bài tập chương dao động cơ có lời giải

GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 1 CHƯƠNG 1: DAO ĐỘNG CƠ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1. Dao động điều hòa: * Dao động cơ, dao động tuần hoàn + Dao động cơ là chuyển động qua lại của vật quanh vị trí cân bằng. + 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. * 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: x = Acos(t + ). + Điểm P dao động điều hòa trên một đoạn thẳng luôn luôn có thể được coi là hình chiếu của một điểm M chuyển động tròn đều trên đường tròn có đường kính là đoạn thẳng đó. * Các đại lượng đặc trưng của dao động điều hoà Trong phương trình x = Acos(t + ) thì: + A là biên độ dao động, đó là giá trị cực đại của li độ x; đơn vị m, cm. A luôn luôn dương. + (t + ) là pha của dao động tại thời điểm t; đơn vị rad. +  là pha ban đầu của dao động; đơn vị rad. +  trong phương trình x = Acos(t + ) là tần số góc của dao động điều hòa; đơn vị rad/s. + Chu kì T của dao động điều hòa là khoảng thời gian để thực hiện một dao động toàn phần; đơn vị giây (s). + Tần số f của dao động điều hòa là số dao động toàn phần thực hiện được trong một giây; đơn vị héc (Hz). + Liên hệ giữa , T và f:  = T  2 = 2f. Các đại lượng biên độ A và pha ban đầu  phụ thuộc vào cách kích thích ban đầu làm cho hệ dao động, còn tằn số góc  (chu kì T, tần số f) chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của hệ dao động. * Vận tốc và gia tốc của vật dao động điều hoà + Vận tốc là đạo hàm bậc nhất của li độ theo thời gian: v = x' = - Asin(t + ) = Acos(t +  + 2  ) 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. Vị trí biên (x =  A), v = 0. Vị trí cân bằng (x = 0), |v| = v max = A. + Gia tốc là đạo hàm bậc nhất của vận tốc (đạo hàm bậc 2 của li độ) theo thời gian: a = v' = x’’ = -  2 Acos(t + ) = -  2 x. Gia tốc của vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa cùng tần số nhưng ngược pha với li độ (sớm pha 2  so với vận tốc). Véc tơ gia tốc của vật dao động điều hòa luôn hướng về vị trí cân bằng, có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của li độ. - Ở vị trí biên (x =  A), gia tốc có độ lớn cực đại: a max =  2 A. - Ở vị trí cân bằng (x = 0), gia tốc bằng 0. + Lực tác dụng lên vật dao động điều hòa F = ma = - kx luôn hướng về vị trí cân bằng, gọi là lực kéo về. + Đồ thị dao động điều hòa (li độ, vận tốc, gia tốc) là đường hình sin, vì thế người ta còn gọi dao động điều hòa là dao động hình sin. + Phương trình dao động điều hòa x = Acos(t + ) là nghiệm của phương trình x’’ +  2 x = 0. Đó là phương trình động lực học của dao động điều hòa. 2. Con lắc lò xo: Con lắc lò xo gồm một lò xo có độ cứng k, khối lượng không đáng kể, một đầu gắn cố định, đầu kia gắn với vật nặng khối lượng m được đặt theo phương ngang hoặc treo thẳng đứng. * Phương trình dao động: x = Acos(t + ); với:  = m k ; A = 2 0 2 0         v x ;  xác định theo phương trình cos = A x 0 ; (lấy nghiệm (-) nếu v 0 > 0; lấy nghiệm (+) nếu v 0 < 0). GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 2 * Chu kì, tần số của con lắc lò xo: T = 2 k m ; f = 1 2  m k . * Năng lượng của con lắc lò xo: + Động năng: W đ = 2 1 mv 2 = 2 1 m 2 A 2 sin 2 (t+). Thế năng: W t = 2 1 kx 2 = 2 1 k A 2 cos 2 (t + ). Động năng, thế năng của vật dao động điều hòa biến thiên tuần hoàn với tần số góc ’ = 2, tần số f’ = 2f, chu kì T’ = 2 T . + Cơ năng: W = W t + W đ = 2 1 k A 2 = 2 1 m 2 A 2 = hằng số. 3. Con lắc đơn. Con lắc vật lí: Con lắc đơn gồm một vật nặng treo vào sợi dây không giãn, vật nặng kích thước không đáng kể so với chiều dài sợi dây, sợi dây khối lượng không đáng kể so với khối lượng của vật nặng. * Phương trình dao động (khi   10 0 ): s = S 0 cos(t + ) hoặc  =  0 cos(t + ); với  = l s ;  0 = 0 S l . * Chu kỳ, tần số, tần số góc của con lắc đơn: T = 2 g l ; f =  2 1 l g ;  = l g . * Lực kéo về khi biên độ góc nhỏ: F = - s l mg . * Ứng dụng: Xác định gia tốc rơi tự do nhờ đo chu kì và chiều dài của con lắc đơn: g = 2 2 4 T l  . * Năng lượng của con lắc đơn: + Động năng : W đ = 2 1 mv 2 . Thế năng: W t = mgl(1 - cos) = 2 1 mgl 2 (  10 0 ,  (rad)). + Cơ năng: W = W t + W đ = mgl(1 - cos 0 ) = 2 1 mgl 2 0 . Cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn nếu bỏ qua ma sát. * Con lắc đơn chịu tác