Lý thuyết chương Dao động cơ Vật lí 12

Lý thuyết chương Dao động cơ Vật lí 12 và 40 câu trắc nghiệm minh họa có lời giải đáp án rất hay và bổ ích.Chúc bạn ôn tập hiệu quả và đạt kết quả cao trong kì thi tới !

Trang 1
CHƯƠNG 1. DAO ĐỘNG CƠ-VT LÍ 12
A. LÍ THUYT
I. DAO ĐỘNG
Dao động là chuyển động qua li quanh mt v trí cân bng ca vt.
Qu lc của đồng h treo tường đung đưa sang trái, sang phải quanh mt v trí
cân bng (là v trí thp nht ca qu lc) nên ta nói qu lắc đồng h đang dao
động.
Trên mt h gn sóng, mu g nh bng bnh, nhp nhô ti v trí ca nó trên
mt h. Ta nói mu g nh đang dao động.
II. DAO ĐỘNG TUN HOÀN
Dao động tun hoàn dao động trng thái chuyển động ca vật được lp lại như sau những
khong thi gian bằng nhau xác định.
d: Xét mt con lắc đơn trong môi trường chân không. Ta kéo con lc ra khi v trí cân bng ca
sao cho dây treo hp với phương thẳng đứng mt góc
10
nào đó rồi th nh. Ta s quan sát thy con
lc chuyển động qua li quanh v trí cân bng (v trí thp nht ca con lc) ca mãi. sau khi th, ta
thy c sau mt khong thi gian bng nhau và bằng T nào đó, con lắc li tr li v trí ban đầu. Ta nói con
lắc đang dao động tun hoàn.
III. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA
1. Định nghĩa
Xét mt vật dao động trên trc Ox xung quanh v trí cân bng ca vt ti O.
Trong quá trình vt chuyển động, v trí ca vật được xác định bi tọa độ x gi là
li độ.
Dao động điều hòa dao động li độ ca vt mt hàm côsin (hay sin) ca thi gian nhân vi mt
hng s.
Chú ý
Dao động điều hòa một trường hp riêng của dao động tuần hoàn, dao động tun hoàn th không
điều hòa.
2. Phương trình dao động
Mt vật dao động điều hòa thì có phương trình dao động là
( )
cos t= + xA
3. Các đại lượng đặc trưng của dao động điều hòa
• xli độ ca vt (li độtọa độ x ca vt trên trc tọa độ Ox). Đơn vị chuẩn là mét (m), thường dùng là
centimet (cm).
A biên độ, giá tr cực đại của li đ x ng vi lúc
( )
+ =cos t 1
. Biên độ luôn dương, đơn
v của li độ.
( )
+ t
được gi pha của dao đng ti thời điểm t. Pha chính đối s ca hàm côsin và là mt góc.
Đơn vị là độ hoc rad.
Trang 2
• φ là pha ban đầu của dao động, tc là pha dao động ti thời điểm t = 0.
• ω gọi là tn s góc của dao động. Là tốc độ biến đổi của góc pha, có đơn vị là rad/s hoặc độ/s.
Chu kì T là thi gian mà vt thc hiện được một dao động toàn phn.
STUDY TIP
Độ ln của li độ
x
là khong cách t vật đến v trí cân bng.
. Chu kì có đơn vị là giây (s)
Tn s f là s dao động vt thc hiện được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Héc (Hz) hay
1
s
.
duoc 1
==
Sodaodong thuchien trong khoang thoi giant
f
Thoi giantthuchiensodaodong do T
Ví d: Mt vật dao động điều hòa, người ta thy trong 10s vt thc hiện được 20 dao động. Khi đó:
- Tn s f ca vt:
20
2
10
==f
(Hz).
- Chu kì dao động:
10
T 0,5
20
==
(s).
4. Phương trình vận tc
Vn tc bằng đạo hàm của li độ theo thi gian.
( )
( )
'
2
2
= = − +
= + +

= + +



= + +


v x Asin t
Asin t
Acos t
Acos t
Nhn xét:
- Vn tc biến đổi điều hòa, và cùng tn s góc (cùng chu kì, tn s) với li độ ca vt.
- Vn tc có chiu là chiu chuyển động ca vt.
Nhn xét
Vn tc mang dấu dương (+) khi vt chuyển động theo chiều dương của trc tọa độ Ox. Vn tc mang du
âm (-) khi vt chuyển động theo chiu âm ca trc tọa độ Ox.
- Xét độ lch pha gia vn tốc và li độ, tc xét hiu s pha gia pha ca vn tc và pha của li độ:
( )
0
22


 = = + + + =


vx v x
tt
Trang 3
T đó ta
2
= +
vx
nên ta nói rng: Vn tc sm pha hơn li độ sớm pha hơn một góc
2
.
Ngược li, nếu ta xét độ lch pha giữa li độ vn tc, thì ta
0
2
 =
xv
hay
xv
2
=
xv
nên ta nói rng: li độ tr pha so vi vn tc mt góc bng
2
.
Ngoài ra, nếu không xét đến đại lượng nào sm hay tr hơn so với đại lượng còn li, thì ta nói x vuông
pha vi v hoc v vuông pha vi x.
STUDY TIP
Chú ý rng theo Toán hc, ta có:
1 cos t 1
2

+ +


nên do đó:
− A v A
Vn tc cực đại
Ta có
=vA
khi
cos t 1 t k2 t k2 ,k
2 2 2

+ + = + + = + = +


(khi đó
0, 0=xv
, tc khi vật đang đi qua v trí cân bng theo chiu dương) nên vận tc cực đại ca
vt là
max
=vA
khi vật đi qua vị trí cân bng theo chiều dương.
Vn tc cc tiu
Ta có
= vA
khi
cos 1 2 2 ,
2 2 2

+ + = + + = + + = + +


t t k t k k
(khi đó
0, 0=xv
, tc là khi vật đang đi qua vị trí cân bng theo chiu âm) nên vn tc cc tiu ca vt
min
= −vA
khi vật đi qua vị trí cân bng theo chiu âm.
Chú ý
Chúng ta cn phân bit gia vn tc và tốc độ. Tốc độ là độ ln ca vn tc, là
v
. Do đó:
0 vA
.
Nhn xét:
+ Tốc độ cực đại bng
A
khi:
cos 1 sin 0 , 0
2 2 2 2
+ + = + + = + + = + = + =
t t t k t k k x
Khi đó, vật đi qua vị trí cân bng (không k chiu).
+ Tốc độ cc tiu bng 0, khi:
Trang 4
cos 0 ,
2 2 2

+ + = + + = + + = =


t t k t k k x A
Khi đó, vật mt trong hai v trí biên.
5. Phương trình gia tốc
Gia tc a ca vật dao động điều hòa bằng đo hàm ca vn tc theo thi gian, hay đạo hàm hng 2 ca
li độ x theo thi gian.
( ) ( ) ( ) ( )
2 2 2
' ''= = = − + = + + = −a v t x t Acos t Acos t x
.
Nhn xét:
- Gia tc biến đổi điều hòa cùng tn s góc (cùng chu kì, tn s) vi vn tốc và li độ ca vt.
- Gia tc chiều ngược vi chiu chuyển động ca vt
2
= −ax
luôn chiều hướng v v trí cân
bng.
Xét độ lch pha gia gia tc và vn tc, gia tốc và li độ ta thy:
- Gia tc sm pha
2
so vi vn tc, hay vn tc tr pha
2
so vi gia tc.
- Gia tc sm pha π so với li độ, hay nói cách khác, gia tốc ngược pha so với li độ.
Gia tc cực đại
Khi
=−xA
(vt biên âm) thì
2
=aA
nên gia tc cực đại là
2
=
max
aA
.
Gia tc cc tiu
Khi
=+xA
(vt biên dương) thì
2
= −aA
nên gia tc cc tiu là
2
min
= −aA
.
Nhn xét
A x A
nên ta có:
22
− A a A
.
IV. CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘC LP THI GIAN
Phương trình độc lp thời gian là phương trình liên hệ giữa các đại lượng như li đ x, vn tc v gia tc
akhông ph thuc vào thi gian t.
1. Phương trình độc lp thi gian gia v và x
Ta có
( )
( )
cos
sin
= +
= +
x A t
v A t
Mt khác, trong toán hc, ta luôn có
22
sin cos 1 + =
nên
( )
( )
( ) ( )
22
22
cos
cos sin 1
sin
+ =
+ = + + + =
+ =
x
t
xv
A
tt
v
AA
t
A
Suy ra
2
22
2
+=
v
xA
Nhn xét:
Trang 5
- Phương trình trên cho phép ta tính được mt trong bốn đại lượng x, v, A, ω khi biết ba đại lượng còn li.
- Nếu Aω cho trước thì đồ th (v,x) là đường Elip
( )
22
2
2
1+=
xv
A
A
- Nhn thy rng x v vuông pha nên ta th s dụng được đẳng thức lượng giác:
22
sin cos 1 + =
STUDY TIP
Tng quát lên, với hai đại lượng biến thiên điều hòa mn vuông pha vi nhau thì ta luôn có:
22
max max
1
+=
mn
mn
2. Phương trình độc lp thi gian gia a và v
Vì gia tc a và vn tc v vuông pha vi nhau, nên ta có
22
22
2
2 4 2
1
+ = + =
a v a v
A
AA
Nhn xét:
- Phương trình độc lp thi gian gia a v cho phép ta tính đưc mt trong bốn đại lượng a, v, ω, A khi
biết ba đại lượng còn li.
- Nếu Aω cho trước thì đồ th (v,a) là đường Elip
22
4 2 2 2
1+=

