trọng lực



P và sức căng



T .

Theo định luật II Newton: m



a =



P +



T

Chiếu lên phương tiếp tuyến với quỹ đạo ta có: ma = Pt

= - mgsin.

Thành phần Pt

= - mgsin của trọng lực là lực kéo về.

Với  lớn (sin  ) dao động của con lắc đơn không phải là dao động điều hòa.

Với  < 100

(sin   =

l

s

) thì:

ma = - mg

l

s

 a = -

l

g

s.

Đặt 

2

=

l

g

. Ta có: a = -

2

s

Nghiệm của phương trình này là :

s = S0cos(t + )

Vậy, khi dao động nhỏ (sin   (rad)), con lắc đơn dao động điều hòa.

2. Tần số góc và chu kì dao động

Tần số góc :  =

l

g

.

Chu kì: T =



2

= 2

g

l

.

III. Khảo sát dao động của con lắc đơn về mặt năng lượng

1. Động năng

Wđ =

2

1

mv2

.

2. Thế năng

Wt = mgl(1 - cos) = 2mglsin2

2



.

3. Cơ năng

Nếu bỏ mọi ma sát thì cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn và đúng bằng thế năng của nó ở vị

trí biên:

W = Wđ + Wt

= mgl(1- cos0)

= 2mglsin2

2

 0

= hằng số