dụng thêm lực khác ngoài trọng lực Nếu ngoài trọng lực ra, con lắc đơn còn chịu thêm một lực  F không đổi khác (lực điện trường, lực quán tính, lực đẩy Acsimet, ), thì trọng lực biểu kiến tác dụng lên vật sẽ là:  'P =  P +  F , ia tốc rơi tự do biểu kiến là:  'g =  g + m F  . Khi đó chu kì dao động của con lắc đơn là: T’ = 2 'g l . * Con lắc vật lí: Con lắc vật lí là một vật rắn quay được quanh một trục nằm ngang cố định. + Phương trình dao động của con lắc vật lí:  =  0 cos(t + ); với  = dmg I ; trong đó m là khối lượng của vật rắn, d là khoảng cách từ trọng tâm của vật rắn đến trục quay còn I là momen quán tính của vật rắn. + Chu kì, tần số của con lắc vật lí: T = 2 d I mg , f = 1 2  dmg I . + Ứng dụng của con lắc vật lí: Giống như con lắc đơn, con lắc vật lí dùng để đo gia tốc trọng trường g nơi đặt con lắc. 4. Dao động tắt dần, dao động cưởng bức: * Dao động tắt dần + Khi không có ma sát, con lắc dao động điều hòa với tần số riêng. Tần số riêng của con lắc chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của con lắc. GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 3 + Dao động có biên độ giảm dần theo thời gian gọi là dao động tắt dần. Nguyên nhân làm tắt dần dao động là do lực ma sát và lực cản của môi trường làm tiêu hao cơ năng của con lắc, chuyển hóa dần cơ năng thành nhiệt năng. Vì thế biên độ của con lắc giảm dần và cuối cùng con lắc dừng lại. + Ứng dụng: các thiết bị đóng cửa tự động, các bộ phận giảm xóc của ô tô, xe máy, … là những ứng dụng của dao động tắt dần. * Dao động duy trì Nếu ta cung cấp thêm năng lượng cho vật dao động có ma sát để bù lại sự tiêu hao vì ma sát mà không làm thay đổi chu kì riêng của nó thì dao động sẽ kéo dài mãi và được gọi là dao động duy trì. * Dao động cưởng bức + Dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưởng bức tuần hoàn gọi là dao động cưởng bức. + Dao động cưởng bức có biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưởng bức. + Biên độ của dao động cưởng bức phụ thuộc vào biên độ của lực cưởng bức, vào lực cản trong hệ và vào sự chênh lệch giữa tần số cưởng bức f và tần số riêng f 0 của hệ. Biên độ của lực cưởng bức càng lớn, lực cản càng nhỏ và sự chênh lệch giữa f và f 0 càng ít thì biên độ của dao động cưởng bức càng lớn. * Cộng hưởng + Hiện tượng biên độ của dao động cưởng bức tăng dần lên đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưởng bức tiến đến bằng tần số riêng f 0 của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng. + Điều kiện f = f 0 gọi là điều kiện cộng hưởng. + Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của biên độ vào tần số cưởng bức gọi là đồ thị cộng hưởng. Nó càng nhọn khi lực cản của môi trường càng nhỏ. + Tầm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng: Tòa nhà, cầu, bệ máy, khung xe, đều là những hệ dao động và có tần số riêng. Phải cẩn thận không để cho chúng chịu tác dụng của các lực cưởng bức mạnh, có tần số bằng tần số riêng để tránh sự cộng hưởng, gây dao động mạnh làm gãy, đổ. Hộp đàn của đàn ghi ta, viôlon, là những hộp cộng hưởng với nhiều tần số khác nhau của dây đàn làm cho tiếng đàn nghe to, rỏ. 5. Tổng hợp các dao động điều hòa: + Mỗi dao động điều hòa được biểu diễn bằng một véc tơ quay. Véc tơ này có góc tại góc tọa độ của trục Ox, có độ dài bằng biên độ dao động A, hợp với trục Ox một góc ban đầu  và quay đều quanh O theo chiều ngược chiều kim đồng hồ với tốc độ góc . + Phương pháp giãn đồ Fre-nen dùng để tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số: Lần lượt vẽ hai véc tơ quay  1 A và  2 A biểu diễn hai phương trình dao động thành phần. Sau đó vẽ véc tơ tổng hợp của hai véc tơ trên. Véc tơ tổng  A =  1 A +  2 A là véc tơ quay biểu diễn phương trình của dao động tổng hợp. + Nếu một vật tham gia đồng thời hai dao động điều hoà cùng phương, cùng tần số với các phương trình: x 1 = A 1 cos(t +  1 ) và x 2 = A 2 cos(t +  2 ), thì dao động tổng hợp sẽ là: x = x 1 + x 2 = Acos(t + ) với A và  được xác định bởi các công thức: A 2 = A 1 2 + A 2 2 + 2 A 1 A 2 cos ( 2 -  1 ) và tan = 2211 2211 coscos sinsin   AA AA   . Biên độ và pha ban đầu của dao động tổng hợp phụ thuộc vào biên độ và pha ban đầu của các dao động thành phần. + Khi x 1 và x 2 cùng pha ( 2 -  1 = 2k) thì dao động tổng hợp có biên độ cực