av
AA
Chú ý
Ngoài cách s dng nh chất vuông pha để suy ra biu thc trên, ta th làm cách sau: thay
2
=
a
x
vào
phương trình độc lp thi gian gia xv ta được:
22
22
2 4 2 2 2
11
+ = + =
a v a v
A A A A
3. Phương trình độc lp thi gian gia x và a
Phương trình độc lp thi gian gia xa
2
= −ax
V. CON LC LÒ XO
Con lc xo gm một xo độ cng k, khối lượng không đáng kể, một đầu gn c định, đầu kia gn
vi vt nng khối lượng m được đặt theo phương ngang hoặc treo thẳng đứng.
1. Con lc lò xo nm ngang
Xét chuyển động ca vt nng trong con lc xo nm ngang. Vt chuyển động trên mt mt phng
ngang không có ma sát.
Chn gc tọa độ O ti v trí lò xo không biến dng. Chiu Ox hướng t trái sang phi.
Trang 6
Khi vt v trí có li độ x thì các lc tác dng lên vt gm:
- Trng lc
P
.
- Phn lc
N
do mt phng tác dng lên vt.
- Lực đàn hồi ca lò xo
đh
F
.
Xét các giá tr đại s của các vectơ trên trục Ox. Ta có:
- Trng lc
P
có phương vuông góc với Ox nên giá tr đại s trên trc Ox bng 0.
- Phn lc
N
do mt phng tác dng lên vật cũng có phương vuông góc với Ox nên giá tr đại s trên trc
Ox bng 0.
- Lực đàn hồi ca xo
đh
F
giá tr đại s
= =
đh
F k l kx
. (Du tr biu th lực đàn hồi luôn
chiều ngược vi chiu biến dng ca lò xo)
Bây giờ, theo định lut II Newton thì tng tt c các lc tác dng lên vt s bng
ma
, nhưng theo
phương Ox thì trng lc bng không, phn lc bng không, gia tc
a
có giá tr đại s
''=ax
nên ta có
'' '' 0= = + =
đh
k
F ma kx mx x x
m
Chú ý
0
=−l l l
độ biến dạng đại s ca lò xo:
-
0l
thì lò xo dãn
-
0l
thì lò xo nén
-
=lx
thì con lc lò xo nm ngang.
Đặt
2
=
k
m
,khi đó phương trình có dạng:
2
'' 0+ =xx
nghim
( )
cos= + x A t
. (Nếu không tin đó nghim, thì bạn đọc th thay ngược tr li
phương trình để kim chng).
Nhn xét
2
'' 0+ =xx
phương trình vi phân. Chúng ta sẽ hc trong Toán cao cp trên bậc Đại hc. đây, ta chỉ
cn biết nó giải được và có nghiệm như bên.
Kết lun:
+ Con lc lò xo nằm ngang ta đang xét dao động điều hòa, vi tn s góc:
=
k
m
Trang 7
+ Chu kì và tn s dao động lần lượt là:
2
2
11
2
= =
==
m
T
k
k
f
Tm
2. Con lc lò xo thẳng đứng
Xét chuyển động ca vt nng trong con lắc lò xo đặt thẳng đứng. B
qua lc cn ca không khí.
Chn gc tọa độ O ti v trí cân bng ca vt. Chiu dương Ox hướng
t trên xuống dưới.
Ban đầu, khi chưa kích thích cho vật dao động thì vt cân bng, nên
0+=
hđ
PF
, do đó độ ln
, tc là
0
=mg k l
đây k độ cng ca xo,
0
l
độ biến dng ca xo khi vt
v trí cân bng. Lúc sau, kích thích cho vật dao động. Khi vt v trí
có li độ x thì các lc tác dng lên vt gm:
- Trng lc
P
.
- Lực đàn hồi ca lò xo
đh
F
.
Vt chu tác dng ca các lc:
- Trng lc
P
.
- Lực đàn hồi ca lò xo
dh
F
.
Theo định lut II Newton ta có (dng véc-tơ):
+=
hđ
P F ma
.
Viết dưới dạng đại s, ta có:
" =mg k l mx
Trong đó
0
= +l l x
là độ dãn đại s ca lò xo, k là độ cng của lò xo. Khi đó ta có:
( ) ( )
00
" " kx mg l 0 '' 0 + = + = = + =
k
mg k l x mx mx k x x
m
Đặt
2
=
k
m
, khi đó phương trình có dng:
2
'' 0+ =xx
Phương trình này giống như phương trình thu được con lc lò xo nằm ngang nên phương trình này cũng
có nghim là
( )
cos= + x A t
.
Kết lun:
+ Con lc lò xo thẳng đứng cũng dao động điều hòa, vi tn s góc:
=
k
m
Trang 8
+ Chu kì và tn s dao động lần lượt là:
2
2
11
2
= =
==
m
T
k
k
f
Tm
3. Năng lượng ca con lc lò xo
Xét con lắc lò xo dao động với phương trình:
( )
cos= + x A t
Chn gc tọa độ ti v trí cân bng ca con lc.
Vn tc ca con lc là
( )
sin= + v A t
.
3.1. Động năng
Động năng của vật dao động điều hòa được xác định bi
( ) ( )
2
2 2 2 2
1 1 1
W sin sin
2 2 2
= = − + = +


đ
mv m A t m A t
( )
2
0 sin t 1 +
nên
22
1
0W
2
đ
mA
. Do đó:
-
22
1
W
2
=
maxđ
mA
khi
( ) ( )
22
sin t 1 cos t 0 x 0 + = + = =
tc là khi vt v trí cân bng.
-
max
W0=
đ
khi
( )
2
sin 0 , + = + = = t t k k x A
tc là khi vt mt trong hai v trí biên.
STUDY TIP
-
22
1
W
2
=
maxđ
mA
khi x = 0
-
min
W0=
đ
khi
=xA
Ngoài ra, khi s dng công thc h bc, ta
( ) ( )
2 2 2 2 2
11
W sin 1 cos2 2 2
24
= + = +


đ
m A t m A t
Do đó, động năng biến thiên tun hoàn vi tn s góc
'2 =
.
3.2. Thế năng
Thế năng của con lc bao gm thế năng đàn hồi thế năng trọng trường. Chn mc tính thế năng
đàn hồi và mc tính thế năng trọng trường ti v trí cân bng ca con lc, thì:
- Trong trường hp con lc lò xo nm ngang, thế năng của con lc ch có thế năng đàn hồi
2
1
W
2
=
t
kx
(thế
năng trọng trường bng 0).
- Trong trường hp con lc xo thẳng đng, thế năng của con lc bao gm thế năng trọng trường thế
năng đàn hồi, tng li vn bng
2
1
W
2
=
t
kx
(ta hoàn toàn có th chứng minh điều này).
Chú ý
Trong chương trình Vật lí ph thông, nếu đ bài không nói gì v mc thế năng, thì ta hiểu là ta đã chọn mc
thế năng đàn hồi mc thế năng trọng trường ti v trí cân bng ca con lắc. Do đó, thế năng của con lc
Trang 9
trong trường hp con lc lò xo nằm ngang cũng như thẳng đứng đều là
2
1
W
2
=
t
kx
Như vậy, thế năng của con lc lò xo trong c 2 trường hợp đều được xác định bi
( ) ( )
2
2 2 2
1 1 1
W cos cos
2 2 2
= = + = +


t
kx k A t kA t
( )
2
0 cos t 1 +
nên
2 2 2
11
0W
22
=
đ
kA m A
. Do đó:
-
( ) ( )
2 2 2
1
W khi cos 1 sin 0
2
= + = + = =
t max
kA t t x A
tc khi
vt mt trong hai v trí biên
-
( )
2
tmin
W 0 khi cos t 0 x 0= + = =
tc là khi vt v trí cân bng.
Ngoài ra, s dng công thc h bc, ta có
( ) ( )
2 2 2
11
W cos 1 cos2 2 2
24
= + = + +


t
kA t kA t
Do đó, thế năng biến thiên tun hoàn vi tn s góc
'2 =
.
STUDY TIP
-
2 2 2
11
W khi
22
= = =
t max
kA m A x A
-
min
W 0 khi 0==
t
x
- Động năng và thế năng biến thiên tun hoàn vi tn s góc gp 2 ln tn s góc ca vt
'2 =
3.3. Cơ năng
Cơ năng của con lc lò xo là tng của động năng và thế năng
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
2 2 2 2 2
t
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
11
W W W sin cos
22
11
sin cos
22
1 1 1
sin
2 2 2
= + = + + +
= + + +

= + + + = =

đ
m A t kA t
m A t m A t
m A t cos t m A kA
Nhn xét:
- năng của vật luôn luôn không đổi và t l với bình phương biên độ.
- Cơ năng của vt bằng động năng của vt khi vt v trí cân bng.
- Cơ năng của vt bng thế năng của vt khi vt mt trong hai v trí biên
- Cơ năng của vt bằng động năng cực đại và cũng bằng thế năng cực đại ca vt.
VI. TNG HỢP DAO ĐỘNG
1. Mi quan h gia chuyển động tròn đều và dao động điều hòa
Mt chất điểm chuyển động tròn đu vi tốc độ góc ω thì hình chiếu của trên đường kính dao động
điu hòa vi tn s góc ω.
Xét mt chất điểm M chuyển động tròn đều trên một đường tròn lượng giác có bán kính là A.
Trang 10
Đim M chuyển động vi tốc độ góc (tốc độ quay ca
OM
trên đường tròn) là ω (rad/s).
- Ti thời điểm ban đầu t = 0,
OM
hp vi Ox mt góc φ.
- Ti thời điểm t bt kì, góc to bi
t
OM
Ox
t +
.
Hình chiếu của điểm M
t
trên trc Ox là điểm P
t
vi
( )
cos= = +
t
tP
OP x A t
.
T đây, ta có nhận xét sau:
- Đim P dao động điều hòa.
- Thời gian để M quay hết mt vòng (2π)
2
, khi đó P dao động được
mt chu kì T hay P thc hiện được một dao động toàn phn.
- Gi s thời điểm t
1
, đim P li độ x
1
, ng với điểm H trên đường
tròn; thời điểm t
2
, điểm P li độ x
2
, ng với điểm G trên đường tròn thì:
thi gian P đi từ x
1
đến x
2
bng thi gian M chuyển động tròn đều t H đến G.
Nhn xét trên này rt quan trng giúp ta th gii bài toán tính thời gian trong dao động điều hòa mt
cách d dàng.
2. Tng hợp dao động bằng phương pháp véc tơ quay
Xét hai dao động điều hòa cùng phương cùng tn s
( )
( )
1 1 1
2 2 2
cos
cos
= +
= +
x A t
x A t
Khi đó phương trình dao động tng hp là
12
=+x x x
Để tng hp, ta có th làm một trong các cách sau đây:
Cách 1: Nếu hai vật cùng biên đ dao động,
12
==A A A
thì ta s tng
hp bng cách s dng công thc cộng lượng giác
cos cos 2cos cos
22
−+
+=
a b a b
ab
( ) ( )
2 1 2 1
1 2 1 2
cos cos 2 cos cos
22
+
= + = + + + = +


