Dao động điều hòa: Cách thú vị để vật chuyển động

Nhắc đến dao động điều hòa, chắc hẳn nhiều bạn đã từng nghe qua. Nhưng bạn đã hiểu thật sự về khái niệm này chưa? Hãy cùng PRAIM khám phá sự thú vị của dao động điều hòa nhé!

1. Khái niệm dao động điều hòa

1.1 Dao động cơ

• Một vật chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng được gọi là dao động cơ.
• Dao động tuần hoàn là dao động cơ mà trạng thái của vật được lặp lại y như cũ trong một khoảng thời gian xác định bằng nhau.

1.2 Dao động điều hòa là gì?

• Một dao động tuần hoàn chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng là dao động điều hòa.
• Một vật dao động điều hòa là khi vật đó chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng.
• Ví dụ: Chuyển động của con thuyền nhấp nhô trên mặt nước tại chỗ neo thuyền, chuyển động của bông hoa khi có gió, chuyển động của dây đàn khi gảy, chuyển động của xích đu, chuyển động của bập bênh…
• Chuyển động dao động điều hòa có quỹ đạo là một đoạn thằng và có li độ của vật là hàm cos hoặc sin của thời gian. Đồ thị của dao động điều hòa sẽ có hình sin vì vậy dao động điều hòa còn được gọi là dao động hình sin.

1.3 Phương trình dao động điều hòa

a. Phương trình dao động điều hòa

• Phương trình dao động điều hòa có dạng tổng quát như sau: x = Acos(omega t + varphi )
• Trong đó:
  • A là biên độ dao động
  • omega là tần số góc của dao động
  • varphi là pha dao động tại thời điểm t
  • varphi là pha ban đầu của dao động.

b. Cách tìm biên độ dao động

• Là công việc không khó, ta chỉ cần biết công thức sau:
  A = L/2
• Trong đó:
  • L là chiều dài quỹ đạo của dao động
  • S là quãng đường trong 1 chu kỳ

c. Cách tìm tần số góc

• Công thức tính tần số góc là:
  omega = 2pi f = sqrt(a_max/A) = v_max/A = a_max/v_max = sqrt(v^2/(A^2 - x^2))

2. Các đại lượng đặc trưng trong dao động điều hòa

2.1 Chu kì

• Chu kì là khoảng thời gian ngắn nhất mà một vật thực hiện được một dao động. Chu kì được kí hiệu là T và đơn vị tính là giây.
• Mối liên hệ giữa chu kỳ và tần số góc có công thức như sau:

2.2 Tần số dao động

• Số dao động mà vật thực hiện được trong một giây được gọi là tần số, được kí hiệu là f, đơn vị Hz.
• Tần số và chu kì có liên hệ công thức.

2.3 Tần số góc

• Là đại lượng liên hệ giữa chu kì T và tần số dao động qua hệ thức sau:

2.4 Vận tốc dao động điều hòa

• Vận tốc trong dao động điều hòa được xác định bằng đạo hàm của li độ x trong khoảng thời gian t:
  • Tại vị trí cân bằng thì vận tốc dao động điều hòa có độ lớn cực đại.
  • Vận tốc bằng không khi ở vị trí biên.
  • Vận tốc sẽ đổi chiều tại biên độ và nhanh pha hơn li độ một góc.

2.5 Gia tốc

• Gia tốc trong dao động điều hòa là đạo hàm của vận tốc theo thời gian:
  • Tại vị trí cân bằng x = 0 thì a = 0.
  • Tại vị trí biên.
  • Gia tốc ngược pha với li độ và sớm pha hơn vận tốc một góc.

3. Đồ thị dao động điều hòa

• Đồ thị của dao động điều hòa là một đường hình sin.
• Trường hợp.
• Trường hợp pha ban đầu tại các bị trí đặc biệt.

4. Các dạng bài dao động điều hòa hay gặp

4.1 Bài tập tìm các đại lượng đặc trưng

• Là dạng bài xác định giá trị của các đại lượng đặc trưng dựa trên các dữ liệu mà đề bài cung cấp.
• Ví dụ minh họa.

4.2 Bài tập tìm quãng đường trong một khoảng thời gian

• Đây là dạng bài thường gặp trong dao động điều hòa, tìm quãng đường vật đi được trong thời gian.
• Cách tính quãng đường đi.

4.3 Bài tập tìm quãng đường ngắn nhất, dài nhất trong dao động điều hòa

• Trường hợp.
• Trường hợp.
• Ví dụ minh họa.

4.4 Dạng bài tập tính tốc độ trung bình, vận tốc trung bình trong dao động điều hòa

• Để giải được dạng bài tập này, ta áp dụng các công thức sau:
• Ví dụ minh họa.

Trên đây là toàn bộ lý thuyết về dao động điều hòa và một số dạng bài tập thường gặp mà PRAIM đã tổng hợp lại. Hi vọng những kiến thức này sẽ giúp ích cho bạn khi ôn thi Lý tốt nghiệp THPT Quốc Gia.

Tham khảo: Tổng hợp kiến thức vật lý 12