đại: A = A 1 + A 2 . + Khi x 1 và x 2 ngược pha ( 2 -  1 = (2k + 1)) thì dao động tổng hợp có biên độ cực tiểu: A = |A 1 - A 2 | . + Trường hợp tổng quát: A 1 + A 2  A  |A 1 - A 2 |. B. CÁC DẠNG BÀI TẬP 1. Tìm các đại lượng đặc trưng trong dao động điều hòa. * Các công thức: + Li độ (phương trình dao động): x = Acos(t + ). + Vận tốc: v = x’ = - Asin(t + ) = Acos(t +  + 2  ). + Gia tốc: a = v’ = -  2 Acos(t + ) = -  2 x; a max =  2 A. GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 4 + Vận tốc v sớm pha 2  so với li độ x; gia tốc a ngược pha với li độ x (sớm pha 2  so với vận tốc v). + Liên hệ giữa tần số góc, chu kì và tần số của dao động:  = T  2 = 2f. + Công thức độc lập: A 2 = x 2 + 2 2 v  = 2 2 2 4 v a    . + Ở vị trí cân bằng: x = 0 thì |v| = v max = A và a = 0. + Ở vị trí biên: x =  A thì v = 0 và |a| = a max =  2 A = 2 ax m v A . + Lực kéo về: F = ma = - kx. + Quỹ đạo chuyển động của vật dao động điều hòa là một đoạn thẳng có chiều dài L = 2A. * Phương pháp giải: + Để tìm các đại lượng đặc trưng của một dao động điều hòa khi biết phương trình dao động hoặc biết một số đại lượng khác của dao động ta sử dụng các công thức liên quan đến những đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm rồi suy ra và tính đại lượng cần tìm theo yêu cầu của bài toán. + Để tìm các đại lượng của dao động điều hòa tại một thời điểm t đã cho ta thay giá trị của t vào phương trình liên quan để tính đại lượng đó. Lưu ý: Hàm sin và hàm cos là hàm tuần hoàn với chu kỳ 2 nên khi thay t vào nếu được góc của hàm sin hoặc hàm cos là một số lớn hơn 2 thì ta bỏ đi của góc đó một số chẵn của  để dễ bấm máy. + Để tìm thời điểm mà x, v, a hay F có một giá trị cụ thể nào đó thì ta thay giá trị này vào phương trình liên quan và giải phương trình lượng giác để tìm t. Lưu ý: Đừng để sót nghiệm: với hàm sin thì lấy thêm góc bù với góc đã tìm được, còn với hàm cos thì lấy thêm góc đối với nó và nhớ hàm sin và hàm cos là hàm tuần hoàn với chu kỳ 2 để đừng bỏ sót các họ nghiệm. Cũng đừng để dư nghiệm: Căn cứ vào dấu của các đại lượng liên quan để loại bớt họ nghiệm không phù hợp. * Bài tập minh họa: 1. Phương trình dao động của một vật là: x = 6cos(4t + 6  ) (cm), với x tính bằng cm, t tính bằng s. Xác định li độ, vận tốc và gia tốc của vật khi t = 0,25 s. 2. Một vật nhỏ khối lượng 100 g dao động điều hòa trên quỹ đạo thẳng dài 20 cm với tần số góc 6 rad/s. Tính vận tốc cực đại và gia tốc cực đại của vật. 3. Một vật dao động điều hoà trên quỹ đạo dài 40 cm. Khi ở vị trí có li độ x = 10 cm vật có vận tốc 20 3 cm/s. Tính vận tốc và gia tốc cực đại của vật. 4. Một chất điểm dao động điều hoà với chu kì 0,314 s và biên độ 8 cm. Tính vận tốc của chất điểm khi nó đi qua vị trí cân bằng và khi nó đi qua vị trí có li độ 5 cm. 5. Một chất điểm dao động theo phương trình: x = 2,5cos10t (cm). Vào thời điểm nào thì pha dao động đạt giá trị 3  ? Lúc ấy li độ, vận tốc, gia tốc của vật bằng bao nhiêu? 6. Một vật dao động điều hòa với phương trình: x = 5cos(4t + ) (cm). Vật đó đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương vào những thời điểm nào? Khi đó độ lớn của vận tốc bằng bao nhiêu? 7. Một vật nhỏ có khối lượng m = 50 g, dao động điều hòa với phương trình: x = 20cos(10t + 2  ) (cm). Xác định độ lớn và chiều của các véc tơ vận tốc, gia tốc và lực kéo về tại thời điểm t = 0,75T. 8. Một vật dao động điều hòa theo phương ngang với biên độ 2 cm và với chu kì 0,2 s. Tính độ lớn của gia tốc của vật khi nó có vận tốc 10 10 cm/s. 9. Một vật dao động điều hòa với phương trình: x = 20cos(10t + 2  ) (cm). Xác định thời điểm đầu tiên vật đi qua vị trí có li độ x = 5 cm theo chiều ngược chiều với chiều dương kể từ thời điểm t = 0. GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 5 10. Một vật dao động điều hòa với phương trình: x = 4cos(10t - 3  ) (cm). Xác định thời điểm gần nhất vận tốc của vật bằng 20 3 cm/s và đang tăng kể từ lúc t = 0. * Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Khi t = 0,25 s thì x = 6cos(4.0,25 + 6  ) = 6cos 6 7  = - 3 3 (cm); v = - 6.4sin(4t + 6  ) = - 6.4sin 6 7  = 37,8 (cm/s); a = -  2 x = - (4) 2 . 3 3 = - 820,5 (cm/s 2 ). 2. Ta có: A = 2 L = 2 20 = 10 (cm) = 0,1 (m); v max = A = 0,6 m/s; a max =  2 A = 3,6 m/s 2 . 