x x x A t t A t
Cách 2: Nếu hai vật biên độ khác nhau nhau, ta dùng phương pháp véc tơ quay như sau:
- V các véctơ
12
,AA
t l với các độ ln của biên độ A
1
, A
2
. Ti thời điểm ban đầu t = 0, các véctơ này
hp vi Ox các góc lần lượt φ
1
φ
2
.
- V véc
12
=+A A A
thì ti thời điểm ban đầu ctơ tng hp to vi trc tọa độ một góc đúng bằng
pha ban đầu của dao động tng hợp φ.
- Cho các véctơ
12
,AA
quay đều vi tốc độ góc ω theo chiều dương quy ước
Trang 11
(chiều ngược chiều kim đồng hồ). Khi đó véctơ
A
độ lớn không đổi quay
theo vi tốc độ góc đúng bằng ω.
T hình vẽ, ta có biên độ của dao động tng hp là
2 2 2
1 2 1 2
2 cos= + + A A A A A
Pha ban đầu φ xác định bi
1 1 2 2
1 1 2 2
sin sin
tan
cos cos
+
+
= = =
+ +
AA
AN PQ QO
ON OM MN A A
Sau khi xác định biên độ A pha ban đầu φ thì ta sẽ có phương trình của dao động tng hp
( )
cos= + x A t
.
Nhn xét: Ngoài cách tng hợp dao động bằng phương pháp đi s như trên, ta còn một phương pháp
nữa để tng hợp dao động, đó là phương pháp số phc (s được trình bày trong phn bài tp).
VII. CON LẮC ĐƠN
1. Cu to
- Con lắc đơn gồm si dây nh không dãn chiu dài l, đầu trên được treo c định đầu dưới được gn
vi vt nng có khối lượng m.
- Vt m có kích thước không đáng k so vi chiu dài ca si dây, còn si dây có khối lượng không đáng
k so vi khối lượng ca vt nng m.
Chú ý
Con lắc đơn chỉ được coi là dao động điều hòa nếu có biên độ góc
0
10
hay
0
0,1745
rad.
2. Thí nghim
Kéo con lc lch khi v trí cân bng góc α
0
(
0
10
) ri buông tay không vn tốc đầu, trong môi
trường không ma sát (mi lc cản không đáng k) thì con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc
α
0
.
3. Phương trình dao động ca con lắc đơn
Con lắc đơn dao động điều hòa với phương trình li độ dài hoặc li độ góc
( )
( )
0
0
cos
cos
= +
= +
s S t
t
Vi
=sl
. Trong đó:
l chiu dài dây treo (m)
• s là li độ dài (cm, m,...).
• S
0
là biên độ dài (cm, m, ...)
• α là li độ góc (rad).
• α
0
là biên độ góc (rad).
=
g
l
(rad/s) (g là gia tc trọng trường m/s
2
, l là chiu dài dây treo (m))
Trang 12
2
2
= =
l
T
g
(s) là chu kì ca con lắc đơn.
1
22
==

g
f
l
(Hz) là tn s ca con lắc đơn.
4. Phương trình vận tốc trong dao động điu hòa ca con lắc đơn
Tương tự như trong dao động điều hòa, vn tc ca con lắc đơn
( )
0
' S sin t= = − + vs
.
Các nhận xét tương tự như nhận xét đối vi vn tốc trong dao động điều hòa.
5. Phương trình gia tốc trong dao động điều hòa ca con lắc đơn
( )
22
0
' '' S cos t= = = + = −a v s s
Các nhận xét tương tự như nhận xét đối vi gia tốc trong dao động điều hòa.
6. Các phương trình độc lp thi gian
Ta có các phương trình độc lp thi gian giống như phần dao động điều hòa đã trình bày. Ở đây li đ dài s
ging vi x.
2 2 2
2 2 2
22
22
0
2 2 2 4 2 2
0
2 4 2
2
2
=
= + = +
= + = +

⎯⎯


= −
= −
sl
v a v
v a v
Ss
l l l
a
as
l
7. Năng lượng ca con lắc đơn
- Động năng: Động năng của con lắc đơn là động năng của vt (coi là chất điểm):
2
1
W
2
=
đ
mv
- Thế năng: Thế năng của con lắc đơn là thế năng trọng trường ca vt. Nếu chn mc tính thế năng là vị
trí cân bng thì thế năng của con lắc đơn ở li độ góc α
( )
W 1 cos=
t
mgl
- Cơ năng: Nếu b qua mọi ma sát thì cơ năng của con lắc đơn được bo toàn
( )
2
1
W W W 1 cos
2
= + = + =
đ t
mv mgl const
VIII. CÁC LOẠI DAO ĐỘNG
1. Dao động t do
Dao động t do dao động mà chu kì ca h ch ph thuộc vào đc tính bên trong ca h mà không ph
thuc vào các yếu t bên ngoài.
Ví d:
- Con lắc lò xo dao động vi chu kì
2=
m
T
k
ch ph thuộc vào đặc tính riêng ca hmk.
- Con lắc đơn có chu kì
2=
l
T
g
ch ph thuộc vào đặc tính riêng ca hlg.
Trang 13
STUDY TIP
- Dao động tt dn càng nhanh khi ma sát càng ln.
- Khi ma sát nhỏ, dao động tt dn có th coi gần đúng là tun hoàn vi tn s góc bng tn s góc ca dao
động điều hòa khi không có ma sát.
2. Dao động tt dn
Dao động tt dn là dao động có biên độ gim dn theo thi gian.
- Nguyên nhân: Do ma sát, lc cản (độ nht) của môi trường gây ra.
- ng dng: S dng trong các thiết b đóng cửa t động, gim xóc ô tô,...
3. Dao động duy trì
Dao động duy trì dao đng tt dần được cung cấp năng ợng đúng bng
phần năng lượng b tiêu hao do ma sát sau mi chu kì, hay nói cách khác, dao
động được duy trì bng cách gi cho biên độ không đổi không làm thay đi
chu kì dao động riêng gọi là dao động duy trì.
- ng dng: Chế tạo đồng h qu lc.
4. Dao động cưỡng bc. S cộng hưởng
4.1. Định nghĩa
Dao động cưỡng bc dao động ca mt vt chu s tác dng ca ngoi lực cưỡng bc biến thiên tun
hoàn theo thi gian.
( )
0
cos= + F F t
.
4.2. Đặc điểm
Khác với dao động tt dần, dao động cưỡng bức có các đặc điểm sau đây:
- Biên độ của dao động cưỡng bức không đổi.
- Tn s của dao động cưỡng bc bng tn s ca lực cưỡng bc.
2
==
F
ff
Trong đó f là tn s của dao động cưỡng bc, f
F
là tn s ca lực cưỡng bc.
- Biên độ của dao động cưỡng bc A
cb
ph thuc vào:
+ Biên độ ca lực cưỡng bc F
0
.
+ Độ chênh lch gia tn s ca lực cưỡng bc và tn s riêng (f
0
) ca h
0
ff
.
Độ chênh lch này càng nh thì biên độ của dao động cưỡng bc càng ln.
+ Lc cản môi trường. Lc cản môi trường càng lớn thì biên độ của dao động cưỡng bc càng nh
ngược li.
4.3. Hiện tượng cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng hiện tượng biên độ dao động cưỡng bc tăng đến giá tr cực đại khi tn s f
F
ca lực cưỡng bc bng tn s dao động riêng ca h f
0
.
Trang 14
0
=
F
ff
5. Ví d minh ha
Ví d 1: Mt vật dao động tt dần có các đại lượng gim liên tc theo thi gian là:
A. biên độ và gia tc. B. li độ và tốc độ.
C. biên độ và năng lượng. D. biên độ và tốc độ.
Li gii
Theo định nghĩa về dao động tt dần thì biên độ và năng lượng gim liên tc theo thi gian.
Đáp án C.
Ví d 2: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?
A. Hiện tượng cộng hưởng (s cộng hưởng) xy ra khi tn s ca ngoi lực điều hoà bng tn s dao
động riêng ca h.
B. Biên độ dao động cưỡng bc ca mt h học khi xy ra hiện tượng cộng hưởng (s cộng hưởng)
không ph thuc vào lc cn của môi trường.
C. Tn s dao động cưỡng bc ca mt h học bng tn s ca ngoi lực điều hoà tác dng lên h
y.
D. Tn s dao động t do ca mt h cơ học là tn s dao động riêng ca h y.
Li gii
A. Đúng. Khi tần s ca ngoi lực điu hoà bng tn s dao động riêng ca h thì hiện tượng cộng hưởng
xy ra
B. Sai. Biên độ dao động cưỡng bc ca mt h học khi xy ra hiện tượng cộng hưởng (s cng
hưởng) ph thuc vào lc cn của môi trường.
C. Đúng. Trong dao động cưỡng bc thì tn s dao động cưỡng bc ca mt h học bng tn s ca
ngoi lực điều hoà tác dng lên h y.
D. Đúng. Trong dao động t do thì tn s của dao động t do chính là tn s riêng ca h đó.
Đáp án B.
Ví d 3: Khi xy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động:
A. vi tn s bng tn s dao động riêng.
B. mà không chu ngoi lc tác dng.
C. vi tn s lớn hơn tần s dao động riêng.
D. vi tn s nh hơn tần s dao động riêng.
Li gii
Khi xy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì mặc dù vật dao động với biên độ cực đại nhưng nó vẫn dao động
vi tn s bng tn s dao động riêng.
Đáp án A.
Ví d 4: Khi nói v mt h dao động cưỡng bc giai đoạn ổn định, phát biểu nào dưới đây là sai?
A. Tn s ca h dao động cưỡng bc bng tn s ca ngoi lực cưỡng bc.
B. Tn s ca h dao động cưỡng bc luôn bng tn s dao động riêng ca h.
Trang 15
C. Biên độ ca h dao động cưỡng bc ph thuc vào tn s ca ngoi lc ng bc.
D. Biên độ ca h dao động cưỡng bc ph thuộc vào biên độ ca ngoi lực cưỡng bc.
Li gii
B sai tn s ca h dao động cưỡng bc ch bng tn s dao động riêng ca h khi hiện tượng cng
hưởng xy ra.
Đáp án B.
Ví d 5: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về dao động tt dn?
A. Dao động tt dần có biên độ gim dn theo thi gian.
B. Cơ năng của vật dao động tt dần không đổi theo thi gian.
C. Lc cản môi trường tác dng lên vật luôn sinh công dương.
D. Dao động tt dần là dao động ch chu tác dng ca ni lc.
Li gii
A. Đúng. Theo định nghĩa: Dao động tt dần có biên độ và năng lượng gim dn theo thi gian.
B. Sai, vì biên độ gim dn theo thi gian nên cơ năng của vật dao động cũng giảm dn theo thi gian.
c. Sai, vì lc cản môi trường tác dng lên vt luôn sinh công âm.
D. Sai, vì dao động tt dần là dao động chu tác dng ca ngoi lực như ma sát, lực cản môi trường.
Đáp án A.
Ví d 6: Khi nói v dao động cưỡng bc, phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Dao động ca con lắc đồng h là dao động cưỡng bc.
B. Biên độ của dao động cưỡng bức là biên độ ca lực cưỡng bc.
C. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tn s bng tn s ca lực cưỡng bc.
D. Dao động cưỡng bc có tn s nh hơn tn s ca lực cưỡng bc.
Li gii
A. Sai, vì dao động ca con lắc đồng h là dao động duy trì.
B. Sai, biên độ dao động cưỡng bc ph thuộc vào biên độ ca lực cưỡng bc ch không phi là biên
độ ca lực cưỡng bc.
C. Đúng.
D. Sai, dao động cưỡng bc có tn s bng tn s ca lực cưỡng bc.
Đáp án C.
Ví d 7: Mt tm ván có tn s riêng là 2Hz. Hi trong mt 1 phút một người đi qua tấm ván phải đi bao
nhiêu bước để tm ván rung mnh nht:
A. 60 bước. B. 30 bước. C. 80 bước. D. 120 bước.
Li gii
Để tm ván rung mnh nht thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra, khi đó tần s riêng ca tm ván bng tn
s của dao động cưỡng bức do người to ra trên tm ván
0
2==f f Hz
.
Gi s bước của người đó là x thì ta có
2
60
=
x
suy ra x = 120.
Trang 16
Đáp án D.
d 8: Mt con lc xo k = 100 N/m, vt khối ng 1 kg, treo lò xo lên tàu biết mi thanh ray
cách nhau 12,5m. Tính vn tc của con tàu để vật dao động mnh nht.
A. 19,89 m/s. B. 22 m/s. C. 22 km/h. D. 19,89 km/s.
Li gii
Để vật trên con tàu dao động mnh nht thì xy ra hin ng cộng hưởng, tn s riêng ca con lc phi
bng tn s dao động của con tàu. Khi đó ta có
0
1
1,59
2
= = =
k
ff
m
T đó T = 0,63s và
=
L
T
v
nên v = 19,89 m/s.
Đáp án A.
Ví d 9: Mt con lắc lò xo có độ cng k = 400 N/m; m = 0,1 kg được kích thích bi hai ngoi lc sau:
- Nếu ch kích thích bi ngoi lực 1 có phương trình
1
cos 8
3

