Tổng hợp Lý thuyết Chương 1: Dao động cơ - Vật Lí lớp 12

Tổng hợp Lý thuyết Chương 1: Dao động cơ

Tài liệu Tổng hợp Lý thuyết Chương 1: Dao động cơ Vật Lí lớp 12 sẽ tóm tắt kiến thức trọng tâm về Chương 1: Dao động cơ từ đó giúp học sinh ôn tập để nắm vứng kiến thức môn Vật Lí lớp 12.

• Lý thuyết Dao động điều hòa
• Lý thuyết Con lắc lò xo
• Lý thuyết Con lắc đơn
• Lý thuyết Dao động tắt dần - Dao động cưỡng bức
• Lý thuyết Tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương cùng tần số - Phương pháp giản đồ Fre-nen

Lý thuyết Dao động điều hòa

I) Khái niệm.

     - Dao động cơ: là chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng ( vị trí hợp lực tác dụng lên vật bằng không). VD: chuyển động đung đưa của chiếc lá,...

     - Dao động tuần hoàn: là dao động cơ mà sau những khoảng thời gian bằng nhau vật trở lại vị trí cũ theo hướng cũ. Khi vật trở lại vị trí cũ theo hướng cũ thì vật thực hiện được một dao động toàn phần. Thời gian vật thực hiện một dao động toàn phần là một chu kỳ T. Số dao động toàn phần vật thực hiện được trong 1s là tần số f.

     - VD: dao động của con lắc đồng hồ. Vị trí B: là vị trí cân bằng của con lắc.

       +) Quá trình từ B → C → B: vật trở về cùng một vị trí nhưng không cùng chiều nên không phải là một dao động toàn phần.

       +) Quá trình B → C → B → A → B: là một dao động toàn phần.

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

II) Phương trình dao động điều hòa.

    Điểm P dao động điều hòa trên một đoạn thẳng từ -A đến A luôn có thể coi là hình chiếu của một điểm M chuyển động tròn đều với tốc độ góc ω, trên đường tròn có đường kính là đoạn thẳng đó.

    CM:

    Giả sử t = 0 vật ở vị trí M₀ được xác đinh bằng góc φ

    Tại thời điểm t vị trí của M là (ωt + φ)

    Khi đó hình chiều P của M có tọa độ :

    x = A cos⁡(ωt + φ)

    Phương trình trên được gọi là phương trình của dao động điều hòa.

    Trong đó:

    x: Li độ của vật.

    A: Biên độ của vật ( giá trị lớn nhất của li độ).

    ω: tốc độ góc trong chuyển động tròn đều hay tần số góc trong dao động điều hòa.

    ωt + φ: pha dao động tại thời điểm t.

    φ: pha ban đầu ( pha dao động tại thời điểm ban đầu).

III) Vận tốc, gia tốc của vật dao động điều hòa

    - Vận tốc v = x' = -Aω sin⁡(ωt + φ) = ωA cos⁡(ωt + φ + π/2)

    → Độ lớn v_max = ωA tại vị trí cân bằng x = 0; v = 0 tại vị trí biên x = ±A

    - Gia tốc a = v' = x"= -ω²A = -ω² A cos⁡(ωt + φ) = ω² A cos⁡(ωt+φ + π)

    → Độ lớn a_max = ω² A tại vị trí biên x = ±A; a = 0 tại vị trí cân bằng x = 0

    Nhận xét:

    - Mối quan hệ giữa các giá trị tức thời x, v, a.

       +) Vận tốc v sớm pha hơn li độ x một góc π/2:

       +) Gia tốc a sớm pha hơn vận tốc v một góc π/2:

       +) Gia tốc a và li độ x ngược pha: a = -ω²x

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

Lý thuyết Con lắc lò xo

I) Khái niệm

     - Con lắc lò xo gồm một vật nhỏ có khối lượng m gắn vào đầu một lò xo có độ cứng k và khối lượng không đáng kể.

II) Phương trình dao động

     - Xét một con lắc lò xo nằm ngang: vật có khối lượng m, lò xo có độ cứng k, mặt ngang không ma sát.

     Chọn trục tọa độ như hình vẽ, gốc tọa độ ở VTCB ( vị trí lò xo không biến dạng.

     Các lực tác dụng lên vật: trọng lực P→, phản lực N→, lực đàn hồi F→.

     Theo Định luật II Niu-tơn ta có: P→ + N→ + F→ = ma→

     Chiếu lên trục Ox ta có: F = ma

     ⇔ -kx = ma ⇔ a = x" = (-k/m).x (Phương trình vi phân cấp 2)

     Nghiệm của phương trình trên có dạng: x = A cos⁡(ωt + φ)

     Với

     A, φ∶ được xác định từ điều kiện ban đầu của bài toán.

III) Lực trong con lắc lò xo:

     - Lực đàn hồi F_đh: là lực xuất hiện khi lò xo bị biến dạng.

     F_đh = -k∆l (Với ∆l là độ biến dạng của lò xo, so với vị trí lò xo không biến dạng)

     - Lực phục hồi (lực hồi phục): là hợp lực tác dụng lên vật dao động điều hòa.

     F_ph = ma = -kx (Với x là li độ của vật, so với VTCB)

     Lực phục hồi luôn hướng về vị trí cân bằng.

     - Nhận xét

     Trong con lắc lò xo nằm ngang: x = ∆l ( do VTCB là vị trí lò xo không biến dạng)

     Trong con lắc lò xo thẳng đứng:

     Tại VTCB, tổng hợp lực bằng 0: k∆l₀ = mg

     → Độ biến dạng của lò xo ở VTCB ∆l₀ = mg/k

     (VTCB khác vị trí lò xo không biến dạng).

     Độ lớn

     Độ lớn

IV) Năng lượng trong con lắc lò xo:

     - Động năng của con lắc lò xo:

     - Thế năng đàn hồi của con lắc lò:

     - Trong con lắc lò xo nằm ngang x = ∆l nên:

     - Cơ năng trong con lắc lò xo:

     - Nhận xét: Trong suốt quá trình dao động, động năng và thế năng của con lắc lò xo biên thiên tuần hoàn với chu kì T/2, còn cơ năng của vật được bảo toàn.