3. Ta có: A = 2 L = 2 40 = 20 (cm);  = 22 xA v  = 2 rad/s; v max = A = 2A = 40 cm/s; a max =  2 A = 800 cm/s 2 . 4. Ta có:  = 314,0 14,3.22  T  = 20 (rad/s). Khi x = 0 thì v = ± A = ±160 cm/s. Khi x = 5 cm thì v = ±  22 xA  = ± 125 cm/s. 5. Ta có: 10t = 3   t = 30  (s). Khi đó x = Acos 3  = 1,25 (cm); v = - Asin 3  = - 21,65 (cm/s); a = -  2 x = - 125 cm/s 2 . 6. Khi đi qua vị trí cân bằng thì x = 0  cos(4t + ) = 0 = cos(± 2  ). Vì v > 0 nên 4t +  = - 2  + 2k  t = - 3 8 + 0,5k với k  Z. Khi đó |v| = v max = A = 62,8 cm/s. 7. Khi t = 0,75T = 0,75.2   = 0,15 s thì x = 20cos(10.0,15 + 2  ) = 20cos2 = 20 cm; v = - Asin2 = 0; a = -  2 x = - 200 m/s 2 ; F = - kx = - m 2 x = - 10 N; a và F đều có giá trị âm nên gia tốc và lực kéo về đều hướng ngược với chiều dương của trục tọa độ. 8. Ta có:  = 2 T  = 10 rad/s; A 2 = x 2 + 2 2 v  = 2 2 2 4 v a     |a| = 4 2 2 2 A v    = 10 m/s 2 . 9. Ta có: x = 5 = 20cos(10t + 2  )  cos(10t + 2  ) = 0,25 = cos(±0,42). Vì v < 0 nên 10t + 2  = 0,42 + 2k  t = - 0,008 + 0,2k; với k  Z. Nghiệm dương nhỏ nhất trong họ nghiệm này (ứng với k = 1) là 0,192 s. 10. Ta có: v = x’ = - 40sin(10t - 3  ) = 40cos(10t + 6  ) = 20 3  cos(10t + 6  ) = 3 2 = cos(± 6  ). Vì v đang tăng nên: 10t + 6  = - 6  + 2k  t = - 1 30 + 0,2k. Với k  Z. Nghiệm dương nhỏ nhất trong họ nghiệm này là t = 6 1 s. 2. Các bài tập liên quan đến đường đi, vận tốc và gia tốc của vật dao động điều hòa. * Kiến thức liên quan: Trong một chu kỳ vật dao động điều hoà đi được quãng đường 4A. Trong nữa chu kì vật đi được quãng đường 2A. Trong một phần tư chu kì tính từ vị trí biên hay vị trí cân bằng thì vật đi được quãng đường A, còn từ các vị trí khác thì vật đi được quãng đường khác A. Càng gần vị trí cân bằng thì vận tốc tức thời của vật có độ lớn càng lớn (ở vị trí cân bằng vận tốc của vật có độ lớn cực đại v max = A), càng gần vị trí biên thì vận tốc tức thời của vật có độ lớn càng nhỏ (ở vị trí biên v GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 6 = 0); do đó trong cùng một khoảng thời gian, càng gần vị trí cân bằng thì quãng đường đi được càng lớn còn càng gần vị trí biên thì quãng đường đi được càng nhỏ. Càng gần vị trí biên thì gia tốc tức thời của vật có độ lớn càng lớn (ở vị trí biên gia tốc của vật có độ lớn cực đại a max =  2 A), càng gần vị trí cân bằng thì gia tốc tức thời của vật có độ lớn càng nhỏ (ở vị trí cân bằng a = 0); do đó càng gần vị trí biên thì độ lớn của lực kéo về (còn gọi là lực hồi phục) càng lớn còn càng gần vị trí cân bằng thì độ lớn của lực kéo về càng nhỏ. Các công thức thường sử dụng: v tb = S t ; A 2 = x 2 + 2 2 v  = 2 2 2 4 v a    ; a = -  2 x; * Phương pháp giải: Cách thông dụng và tiện lợi nhất khi giải bài tập loại này là sử dụng mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều: + Tính quãng đường đi của con lắc trong khoảng thời gian t từ t 1 đến t 2 : - Thực hiện phép phân tích: t = nT + 2 T + t’. - Tính quãng đường S 1 vật đi được trong nT + 2 T đầu: S 1 = 4nA + 2A. - Xác định vị trí của vật trên đường tròn tại thời điểm t 1 và vị trí của vật sau khoảng thời gian nT + 2 T trên đường tròn, sau đó căn cứ vào góc quay được trong khoảng thời gian t’ trên đường tròn để tính quãng đường đi được S 2 của vật trong khoảng thời gian t’ còn lại. - Tính tổng: S = S 1 + S 2 . + Tính vận tốc trung bình của vật dao động điều hòa trong một khoảng thời gian t: Xác định góc quay được trong thời gian t trên đường tròn từ đó tính quãng đường S đi được và tính vận tốc trung bình theo công thức: v tb = S t . + Tính quãng đường lớn nhất hay nhỏ nhất vật đi được trong khoảng thời gian 0 < t < 2 T :  = t; S max = 2Asin 2   ; S min = 2A(1 - cos 2   ). + Tính tần số góc  (từ đó tính chu kỳ T hoặc tần số f) khi biết trong một chu kỳ có khoảng thời gian t để vận tốc có độ lớn không nhỏ hơn một giá trị v nào đó: trong một phần tư chu kỳ tính từ vị trí cân bằng khoảng thời gian để vận có vận tốc không nhỏ hơn v là: t = 4 t ;  = 2 T  t; vật có độ lớn vận tốc nhỏ nhất là v khi li độ |x| = Asin. Khi đó:  = 2 2 v A x  . + Tính tần số góc  (từ đó tính chu kỳ T hoặc tần số f) khi biết trong một chu kỳ có khoảng thời gian t để vận tốc có độ lớn không lớn hơn một giá trị v nào đó: trong một phần tư chu kỳ tính từ vị trí biên khoảng thời gian để vận có vận tốc không lớn hơn v là: t = 4 t ;  = 2 