= +


f F t
cm thì biên độ dao động là A
1
- Nếu ch kích thích bi ngoi lực 2 có phương trình
( )
2
cos 6= + f F t
cm thì biên độ dao động là A
2
.
Tìm nhận xét đúng.
A. A
1
= A
2
B. A
1
> A
2
C. A
1
< A
2
D. A và B đều đúng
Li gii
Biên độ dao động không ph thuộc vào pha ban đầu ca ngoi lc, vậy để so sánh A
1
A
2
ta s so sánh
tn s ca f
1
f
2
.
biên độ dao động cưỡng bc ph thuộc vào độ chênh lch
0
ff
, f t l thun vi ω nên biên độ
dao động cưỡng bức cũng phụ thuc vào
0
.
Ta có
0
1 1 2
2
400
20
0,1
20 8 12
20 6 14
= = =
= =
= =
k
m
T đó suy ra A
1
> A
2
(vì độ chênh lch càng nh thì biên độ càng ln).
Đáp án B.
6. Trc nghim t luyn
Câu 1: Nhận định nào sau đây là sai khi nói về hiện tượng cộng hưởng trong mt h cơ học.
A. Tn s dao động ca h bng vi tn s ca ngoi lc.
B. Khi có cộng hưởng thì dao động ca h không phải là điều hòa.
Trang 17
C. Biên độ dao động ln khi lc cản môi trường nh.
D. Khi có cộng hưởng thì dao động ca h là dao động điều hòa.
Câu 2: Nhận xét nào sau đây về dao động tt dần là đúng?
A. Có tn s và biên độ gim dn theo thi gian.
B. Môi trường càng nhớt thì dao động tt dn càng nhanh.
C. năng lượng dao động luôn không đổi theo thi gian.
D. Biên độ không đổi nhưng tốc độ dao động thì gim dn.
Câu 3: Chn phát biu sai v dao động duy trì.
A. Có chu k bng chu k dao động riêng ca h.
B. Năng lượng cung cp cho h đúng bằng phần năng lượng mất đi trong mỗi chu k.
C. Có tn s dao động không ph thuộc năng lượng cung cp cho h.
D. Có biên độ ph thuộc vào năng lượng cung cp cho h trong mi chu k.
Câu 4: Phát biểu nào dưới đây sai?
A. Dao động tt dần là dao động có biên độ gim dn theo thi gian.
B. Dao động cưỡng bc có tn s bng tn s ca ngoi lc.
C. Dao động duy trì có tn s ph thuộc vào năng lượng cung cp cho h dao động.
D. Cộng hưởng có biên độ ph thuc vào lc cn của môi trường.
Câu 5: Hiện tượng cộng hưởng th hin càng rõ nét khi
A. Biên độ ca lực cưỡng bc nh. B. Độ nht của môi trường càng ln.
C. Tn s ca lực cưỡng bc ln. D. Lc cn, ma sát của môi trường nh.
Câu 6: Để duy trì dao động cho một cơ hệ ta phi
A. Làm nhẵn, bôi trơn để gim ma sát.
B. Tác dng vào nó mt lực không đổi theo thi gian.
C. Tác dng lên h mt ngoi lc tun hoàn.
D. Cho h dao động với biên độ nh để gim ma sát.
Câu 7: Chn câu sai khi nói v dao động cưỡng bc
A. Tn s dao động bng tn s ca ngoi lc.
B. Biên độ dao động ph thuc vào tn s ca ngoi lc.
C. Dao động theo quy lut hàm sin ca thi gian.
D. Tn s ngoi lực tăng thì biên độ dao động tăng.
Câu 8: Để duy trì dao động cho một cơ hệ mà không làm thay đổi chu kì riêng ca nó, ta phi
A. tác dng vào vật dao động mt ngoi lực không thay đổi theo thi gian.
B. tác dng vào vật dao động mt ngoi lc biến thiên tun hoàn theo thi gian.
C. làm nhẵn, bôi trơn để gim ma sát.
D. tác dng ngoi lc vào vật dao động cùng chiu vi chuyển động trong mt phn ca tng chu kì.
Câu 9: Sau khi xy ra hiện tượng cộng hưởng nếu
A. Tăng độ ln lực ma sát thì biên độ tăng.
B. Tăng độ ln lực ma sát thì biên độ gim.
C. Giảm độ ln lc ma sát thì chu kì tăng.
D. Giảm độ ln lc ma sát thì tn s tăng.
Trang 18
Câu 10: Chn nhận định sai
A. Trong s t dao động, h t điều khin s bù đắp năng lượng t t cho con lc.
B. Trong s t dao động, dao động duy trì theo tn s riêng ca h.
C. Trong dao động cưỡng bức, biên độ ph thuc vào hiu s tn s ng bc và tn s riêng.
D. Biên độ dao động cưỡng bc không ph thuộc vào cường độ ca ngoi lc.
Câu 11: Phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Dao động duy trì là dao động tt dần mà người ta đã kích thích lại dao động sau khi dao động b tt
hn.
B. Dao động duy trì là dao động tt dần mà người ta đã làm mất lc cn của môi trường đối vi vt dao
động.
C. Dao động duy tdao động tt dần người ta đã tác dụng ngoi lc vào vật dao đng cùng
chiu vi chiu chuyển động trong mt phn ca tng chu k.
D. Dao động duy trì dao động tt dần người ta đã tác dụng ngoi lc biến đổi điều hoà theo thi
gian vào vật dao động.
Câu 12: Chn phát biu sai:
A. Hai dao động điều hoà cùng tn số, ngược pha thì li độ của chúng luôn luôn đối nhau.
B. Khi vt nng ca con lắc lò xo đi t v trí biên đến v trí cân bằng thì vectơ vận tốc và vectơ gia tốc
luôn luôn cùng chiu.
C. Trong dao động điều hoà,khi độ ln ca gia tốc tăng thì độ ln ca vn tc gim.
D. Dao động t do dao động tn s ch ph thuộc đặc tính ca h, không ph thuc các yếu t
bên ngoài.
Câu 13: Chn câu sai khi nói v dao động:
A. Dao động ca cây khi có gió thổi là dao động cưỡng bc.
B. Dao động của đồng h qu lắc là dao động duy trì.
C. Dao động ca pittông trong xilanh của xe máy khi động hoạt động là dao động điều hoà.
D. Dao động ca con lắc đơn khi bỏ qua ma sát và lc cản môi trường luôn là dao động điều hoà.
Câu 14: Nhận xét nào sau đây là không đúng?
A. Dao động duy trì có chu kì bằng chu kì dao động riêng ca con lc.
B. Dao động tt dn càng nhanh nếu lc cn của môi trường càng ln.
C. Biên độ dao động cưỡng bc không ph thuc vào tn s lực cưỡng bc.
D. Dao động cưỡng bc có tn s bng tn s ca lực cưỡng bc.
Câu 15: Mt vật dao động riêng vi tn s
10=f Hz
. Nếu tác dng vào vt ngoi lc tn s
1
5=f Hz
thì biên độ A
1
. Nếu tác dng vào vt ngoi lc có tn s biến đổi
2
8=f Hz
cùng giá tr
biên độ vi ngoi lc th nht thì vật dao động với biên độ A
2
(mọi điều kiện khác không đổi). m phát
biểu đúng?
A. Biên độ th hai bằng biên độ th nht.
B. Biên độ th hai lớn hơn biên độ th nht.
C. Biên độ dao động th nht lớn hơn.
D. Không kết luận được.
Trang 19
Câu 16: Mt tm ván có tn s riêng 2Hz. Hi trong mt 1 phút một người đi qua tấm ván phải đi bao
nhiêu bước để tm ván rung mnh nht:
A. 60 bước B. 30 bước C. 80 bước D. 120 bước
Câu 17: Mt con lắc đơnl= 1 m; g = 10 m/s
2
được treo trên một xe ôtô, khi xe đi qua phần đường mp
mô, c 12m li có mt ch ghnh, tính vn tc ca vật để con lắc dao động mnh nht.
A. 6 m/s B. 6 km/h C. 60 km/h D. 36 km/s
Câu 18: Mt con lc xo k = 100 N/m, vt khối ng 1 kg, treo xo lên tàu biết mi thanh ray
cách nhau 12,5m. Tính vn tc của con tàu để vật dao động mnh nht.
A. 19,89 m/s B. 22 m/s C. 22 km/h D. 19,89 km/s
Câu 19: Mt con lc lò xo K = 50N/m. Tính khối lượng ca vt treo vào lò xo biết rng mi thanh ray
dài 12,5m và khi vt chuyển động vi v = 36km/h thì con lắc dao động mnh nht.
A. 1,95 kg B. 1,90 kg C. 15,9 kg D. Đáp án khác
Câu 20: Mt con lc xo có độ cng k = 400N/m; m = 0,1 kg được kích thích bi hai ngoi lc sau
- Nếu ch kích thích bi ngoi lực 1 có phương trình
1
cos 8
3

= +


f F t
cm thì biên độ dao động là A
1
.
- Nếu ch kích thích bi ngoi lực 2 có phương trình
( )
2
cos 6= + f F t
cm thì biên độ dao động là A
2
.
Tìm nhận xét đúng
A.
12
AA=
B.
12
AA
C.
12
AA
D. A và B đều đúng
Câu 21: Mt con lc xo, nếu chu tác dng ca hai ngoi lc
1
6=f Hz
2
10=f Hz
cùng độ ln
biên độ thì thấy biên độ dao động cưỡng bức như nhau A
1
. Nếu dùng ngoi lc
3
8=f Hz
biên
độ như ngoại lực 1 và 2 thì biên độ dao động cưỡng bc s là A
2
. Tìm nhận xét đúng?
A.
12
AA=
B.
12
AA
C.
12
AA
D. Không th kết lun
Câu 22: Mt con lắc lò xo có độ cng k = 100 N/m và vt nng m = 0,1 kg. Hãy tìm nhận xét đúng
A. Khi tn s ngoi lc < 10 Hz thì khi tăng tần s biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
B. Khi tn s ngoi lực < 5 Hz thì khi tăng tần s biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
C. Khi tn s ngoi lực > 5 Hz thì khi tăng tần s biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
D. Khi tn s ngoi lực > 10 Hz thì khi tăng tần s biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
Câu 23: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?
A. Hiện tượng cộng hưởng (s cộng hưởng) xy ra khi tn s ca ngoi lực điều hoà bng tn s dao
động riêng ca h.
B. Biên độ dao động cưỡng bc ca mt h học khi xy ra hiện tượng cộng hưởng (s cộng hưởng)
không ph thuc vào lc cn của môi trường.
C. Tn s dao động cưỡng bc ca mt h học bng tn s ca ngoi lực điều hoà tác dng lên h
y.
D. Tn s dao động t do ca mt h cơ học là tn s dao động riêng ca h y.
Câu 24: Khi xy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động
A. vi tn s bng tn s dao động riêng. B. mà không chu ngoi lc tác dng.
C. vi tn s lớn hơn tần s dao động riêng. D. vi tn s nh hơn tần s dao động riêng.
Câu 25: Nhận định nào sau đây sai khi nói về dao động cơ học tt dn?
A. Dao động tt dần có động năng giảm dn còn thế năng biến thiên điều hòa.
Trang 20
B. Dao động tt dần là dao động có biên độ gim dn theo thi gian.
C. Lc ma sát càng lớn thì dao động tt càng nhanh.
D. Trong dao động tt dần, cơ năng giảm dn theo thi gian.
Câu 26: Mt con lc xo gm viên bi nh khối lượng m và xo khối lượng không đáng kể có độ cng
10 N/m. Con lắc dao động cưỡng bức dưới tác dng ca ngoi lc tun hoàn có tn s góc
F
. Biết biên
độ ca ngoi lc tuần hoàn không thay đổi. Khi thay đi
F
thì biên độ dao đng của viên bi thay đổi
khi
F
10=
rad/s thì biên độ dao động của viên bi đạt giá tr cực đại. Khối lượng m ca viên bi bng
A. 40 gam B. 10 gam C. 120 gam D. 100 gam
Câu 27: Khi nói v mt h dao động cưỡng bc giai đoạn ổn định. Phát biểu nào dưới đây là sai?
A. Tn s ca h dao động cưỡng bc bng tn s ca ngoi lực cưỡng bc.
B. Tn s ca h dao động cưỡng bc luôn bng tn s dao động riêng ca h.
C. Biên độ ca h dao động cưỡng bc ph thuc vào tn s ca ngoi lực cưỡng bc.
D. Biên độ ca h dao động cưỡng bc ph thuộc biên vào độ ca ngoi lực cưỡng bc.
Câu 28: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về dao động tt dn?
A. Dao động tt dần có biên độ gim dn theo thi gian.
B. Cơ năng của vật dao động tt dần không đổi theo thi gian.
C. Lc cản môi trường tác dng lên vật luôn sinh công dương.
D. Dao động tt dần là dao động ch chu tác dng ca ni lc.
Câu 29: Khi nói v dao động cưỡng bc, phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Dao động ca con lắc đồng h là dao động cưỡng bc.
B. Biên độ của dao động cưỡng bức là biên độ ca lực cưỡng bc.
C. Dao động cưỡng bức có biên độ không đổi và có tn s bng tn s ca lực cưỡng bc.
D. Dao động cưỡng bc có tn s nh hơn tần s ca lực cưỡng bc.
Câu 30: Khi mt vật dao động điều hòa thì
A. lc kéo v tác dng lên vật có độ ln cực đại khi vt v trí cân bng.
B. gia tc ca vật có độ ln cực đại khi vt v trí cân bng.
C. lc kéo v tác dng lên vật có độ ln t l với bình phương biên độ.
D. vn tc ca vật có độ ln cực đại khi vt v trí cân bng.
Câu 31: Mt vật dao động tt dần có các đại lượng gim liên tc theo thi gian là
A. biên độ và gia tc. B. li độ và tốc độ. C. biên độ và năng lượng. D. biên độ và tốc độ
ĐÁP ÁN
1-B
2-B
3-D
4-C
5-D
6-C
7-D
8-D
9-B
10-D
11-C
12-A
13-D
14-C
15-B
16-D
17-A
18-A
19-A
20-B
21-C
22-B
23-B
24-A
25-A
26-D
27-B
28-A
29-C
30-D
31-C
| 1/20

Preview text:

CHƯƠNG 1. DAO ĐỘNG CƠ-VẬT LÍ 12 A. LÍ THUYẾT I. DAO ĐỘNG
Dao động là chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng của vật.
Quả lắc của đồng hồ treo tường đung đưa sang trái, sang phải quanh một vị trí
cân bằng (là vị trí thấp nhất của quả lắc) nên ta nói quả lắc đồng hồ đang dao động.
Trên mặt hồ gợn sóng, mẩu gỗ nhỏ bồng bềnh, nhấp nhô tại vị trí của nó trên
mặt hồ. Ta nói mẩu gỗ nhỏ đang dao động.
II. DAO ĐỘNG TUẦN HOÀN
Dao động tuần hoàn là dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp lại như cũ sau những
khoảng thời gian bằng nhau xác định.
Ví dụ: Xét một con lắc đơn trong môi trường chân không. Ta kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng của nó
sao cho dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc   10 nào đó rồi thả nhẹ. Ta sẽ quan sát thấy con
lắc chuyển động qua lại quanh vị trí cân bằng (vị trí thấp nhất của con lắc) của nó mãi. Và sau khi thả, ta
thấy cứ sau một khoảng thời gian bằng nhau và bằng T nào đó, con lắc lại trở lại vị trí ban đầu. Ta nói con
lắc đang dao động tuần hoàn.
III. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 1. Định nghĩa
Xét một vật dao động trên trục Ox xung quanh vị trí cân bằng của vật tại O.
Trong quá trình vật chuyển động, vị trí của vật được xác định bởi tọa độ x gọi là li độ.
Dao động điều hòa là dao động mà li độ của vật là một hàm côsin (hay sin) của thời gian nhân với một hằng số. Chú ý
Dao động điều hòa là một trường hợp riêng của dao động tuần hoàn, dao động tuần hoàn có thể không điều hòa.
2. Phương trình dao động
Một vật dao động điều hòa thì có phương trình dao động là x = Acos ( t+ )
3. Các đại lượng đặc trưng của dao động điều hòa
• xli độ của vật (li độ là tọa độ x của vật trên trục tọa độ Ox). Đơn vị chuẩn là mét (m), thường dùng là centimet (cm).
A biên độ, là giá trị cực đại của li độ x ứng với lúc co (
s  t+ ) = 1. Biên độ luôn dương, và có đơn vị của li độ.
• (t + ) được gọi là pha của dao động tại thời điểm t. Pha chính là đối số của hàm côsin và là một góc.
Đơn vị là độ hoặc rad. Trang 1
• φ là pha ban đầu của dao động, tức là pha dao động tại thời điểm t = 0.
• ω gọi là tần số góc của dao động. Là tốc độ biến đổi của góc pha, có đơn vị là rad/s hoặc độ/s.
Chu kì T là thời gian mà vật thực hiện được một dao động toàn phần. STUDY TIP
Độ lớn của li độ x là khoảng cách từ vật đến vị trí cân bằng. 2 T =
. Chu kì có đơn vị là giây (s)  • 1
Tần số f là số dao động vật thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Héc (Hz) hay . s
So dao dong thuc hien duoc trong khoang thoi gian t 1 f = =
Thoi gian t thuc hien so dao dong do T
Ví dụ: Một vật dao động điều hòa, người ta thấy trong 10s vật thực hiện được 20 dao động. Khi đó: 20
- Tần số f của vật: f = = 2 (Hz). 10 10 - Chu kì dao động: T = = 0,5 (s). 20
4. Phương trình vận tốc
Vận tốc bằng đạo hàm của li độ theo thời gian.
v = x ' = −Asin (t + )
= Asin(t +  + )   
= Acos t +  +  −    2    
= Acos t +  +    2  Nhận xét:
- Vận tốc biến đổi điều hòa, và cùng tần số góc (cùng chu kì, tần số) với li độ của vật.
- Vận tốc có chiều là chiều chuyển động của vật. Nhận xét
Vận tốc mang dấu dương (+) khi vật chuyển động theo chiều dương của trục tọa độ Ox. Vận tốc mang dấu
âm (-) khi vật chuyển động theo chiều âm của trục tọa độ Ox.
- Xét độ lệch pha giữa vận tốc và li độ, tức xét hiệu số pha giữa pha của vận tốc và pha của li độ:   
 =  −  = t +  + − t vx v x   ( + )  =  0  2  2 Trang 2
Từ đó ta có    và  =  +
nên ta nói rằng: Vận tốc sớm pha hơn li độ và sớm pha hơn một góc v x v x 2  là . 2 
Ngược lại, nếu ta xét độ lệch pha giữa li độ và vận tốc, thì ta có  = −  0 hay    và xv 2 x v  
 =  − nên ta nói rằng: li độ trễ pha so với vận tốc một góc bằng . x v 2 2
Ngoài ra, nếu không xét đến đại lượng nào sớm hay trễ hơn so với đại lượng còn lại, thì ta nói x vuông
pha với v hoặc v vuông pha với x. STUDY TIP   
Chú ý rằng theo Toán học, ta có: 1 −  cos t  +  +  1   nên do đó:  2 
−A v  A
Vận tốc cực đại     
Ta có v = A khi cos t  +  + = 1 t  +  + = k2  t  +  = − + k2 ,  k     2  2 2
(khi đó x = 0, v  0 , tức là khi vật đang đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương) nên vận tốc cực đại của vật là v
= A khi vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương. max
Vận tốc cực tiểu     
Ta có v = −A khi cos t +  + = 1
−  t +  + =  + k2  t +  = + + k2 ,  k     2  2 2
(khi đó x = 0, v  0 , tức là khi vật đang đi qua vị trí cân bằng theo chiều âm) nên vận tốc cực tiểu của vật là v
= −A khi vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều âm. min Chú ý
Chúng ta cần phân biệt giữa vận tốc và tốc độ. Tốc độ là độ lớn của vận tốc, là v . Do đó:
0  v  A . Nhận xét:
+ Tốc độ cực đại bằng A khi:         cos t +  + =1  sin t +  +
= 0  t +  + = k  t +  = − + k ,
k   x = 0      2   2  2 2
Khi đó, vật đi qua vị trí cân bằng (không kể chiều).
+ Tốc độ cực tiểu bằng 0, khi: Trang 3      cos t +  +
= 0  t +  + = + k  t +  = k ,
k   x =    A  2  2 2
Khi đó, vật ở một trong hai vị trí biên.
5. Phương trình gia tốc
Gia tốc a của vật dao động điều hòa bằng đạo hàm của vận tốc theo thời gian, hay là đạo hàm hạng 2 của
li độ x theo thời gian.
a = v (t ) = x (t ) 2
= − Acos (t + ) 2
=  Acos (t +  + ) 2 ' ' = − x . Nhận xét:
- Gia tốc biến đổi điều hòa cùng tần số góc (cùng chu kì, tần số) với vận tốc và li độ của vật.
- Gia tốc có chiều ngược với chiều chuyển động của vật 2
a = − x và luôn có chiều hướng về vị trí cân bằng.
Xét độ lệch pha giữa gia tốc và vận tốc, gia tốc và li độ ta thấy:   - Gia tốc sớm pha
so với vận tốc, hay vận tốc trễ pha so với gia tốc. 2 2
- Gia tốc sớm pha π so với li độ, hay nói cách khác, gia tốc ngược pha so với li độ. Gia tốc cực đại
Khi x = − A (vật ở biên âm) thì 2
a =  A nên gia tốc cực đại là 2 a =  A . max Gia tốc cực tiểu
Khi x = + A (vật ở biên dương) thì 2
a = − A nên gia tốc cực tiểu là 2 a = − A . min Nhận xét
Vì − A x A nên ta có: 2 2
− A a   A .
IV. CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘC LẬP THỜI GIAN
Phương trình độc lập thời gian là phương trình liên hệ giữa các đại lượng như li độ x, vận tốc v và gia tốc
akhông phụ thuộc vào thời gian t.
1. Phương trình độc lập thời gian giữa v và x Ta có x = Acos  (t + ) 
v = −Asin  (t + )
Mặt khác, trong toán học, ta luôn có 2 2 sin  + cos  = 1 nên  x cos (t + ) = 2 2  Ax   v  2   + − = cos     (t + ) 2 + sin (t + ) =1  vA   A  sin (t + ) = −  A 2 v Suy ra 2 2 x + = A 2  Nhận xét: Trang 4
- Phương trình trên cho phép ta tính được một trong bốn đại lượng x, v, A, ω khi biết ba đại lượng còn lại.
- Nếu Aω cho trước thì đồ thị (v,x) là đường Elip 2 2 x + v =1 2 A (A)2
- Nhận thấy rằng vì xv vuông pha nên ta có thể sử dụng được đẳng thức lượng giác: 2 2 sin  + cos  = 1 STUDY TIP
Tổng quát lên, với hai đại lượng biến thiên điều hòa mn vuông pha với nhau thì ta luôn có: 2 2
m   n    +   =1  m n max   max 
2. Phương trình độc lập thời gian giữa a và v
Vì gia tốc a và vận tốc v vuông pha với nhau, nên ta có 2 2 2 2  a   v a v 2 + =1  + =     A 2 4 2   A   A    Nhận xét:
- Phương trình độc lập thời gian giữa av cho phép ta tính được một trong bốn đại lượng a, v, ω, A khi
biết ba đại lượng còn lại.
- Nếu A và ω cho trước thì đồ thị (v,a) là đường Elip 2 2 a + v =1 4 2 2 2  AA Chú ý a
Ngoài cách sử dụng tính chất vuông pha để suy ra biểu thức trên, ta có thể làm cách sau: thay x = vào 2 
phương trình độc lập thời gian giữa xv ta được: 2 2 2 2  a   v  + = a v 1  + =1     2 4 2 2 2   A   A   AA
3. Phương trình độc lập thời gian giữa x và a
Phương trình độc lập thời gian giữa xa là 2 a = − x V. 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.
1. Con lắc lò xo nằm ngang
Xét chuyển động của vật nặng trong con lắc lò xo nằm ngang. Vật chuyển động trên một mặt phẳng ngang không có ma sát.
Chọn gốc tọa độ O tại vị trí lò xo không biến dạng. Chiều Ox hướng từ trái sang phải. Trang 5
Khi vật ở vị trí có li độ x thì các lực tác dụng lên vật gồm: - Trọng lực P .
- Phản lực N do mặt phẳng tác dụng lên vật.