T  t; vật có độ lớn vận tốc lớn nhất là v khi li độ |x| = Acos. Khi đó:  = 2 2 v A x  . + Tính tần số góc  (từ đó tính chu kỳ T hoặc tần số f) khi biết trong một chu kỳ có khoảng thời gian t để gia tốc có độ lớn không nhỏ hơn một giá trị a nào đó: trong một phần tư chu kỳ tính từ vị trí biên khoảng thời gian để vận có gia tốc không nhỏ hơn a là: t = 4 t ;  = 2 T  t; vật có độ lớn gia tốc nhỏ nhất là a khi li độ |x| = Acos. Khi đó:  = | | | | a x . GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 7 + Tính tần số góc  (từ đó tính chu kỳ T hoặc tần số f) khi biết trong một chu kỳ có khoảng thời gian t để gia tốc có độ lớn không lớn hơn một giá trị a nào đó: trong một phần tư chu kỳ tính từ vị trí cân bằng khoảng thời gian để vận có gia tốc không lớn hơn a là: t = 4 t ;  = 2 T  t; vật có độ lớn gia tốc lớn nhất là a khi li độ |x| = Asin. Khi đó:  = | | | | a x . * Bài tập minh họa: 1. Một chất điểm dao động với phương trình: x = 4cos(5t + 2  ) (cm). Tính quãng đường mà chất điểm đi được sau thời gian t = 2,15 s kể từ lúc t = 0. 2. Một chất điểm dao động điều hòa với chu kì T = 0,2 s, biên độ A = 4 cm. Tính vận tốc trung bình của vật trong khoảng thời gian ngắn nhất khi đi từ vị trí có li độ x = A đến vị trí có li độ x = - 2 A . 3. Một chất điểm dao động theo phương trình x = 2,5cos10t (cm). Tính vận tốc trung bình của dao động trong thời gian 8 1 chu kì kể từ lúc vật có li độ x = 0 và kể từ lúc vật có li độ x = A. 4. Vật dao động điều hòa theo phương trình: x = 2cos(10t - 3  ) cm. Tính vận tốc trung bình của vật trong 1,1 giây đầu tiên. 5. Một vật dao động điều hòa theo phương trình: x = 5cos(2t - 4  ) cm. Tính vận tốc trung bình trong khoảng thời gian từ t 1 = 1 s đến t 2 = 4,825 s. 6. Vật dao động điều hòa theo phương trình: x = 12cos(10t - 3  ) cm. Tính quãng đường dài nhất và ngắn nhất mà vật đi được trong 1 4 chu kỳ. 7. Một chất điểm dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 10 cm. Biết trong một chu kì, khoảng thời gian để chất điểm có vận tốc không vượt quá 20 3 cm/s là 2 3 T . Xác định chu kì dao động của chất điểm. 8. Một chất điểm dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 8 cm. Biết trong một chu kì, khoảng thời gian để chất điểm có vận tốc không nhỏ hơn 40 3 cm/s là 3 T . Xác định chu kì dao động của chất điểm. 9. Một con lắc lò xo dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 5 cm. Biết trong một chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không vượt quá 100 cm/s 2 là 3 T . Lấy π 2 = 10. Xác định tần số dao động của vật. 10. Một con lắc lò xo dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 4 cm. Biết trong một chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không nhỏ hơn 500 2 cm/s 2 là 2 T . Lấy π 2 = 10. Xác định tần số dao động của vật. * Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Ta có: T =   2 = 0,4 s ; T t = 5,375 = 5 + 0,25 + 0,125  t = 5T + 4 T + 8 T . Lúc t = 0 vật ở vị trí cân bằng; sau 5 chu kì vật đi được quãng đường 20A và trở về vị trí cân bằng, sau 4 1 chu kì kể từ vị trí cân bằng vật đi được GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 8 quãng đường A và đến vị trí biên, sau 8 1 chu kì kể từ vị trí biên vật đi được quãng đường: A - Acos 4  = A - A 2 2 . Vậy quãng đường vật đi được trong thời gian t là s = A(22 - 2 2 ) = 85,17 cm. 2. Khoảng thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí biên x = A đến vị trí cân bằng x = 0 là 4 T ; khoảng thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí cân bằng x = 0 đến vị trí có li độ x = 2 A  là 3 4 T = 12 T ; vậy t = 4 T + 12 T = 3 T . Quãng đường đi được trong thời gian đó là s = A + 2 A = 2 3A  Tốc độ trung bình v tb = t s = T A 2 9 = 90 cm/s. 3. Ta có: T =   2 = 0,2 s; t = 8 T = 0,0785 s. Trong 8 1 chu kỳ, góc quay trên giãn đồ là 4  . Quãng đường đi được tính từ lúc x = 0 là s = Acos 4  = 1,7678 cm, nên trong trường hợp này v tb = 0785,0 7678,1    t s = 22,5 (cm/s). Quãng đường đi được từ lúc x = A là s = A - Acos 4  = 0,7232 cm, nên trong trường hợp này v tb = 0785,0 7232,0    t s = 9,3 (cm/s). 