- Lực đàn hồi của lò xo đ F . h
Xét các giá trị đại số của các vectơ trên trục Ox. Ta có:
- Trọng lực P có phương vuông góc với Ox nên giá trị đại số trên trục Ox bằng 0.
- Phản lực N do mặt phẳng tác dụng lên vật cũng có phương vuông góc với Ox nên giá trị đại số trên trục Ox bằng 0.
- Lực đàn hồi của lò xo  đ
F có giá trị đại số là F = −k l = −kx . (Dấu trừ biểu thị lực đàn hồi luôn có h đh
chiều ngược với chiều biến dạng của lò xo)
Bây giờ, theo định luật II Newton thì tổng tất cả các lực tác dụng lên vật sẽ bằng ma , nhưng theo
phương Ox thì trọng lực bằng không, phản lực bằng không, gia tốc a có giá trị đại số là a = x '' nên ta có =  − = k F ma kx mx '  x ' + x = 0 đ h m Chú ý l
 = l l độ biến dạng đại số của lò xo: 0
- l  0 thì lò xo dãn
- l  0 thì lò xo nén
- l = x thì con lắc lò xo nằm ngang. Đặt 2
 = k ,khi đó phương trình có dạng: 2 x ' +  x = 0 m
có nghiệm là x = Acos (t + ) . (Nếu không tin đó là nghiệm, thì bạn đọc có thể thay ngược trở lại
phương trình để kiểm chứng). Nhận xét 2
x ' +  x = 0 là phương trình vi phân. Chúng ta sẽ học trong Toán cao cấp trên bậc Đại học. Ở đây, ta chỉ
cần biết nó giải được và có nghiệm như bên. Kết luận:
+ Con lắc lò xo nằm ngang ta đang xét dao động điều hòa, với tần số góc:  = k m Trang 6 2 = = m T 2  k
+ Chu kì và tần số dao động lần lượt là: 1 1 = = k f T 2 m
2. Con lắc lò xo thẳng đứng
Xét chuyển động của vật nặng trong con lắc lò xo đặt thẳng đứng. Bỏ
qua lực cản của không khí.
Chọn gốc tọa độ O tại vị trí cân bằng của vật. Chiều dương Ox hướng từ trên xuống dưới.
Ban đầu, khi chưa kích thích cho vật dao động thì vật cân bằng, nên
P + F = 0 , do đó độ lớn P = F , tức là h đ đh
mg = kl 0
Ở đây k là độ cứng của lò xo, l là độ biến dạng của lò xo khi vật ở 0
Vật chịu tác dụng của các lực:
vị trí cân bằng. Lúc sau, kích thích cho vật dao động. Khi vật ở vị trí - Trọng lực P.
có li độ x thì các lực tác dụng lên vật gồm:
- Lực đàn hồi của lò xo F . dh - Trọng lực P .
- Lực đàn hồi của lò xo đ F . h
Theo định luật II Newton ta có (dạng véc-tơ): P + F = đ ma . h
Viết dưới dạng đại số, ta có:
mg kl = mx"
Trong đó l = l + x là độ dãn đại số của lò xo, k là độ cứng của lò xo. Khi đó ta có: 0 − ( + = k mg k l x
mx"  mx"+ kx = mg− k l = 0  x ' + x = 0 0 ) ( 0 ) m Đặt 2
 = k , khi đó phương trình có dạng: 2 x ' +  x = 0 m
Phương trình này giống như phương trình thu được ở con lắc lò xo nằm ngang nên phương trình này cũng
có nghiệm là x = Acos (t + ) . Kết luận:
+ Con lắc lò xo thẳng đứng cũng dao động điều hòa, với tần số góc:  = k m Trang 7 2 = = m T 2  k
+ Chu kì và tần số dao động lần lượt là: 1 1 = = k f T 2 m
3. Năng lượng của con lắc lò xo
Xét con lắc lò xo dao động với phương trình: x = Acos (t + )
Chọn gốc tọa độ tại vị trí cân bằng của con lắc.
Vận tốc của con lắc là v = −Asin (t + ) . 3.1. Động năng
Động năng của vật dao động điều hòa được xác định bởi 1 1 W = = −Asin đ mv m  (t + ) 2 1 2 2 2 2  =  m A sin  (t + ) 2 2 2 1 Vì 2 0  sin ( t  + ) 1 nên 2 2 0  W   đ m A . Do đó: 2 1 - 2 2 W =  2 2 sin t  +  = 1 cos t  +  = 0  x = 0 đ m A khi ( ) ( )
tức là khi vật ở vị trí cân bằng. max 2 - W = 0 2
t +  =  t +  = kk   x =  đ khi sin ( ) 0 ,
A tức là khi vật ở một trong hai vị trí biên. max STUDY TIP 1 - 2 2 W =  m đ m A khi x = 0 ax 2 - W = 0 đ khi x =  A min
Ngoài ra, khi sử dụng công thức hạ bậc, ta có 1 1 2 2 2 W =  sin đ m A (t + ) 2 2 =  m A 1
 − cos 2(2t + 2)   2 4
Do đó, động năng biến thiên tuần hoàn với tần số góc ' = 2 . 3.2. Thế năng
Thế năng của con lắc bao gồm thế năng đàn hồithế năng trọng trường. Chọn mốc tính thế năng
đàn hồi và mốc tính thế năng trọng trường tại vị trí cân bằng của con lắc, thì: 1
- Trong trường hợp con lắc lò xo nằm ngang, thế năng của con lắc chỉ có thế năng đàn hồi 2 W = kx (thế t 2
năng trọng trường bằng 0).
- Trong trường hợp con lắc lò xo thẳng đứng, thế năng của con lắc bao gồm thế năng trọng trường và thế năng đàn hồ 1 i, tổng lại vẫn bằng 2 W =
kx (ta hoàn toàn có thể chứng minh điều này). t 2 Chú ý
Trong chương trình Vật lí phổ thông, nếu đề bài không nói gì về mốc thế năng, thì ta hiểu là ta đã chọn mốc
thế năng đàn hồi và mốc thế năng trọng trường tại vị trí cân bằng của con lắc. Do đó, thế năng của con lắc Trang 8 trong trườ 1
ng hợp con lắc lò xo nằm ngang cũng như thẳng đứng đều là 2 W = kx t 2
Như vậy, thế năng của con lắc lò xo trong cả 2 trường hợp đều được xác định bởi 1 1 W = kx = k Acos t kA t t  ( + ) 2 1 2 2 2  = cos  ( + ) 2 2 2 1 1 Vì 2 0  cos ( t  + ) 1 nên 2 2 2 0  W  =  đ kA m A . Do đó: 2 2 1 - 2 2 W
= kA khi cos (t + ) 2
=1  sin (t + ) = 0  x = A tức là khi t max 2
vật ở một trong hai vị trí biên - 2 W = 0 khi cos t
 +  = 0  x = 0 tức là khi vật ở vị trí cân bằng. t min ( )
Ngoài ra, sử dụng công thức hạ bậc, ta có 1 1 2 2 W = kA cos t kA t t ( + ) 2 = 1  + cos 2(2 + 2)   2 4
Do đó, thế năng biến thiên tuần hoàn với tần số góc ' = 2. STUDY TIP 1 1 - 2 2 2 W = kA =  m
A khi x =  A t max 2 2 - W = 0 khi x = 0 t min
- Động năng và thế năng biến thiên tuần hoàn với tần số góc gấp 2 lần tần số góc của vật ' = 2 3.3. Cơ năng
Cơ năng của con lắc lò xo là tổng của động năng và thế năng 1 1 2 2 2 W = W + W =  sin đ m A (t + ) 2 2
+ kA cos t +  t ( ) 2 2 1 1 2 2 2 =  m
A sin (t + ) 2 2 2 +  m
A cos (t + ) 2 2 1 1 1 2 2 2 =  m
A sin (t + ) 2
+ cos (t + ) 2 2 2  =  m A =   kA 2 2 2 Nhận xét:
- Cơ năng của vật luôn luôn không đổi và tỉ lệ với bình phương biên độ.
- Cơ năng của vật bằng động năng của vật khi vật ở vị trí cân bằng.
- Cơ năng của vật bằng thế năng của vật khi vật ở một trong hai vị trí biên
- Cơ năng của vật bằng động năng cực đại và cũng bằng thế năng cực đại của vật.
VI. TỔNG HỢP DAO ĐỘNG
1. Mối quan hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa
Một chất điểm chuyển động tròn đều với tốc độ góc ω thì hình chiếu của nó trên đường kính dao động
điều hòa với tần số góc ω.
Xét một chất điểm M chuyển động tròn đều trên một đường tròn lượng giác có bán kính là A. Trang 9
Điểm M chuyển động với tốc độ góc (tốc độ quay của OM trên đường tròn) là ω (rad/s).
- Tại thời điểm ban đầu t = 0, OM hợp với Ox một góc φ.
- Tại thời điểm t bất kì, góc tạo bởi OM Ox là t +  . t
Hình chiếu của điểm Mt trên trục Ox là điểm Pt với
OP = x = Acos t . t P ( + ) t
Từ đây, ta có nhận xét sau:
- Điểm P dao động điều hòa. 2
- Thời gian để M quay hết một vòng (2π) là
, khi đó P dao động được 
một chu kì T hay P thực hiện được một dao động toàn phần.
- Giả sử ở thời điểm t1, điểm P có li độ là x1, ứng với điểm H trên đường
tròn; thời điểm t2, điểm P có li độ là x2, ứng với điểm G trên đường tròn thì:
thời gian P đi từ x1 đến x2 bằng thời gian M chuyển động tròn đều từ H đến G.
Nhận xét trên này rất quan trọng giúp ta có thể giải bài toán tính thời gian trong dao động điều hòa một cách dễ dàng.
2. Tổng hợp dao động bằng phương pháp véc tơ quay
Xét hai dao động điều hòa cùng phương cùng tần số
x = A cos t +   1 1 ( 1 ) 
x = A cos t +   2 2 ( 2 )
Khi đó phương trình dao động tổng hợp là
x = x + x 1 2
Để tổng hợp, ta có thể làm một trong các cách sau đây:
Cách 1: Nếu hai vật có cùng biên độ dao động, A = A = A thì ta sẽ tổng 1 2 hợp bằng cách sử dụng công thức cộng lượng giác − + cos + cos = a b a b a b 2 cos cos 2 2   −     +  
x = x + x = A cos 
(t + )+ cos(t + ) 2 1 2 1  = 2Acos cos t + 1 2 1 2       2   2 
Cách 2: Nếu hai vật biên độ khác nhau nhau, ta dùng phương pháp véc tơ quay như sau:
- Vẽ các véctơ A , A tỉ lệ với các độ lớn của biên độ A 1 2
1, A2. Tại thời điểm ban đầu t = 0, các véctơ này
hợp với Ox các góc lần lượt φ1 và φ2.
- Vẽ véc tơ A = A + A thì tại thời điểm ban đầu véctơ tổng hợp tạo với trục tọa độ một góc đúng bằng 1 2
pha ban đầu của dao động tổng hợp φ.
- Cho các véctơ A , A quay đều với tốc độ góc ω theo chiều dương quy ước 1 2 Trang 10
(chiều ngược chiều kim đồng hồ). Khi đó véctơ A có độ lớn không đổi và quay
theo với tốc độ góc đúng bằng ω.
Từ hình vẽ, ta có biên độ của dao động tổng hợp là 2 2 2