4. Ta có: T =   2 = 0,2 s; t = 1,1 = 5.0,2 + 2 2,0 = 5T + 2 T  Quãng đường vật đi được là: S = 5.4A + 2 A = 22A = 44 cm  Vận tốc trung bình: v tb = t S  = 40 cm/s. 5. T =   2 = 1 s; t = t 2 – t 1 = 3,625 = 3T + 2 T + 8 T . Tại thời điểm t 1 = 1 s vật ở vị trí có li độ x 1 = 2,5 2 cm; sau 3,5 chu kì vật đi được quãng đường 14 A = 70 cm và đến vị trí có li độ - 2,5 2 cm; trong 8 1 chu kì tiếp theo kể từ vị trí có li độ - 2,5 2 cm vật đi đến vị trí có li độ x 2 = - 5 cm nên đi được quãng đường 5 – 2,5 2 = 1,46 (cm). Vậy quãng đường vật đi được từ thời điểm t 1 đến thời điểm t 2 là S = 70 + 1,46 = 71, 46 (cm)  v tb = t S   = 19,7 cm/s. 6. Vật có độ lớn vận tốc lớn nhất khi ở vị trí cân bằng nên quãng đường dài nhất vật đi được trong 1 4 chu kỳ là S max = 2Acos 4  = 16,97 cm. Vật có độ lớn vận tốc nhỏ nhất khi ở vị trí biên nên quãng đường ngắn nhất vật đi được trong 1 4 chu kỳ là S min = 2A(1 - cos 4  ) = 7,03 cm. 7. Trong quá trình dao động điều hòa, vận tốc có độ lớn càng nhỏ khi càng gần vị trí biên, nên trong 1 chu kì vật có vận tốc không vượt quá 20 3 cm/s là 2 3 T thì trong 1 4 chu kỳ kể từ vị trí biên vật có vận tốc không vượt quá 20 3 cm/s là 6 T . Sau khoảng thời gian 6 T kể từ vị trí biên vật có |x| = Acos 3  = 5 cm   = 22 xA v  = 4 rad/s  T =   2 = 0,5 s. GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 9 8. Trong quá trình dao động điều hòa, vận tốc có độ lớn càng lớn khi càng gần vị trí cân bằng, nên trong 1 chu kì vật có vận tốc không nhỏ hơn 40 3 cm/s là 3 T thì trong 1 4 chu kỳ kể từ vị trí cân bằng vật có vận tốc không nhỏ hơn 40 3 cm/s là 12 T . Sau khoảng thời gian 12 T kể từ vị trí cân bằng vật có |x| = Asin 6  = 4 cm   = 22 xA v  = 10 rad/s  T =   2 = 0,2 s. 9. Trong quá trình vật dao động điều hòa, gia tốc của vật có độ lớn càng nhỏ khi càng gần vị trí cân bằng. Trong một chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không vượt quá 100 cm/s 2 là 3 T thì trong một phần tư chu kì tính từ vị trí cân bằng, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không vượt quá 100 cm/s 2 là 12 T . Sau khoảng thời gian 12 T kể từ vị trí cân bằng vật có |x| = Acos 6  = 2 A = 2,5 cm. Khi đó |a| =  2 |x| = 100 cm/s 2   = || || x a = 2 10 = 2  f =   2 = 1 Hz. 10. Trong quá trình vật dao động điều hòa, gia tốc của vật có độ lớn càng lớn khi càng gần vị trí biên. Trong một chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không nhỏ hơn 500 2 cm/s 2 là 2 T thì trong một phần tư chu kì tính từ vị trí biên, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không nhỏ hơn 500 2 cm/s 2 là 8 T . Sau khoảng thời gian 8 T kể từ vị trí biên vật có |x| = Acos 4  = 2 A = 2 2 cm. Khi đó |a| =  2 |x| = 500 2 cm/s 2   = || || x a = 5 10 = 5  f =   2 = 2,5 Hz. 3. Viết phương trình dao động của vật dao động, của các con lắc lò xo và con lắc đơn. * Các công thức: + Phương trình dao động của con lắc lò xo: x = Acos(t + ). Trong đó:  = m k ; con lắc lò xo treo thẳng đứng:  = m k = 0 g l ; A = 2 0 2 0         v x = 2 2 2 4 v a    ; cos = A x 0 ; (lấy nghiệm "-" khi v 0 > 0; lấy nghiệm "+" khi v 0 < 0); với x 0 và v 0 là li độ và vận tốc tại thời điểm t = 0. + Phương trình dao động của con lắc đơn: s = S 0 cos(t + ). Trong đó:  = l g ; S 0 = 2 2 v s         = 2 2 2 4 v a    ; cos = 0 s S ; (lấy nghiệm "-" khi v > 0; lấy nghiệm "+" khi v < 0); với s = l ( tính ra rad); v là li độ; vận tốc tại thời điểm t = 0. + Phương trình dao động của con lắc đơn có thể viết dưới dạng li độ góc:  =  0 cos(t + ); với s = l; S 0 =  0 l ( và  0 tính ra rad). * Phương pháp giải: Dựa vào các điều kiện bài toán cho và các công thức liên quan để tìm ra các giá trị cụ thể của tần số góc, biên độ và pha ban đầu rồi thay vào phương trình dao động. Lưu ý: Sau khi giải một số bài toán cơ bản về dạng này ta rút ra một số kết luận dùng để giải nhanh một số câu trắc nghiệm dạng viết phương trình dao động: + Nếu kéo vật ra cách vị trí cân bằng một khoảng nào đó rồi thả nhẹ thì khoảng cách đó chính là biên độ dao động. Nếu chọn gốc thời gian lúc thả vật thì:  = 0 nếu kéo vật ra theo chiều dương;  =  nếu kéo vật ra theo chiều âm. GV: Nguyễn Ngọc Vinh VẬT LÍ 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 10 + Nếu từ vị trí cân bằng truyền cho vật một vận tốc để nó dao động điều hòa thì vận tốc đó chính là vận tốc cực đại, khi đó: A = max v  , (con lắc đơn S 0 = max v  ). Chọn gốc thời gian lúc truyền vận tốc cho vật thì:  = - 2  nếu chiều truyền vận tốc cùng chiều với chiều dương;  = 2  nếu chiều truyền vận tốc ngược chiều dương. * Bài tập minh họa: 1. Một con lắc lò xo thẳng đứng gồm một vật có khối lượng 100 g và lò xo khối lượng không đáng kể, có độ cứng 40 N/m. Kéo vật nặng theo phương thẳng đứng xuống phía dưới cách vị trí cân bằng một đoạn 5 cm và thả nhẹ cho vật dao động điều hoà. Chọn trục tọa độ Ox thẳng đứng, gốc O trùng với vị trí cân bằng; chiều dương là chiều vật bắt đầu chuyển động; gốc thời gian lúc thả vật. Lấy g = 10 m/s 2 . Viết phương trình dao động của vật. 2. Một con lắc lò xo gồm vật nặng khối lượng m = 400 g, lò xo khối lượng không đáng kể, có độ cứng k = 40 N/m. Kéo vật nặng ra cách vị trí cân bằng 4 cm và thả nhẹ. Chọn chiều dương cùng chiều với chiều kéo, gốc thời gian lúc thả vật. Viết phương trình dao động của vật nặng. 3. Một con lắc lò xo có khối lượng m = 50 g, dao động điều hòa trên trục Ox với chu kì T = 0,2 s và chiều dài quỹ đạo là L = 40 cm. Viết phương trình dao động của con lắc. Chọn gốc thời gian lúc con lắc qua vị trí cân bằng theo chiều âm. 4. Một con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm một vật nặng khối lượng m gắn vào lò xo khối lượng không đáng kể, có độ cứng k = 100 N/m. Chọn trục toạ độ thẳng đứng, gốc toạ độ tại vị trí cân bằng, chiều dương từ trên xuống. Kéo vật nặng xuống phía dưới, cách vị trí cân bằng 5 2 cm và truyền cho nó vận tốc 20 2 cm/s theo chiều từ trên xuống thì vật nặng dao động điều hoà với tần số 2 Hz. Chọn gốc thời gian lúc vật bắt đầu dao động. Cho g = 10 m/s 2 ,  2 = 10. Viết phương trình dao động của vật nặng. 5. Một con lắc lò xo gồm một lò xo nhẹ có độ cứng k và một vật nhỏ có khối lượng m = 100 g, được treo thẳng đứng vào một giá cố định. Tại vị trí cân bằng O của vật, lò xo giãn 2,5 cm. Kéo vật dọc theo trục của lò xo xuống dưới cách O một đoạn 2 cm rồi truyền cho nó vận tốc 40 3 cm/s theo phương thẳng đứng hướng xuống dưới. Chọn trục toạ độ Ox theo phương thẳng đứng, gốc tại O, chiều dương hướng lên trên; gốc thời gian là lúc vật bắt đầu dao động. Lấy g = 10 m/s 2 . Viết phương trình dao động của vật nặng. 6. Một con lắc đơn có chiều dài l = 16 cm. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc 9 0 rồi thả nhẹ. Bỏ qua mọi ma sát, lấy g = 10 m/s 2 ,  2 = 10. Chọn gốc thời gian lúc thả vật, chiều dương cùng chiều với chiều chuyển động ban đầu của vật. Viết phương trình dao động theo li độ góc tính ra rad. 7. Một con lắc đơn dao động điều hòa với chu kì T = 2 s. Lấy g = 10 m/s 2 ,  2 = 10. Viết phương trình dao động của con lắc theo li độ dài. Biết rằng tại thời điểm ban đầu vật có li độ góc  = 0,05 rad và vận tốc v = - 15,7 cm/s. 8. Một con lắc đơn có chiều dài l = 20 cm. Tại thời điểm t = 0, từ vị trí cân bằng con lắc được truyền vận tốc 14 cm/s theo chiều dương của trục tọa độ. Lấy g = 9,8 m/s 2 . Viết phương trình dao động của con lắc theo li độ dài. 9. Một con lắc đơn đang nằm yên tại vị trí cân bằng, truyền cho nó một vận tốc v 0 = 40 cm/s theo phương ngang thì con lắc đơn dao động điều hòa. Biết rằng tại vị trí có li độ góc  = 0,1 3 rad thì nó có vận tốc v = 20 cm/s. Lấy g = 10 m/s 2 . Chọn gốc thời gian là lúc truyền vận tốc cho vật, chiều dương cùng chiều với vận tốc ban đầu. Viết phương trình dao động của con lắc theo li độ dài. 10. Con lắc đơn dao động điều hòa với chu kì T = 5  s. Biết rằng ở thời điểm ban đầu con lắc ở vị trí biên, có biên độ góc  0 với cos 0 = 0,98. Lấy g = 10 m/s 2 . Viết phương trình dao động của con lắc theo li độ góc. * Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Ta có:  = m k = 20 rad/s; A = 2 2 2 2 2 0 2 0 20 0 )5(   v x = 5(cm); cos = 5 5 0   A x = - 1 = cos   = . Vậy x = 5cos(20t + ) (cm). 2. Ta có:  = m k = 10 rad/s; A = 2 2 2 2 2 0 2 0 10 0 4   v x = 4 (cm); cos = 4 4 0  A x = 1 = cos0   = 0. Vậy x = 4cos20t (cm). [...]... tìm * Bài tập minh họa: 1 Một con lắc lò xo có biên độ dao động 5 cm, có vận tốc cực đại 1 m/s và có cơ năng 1 J Tính độ cứng của lò xo, khối lượng của vật nặng và tần số dao động của con lắc 2 Một con lắc lò xo có độ cứng k = 150 N/m và có năng lượng dao động là W = 0,12 J Khi con lắc có li độ là 2 cm thì vận tốc của nó là 1 m/s Tính biên độ và chu kỳ dao động của con lắc 3 Một con lắc lò xo có khối... dài l1 dao động với chu kỳ T1 = 2 s, chiều dài l2 dao động với chu kỳ T2 = 1,5 s Tính chu kỳ dao động của con lắc đơn có chiều dài l1 + l2 và con lắc đơn có chiều dài l1 – l2 3 Khi con lắc đơn có chiều dài l1, l2 (l1 > l2) có chu kỳ dao động tương ứng là T1, T2 tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10 m/s2 Biết tại nơi đó, con lắc đơn có chiều dài l1 + l2 có chu kỳ dao động là 2,7; con lắc đơn có chiều... tần số f = 10 Hz, có biên độ lần lượt là 100 mm và 173 mm, dao động thứ hai trể pha  so với dao động thứ nhất Biết pha ban đầu của dao động thứ nhất bằng 2 phương trình dao động thành phần và phương trình dao động tổng hợp 2 Một vật tham gia đồng thời hai dao động: x 1 = 3cos(5t +  3 ) (cm) và x 2 = 3 3 cos(5t +  6  4 Viết các ) (cm) Tìm phương trình dao động tổng hợp 3 Chuyển động của một vật...    v  6 Một vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc cực đại là 31,4 cm/s Lấy   3,14 Tốc độ trung bình của vật trong một chu kì dao động là A 20 cm/s B 10 cm/s C 0 D 15 cm/s 7 Khi nói về dao động cưỡng bức, phát biểu nào sau đây là đúng? A Dao động của con lắc đồng hồ là dao động cưỡng bức B Biên độ của dao động cưỡng bức là biên độ của lực cưỡng bức C Dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số... = 2 = 2 =T 11 mgd mg 'd 11 mgd 10 Dao động tắt dần, dao động cưởng bức, cộng hưởng * Các công thức: + Hệ dao động cưởng bức sẽ có cộng hưởng khi tần số f của lực cưởng bức bằng tần số riêng f0 hệ dao động + Trong dao động tắt dần phần cơ năng giảm đi đúng bằng công của lực ma sát nên với con lắc lò xo dao động tắt dần với biên độ ban đầu A, hệ số ma sát  ta có: kA 2  2 A2  Quảng đường vật đi... ban đầu của dao động hợp là: A = Ax2  Ay và tan = Ax * Phương pháp giải: Tùy theo từng bài toán và sở trường của từng người, ta có thể dùng giãn đồ véc tơ hoặc công thức lượng giác để giải các bài tập loại này Lưu ý: Nếu có một phương trình dao động thành phần dạng sin thì phải đổi phương trình này sang dạng cos rồi mới tính toán hoặc vẽ giãn đồ véc tơ * Bài tập minh họa: 1 Hai dao động điều hoà... đúng khi nói về dao động tắt dần? A Dao động tắt dần có biên độ giảm dần theo thời gian B Cơ năng của vật dao động tắt dần không đổi theo thời gian C Lực cản môi trường tác dụng lên vật luôn sinh công dương D Dao động tắt dần là dao động chỉ chịu tác dụng của nội lực 13 Một vật dao động điều hòa dọc theo trục Ox với chu kì T, vị trí cân bằng và mốc thế năng ở gốc tọa độ Tính từ lúc vật có li độ dương... rồi buông nhẹ để con lắc dao động tắt dần Lấy g = 10 m/s2 Tốc độ lớn nhất vật nhỏ đạt được trong quá trình dao động là A 40 3 cm/s B 20 6 cm/s C 10 30 cm/s D 40 2 cm/s 29 Dao động tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số có phương trình li độ là x = 3cos(πt 5  )(cm) Biết dao động thứ nhất có phương trình li độ là x1 = 5cos(πt + ) (cm) Dao động thứ hai có phương 6 6 trình li độ... đó suy ra và tính đại lượng cần tìm * Bài tập minh họa: 1 Một con lắc lò xo dao động tắt dần Cứ sau mỗi chu kì, biên độ của nó giảm 0,5% Hỏi năng lượng dao động của con lắc bị mất đi sau mỗi dao động toàn phần là bao nhiêu % ? 2 Một con lắc lò xo đang dao động tắt dần Cơ năng ban đầu của nó là 5 J Sau ba chu kì dao động thì biên độ của nó giảm đi 20% Xác định phần cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng... một vật là tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương cùng tần số có các phương  3 trình: x1  4 cos(10t  ) (cm); x2 = 3cos(10t + ) (cm) Xác định vận tốc cực đại, gia tốc cực đại của vật 4 4 4 Dao động tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương có biểu thức x = 5 3 cos(6t + động thứ nhất có biểu thức là x1 = 5cos(6t +  2 ) (cm) Dao  ) (cm) Tìm biểu thức của dao động thứ hai 3 5 Một vật . THUYẾT 1. Dao động điều hòa: * Dao động cơ, dao động tuần hoàn + Dao động cơ là chuyển động qua lại của vật quanh vị trí cân bằng. + Dao động tuần hoàn là dao động mà sau những khoảng thời gian. nó thì dao động sẽ kéo dài mãi và được gọi là dao động duy trì. * Dao động cưởng bức + Dao động chịu tác dụng của một ngoại lực cưởng bức tuần hoàn gọi là dao động cưởng bức. + Dao động cưởng. 12 Chương 1: Dao động cơ DD: 0905883246 - Tài liệu ôn thi Tốt nghiệp và Đại học 2013-2014 - Vinhquang807@gmail.com 1 CHƯƠNG 1: DAO ĐỘNG CƠ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1. Dao động điều hòa: * Dao