A = A + A + 2A A cos  1 2 1 2
Pha ban đầu φ xác định bởi AN PQ + QO
A sin  + A sin  1 1 2 2 tan  = = = ON OM + MN
A cos  + A cos  1 1 2 2
Sau khi xác định biên độ A và pha ban đầu φ thì ta sẽ có phương trình của dao động tổng hợp
x = Acos (t + ) .
Nhận xét: Ngoài cách tổng hợp dao động bằng phương pháp đại số như trên, ta còn một phương pháp
nữa để tổng hợp dao động, đó là phương pháp số phức (sẽ được trình bày trong phần bài tập). VII. CON LẮC ĐƠN 1. Cấu tạo
- Con lắc đơn gồm sợi dây nhẹ không dãn có chiều dài l, đầu trên được treo cố định đầu dưới được gắn
với vật nặng có khối lượng m.
- Vật m có kích thước không đáng kể so với chiều dài của sợi dây, còn sợi dây có khối lượng không đáng
kể so với khối lượng của vật nặng m. Chú ý
Con lắc đơn chỉ được coi là dao động điều hòa nếu có biên độ góc   10 hay   0,1745 rad. 0 0 2. Thí nghiệm
Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng góc α    0 (
10 ) rồi buông tay không vận tốc đầu, trong môi 0
trường không có ma sát (mọi lực cản không đáng kể) thì con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc α0.
3. Phương trình dao động của con lắc đơn
Con lắc đơn dao động điều hòa với phương trình li độ dài hoặc li độ góc
s = S cos t +  0 ( ) 
 =  cos t +   0 ( )
Với s = l . Trong đó:
l chiều dài dây treo (m)
• s là li độ dài (cm, m,...).
• S0 là biên độ dài (cm, m, ...)
• α là li độ góc (rad).
• α0 là biên độ góc (rad).
•  = g (rad/s) (g là gia tốc trọng trường m/s2, l là chiều dài dây treo (m)) l Trang 11  • 2 = = l T 2
(s) là chu kì của con lắc đơn.  g  • 1 = = g f
(Hz) là tần số của con lắc đơn. 2 2 l
4. Phương trình vận tốc trong dao động điều hòa của con lắc đơn
Tương tự như trong dao động điều hòa, vận tốc của con lắc đơn
v = s ' = −S sin  t+  . 0 ( )
Các nhận xét tương tự như nhận xét đối với vận tốc trong dao động điều hòa.
5. Phương trình gia tốc trong dao động điều hòa của con lắc đơn 2
a = v ' = s ' = − S cos ( t+ ) 2 = − s 0
Các nhận xét tương tự như nhận xét đối với gia tốc trong dao động điều hòa.
6. Các phương trình độc lập thời gian
Ta có các phương trình độc lập thời gian giống như phần dao động điều hòa đã trình bày. Ở đây li độ dài s giống với x. 2 2 2  2 2 2 v a v 2 2  v a v  =  + = + 2 2  0 2 2 2 4 2 2 S = s + = + s ll l l  0 2 4 2 =     ⎯⎯⎯ →  a 2  2 a = − s = −   l
7. Năng lượng của con lắc đơn
- Động năng: Động năng của con lắc đơn là động năng của vật (coi là chất điểm): 1 2 W = đ mv 2
- Thế năng: Thế năng của con lắc đơn là thế năng trọng trường của vật. Nếu chọn mốc tính thế năng là vị
trí cân bằng thì thế năng của con lắc đơn ở li độ góc α là W = mgl (1− cos  t )
- Cơ năng: Nếu bỏ qua mọi ma sát thì cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn 1 2 W = W + W =
mv + mgl (1− cos ) = đ const t 2
VIII. CÁC LOẠI DAO ĐỘNG 1. Dao động tự do
Dao động tự do là dao động mà chu kì của hệ chỉ phụ thuộc vào đặc tính bên trong của hệ mà không phụ
thuộc vào các yếu tố bên ngoài. Ví dụ:
- Con lắc lò xo dao động với chu kì = 2 m T
chỉ phụ thuộc vào đặc tính riêng của hệ là mk. k
- Con lắc đơn có chu kì = 2 l T
chỉ phụ thuộc vào đặc tính riêng của hệ là lg. g Trang 12 STUDY TIP
- Dao động tắt dần càng nhanh khi ma sát càng lớn.
- Khi ma sát nhỏ, dao động tắt dần có thể coi gần đúng là tuần hoàn với tần số góc bằng tần số góc của dao
động điều hòa khi không có ma sát.
2. Dao động tắt dần
Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian.
- Nguyên nhân: Do ma sát, lực cản (độ nhớt) của môi trường gây ra.
- Ứng dụng: Sử dụng trong các thiết bị đóng cửa tự động, giảm xóc ô tô,...
3. Dao động duy trì
Dao động duy trì là dao động tắt dần được cung cấp năng lượng đúng bằng
phần năng lượng bị tiêu hao do ma sát sau mỗi chu kì, hay nói cách khác, dao
động được duy trì bằng cách giữ cho biên độ không đổi mà không làm thay đổi
chu kì dao động riêng gọi là dao động duy trì.
- Ứng dụng: Chế tạo đồng hồ quả lắc.
4. Dao động cưỡng bức. Sự cộng hưởng 4.1. Định nghĩa
Dao động cưỡng bức là dao động của một vật chịu sự tác dụng của ngoại lực cưỡng bức biến thiên tuần hoàn theo thời gian.
F = F cos t +  . 0 ( ) 4.2. Đặc điểm
Khác với dao động tắt dần, dao động cưỡng bức có các đặc điểm sau đây:
- Biên độ của dao động cưỡng bức không đổi.
- Tần số của dao động cưỡng bức bằng tần số của lực cưỡng bức.  f = f = F 2
Trong đó f là tần số của dao động cưỡng bức, fF là tần số của lực cưỡng bức.
- Biên độ của dao động cưỡng bức Acb phụ thuộc vào:
+ Biên độ của lực cưỡng bức F0.
+ Độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng (f0) của hệ f f . 0
Độ chênh lệch này càng nhỏ thì biên độ của dao động cưỡng bức càng lớn.
+ Lực cản môi trường. Lực cản môi trường càng lớn thì biên độ của dao động cưỡng bức càng nhỏ và ngược lại.
4.3. Hiện tượng cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số fF
của lực cưỡng bức bằng tần số dao động riêng của hệ f0. Trang 13 f = f F 0 5. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một vật dao động tắt dần có các đại lượng giảm liên tục theo thời gian là:
A. biên độ và gia tốc.
B. li độ và tốc độ.
C. biên độ và năng lượng.
D. biên độ và tốc độ. Lời giải
Theo định nghĩa về dao động tắt dần thì biên độ và năng lượng giảm liên tục theo thời gian. Đáp án C.
Ví dụ 2: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?
A. Hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng) xảy ra khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ.
B. Biên độ dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng)
không phụ thuộc vào lực cản của môi trường.
C. Tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy.
D. Tần số dao động tự do của một hệ cơ học là tần số dao động riêng của hệ ấy. Lời giải
A. Đúng. Khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra
B. Sai. Biên độ dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng (sự cộng
hưởng) phụ thuộc vào lực cản của môi trường.
C. Đúng. Trong dao động cưỡng bức thì tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của
ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy.
D. Đúng. Trong dao động tự do thì tần số của dao động tự do chính là tần số riêng của hệ đó. Đáp án B.
Ví dụ 3: Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động:
A. với tần số bằng tần số dao động riêng.
B. mà không chịu ngoại lực tác dụng.
C. với tần số lớn hơn tần số dao động riêng.
D. với tần số nhỏ hơn tần số dao động riêng. Lời giải
Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì mặc dù vật dao động với biên độ cực đại nhưng nó vẫn dao động
với tần số bằng tần số dao động riêng. Đáp án A.
Ví dụ 4: Khi nói về một hệ dao động cưỡng bức ở giai đoạn ổn định, phát biểu nào dưới đây là sai?
A. Tần số của hệ dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức.
B. Tần số của hệ dao động cưỡng bức luôn bằng tần số dao động riêng của hệ. Trang 14
C. Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số của ngoại lực cưỡng bức.
D. Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ của ngoại lực cưỡng bức. Lời giải
B sai vì tần số của hệ dao động cưỡng bức chỉ bằng tần số dao động riêng của hệ khi hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Đáp án B.
Ví dụ 5: Phát biểu nào sau đây là 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. Lời giải
A. Đúng. Theo định nghĩa: Dao động tắt dần có biên độ và năng lượng giảm dần theo thời gian.
B. Sai, vì biên độ giảm dần theo thời gian nên cơ năng của vật dao động cũng giảm dần theo thời gian.
c. Sai, vì lực cản môi trường tác dụng lên vật luôn sinh công âm.
D. Sai, vì dao động tắt dần là dao động chịu tác dụng của ngoại lực như ma sát, lực cản môi trường. Đáp án A.
Ví dụ 6: 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 biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.
D. Dao động cưỡng bức có tần số nhỏ hơn tần số của lực cưỡng bức. Lời giải
A. Sai, vì dao động của con lắc đồng hồ là dao động duy trì.
B. Sai, vì biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào biên độ của lực cưỡng bức chứ không phải là biên
độ của lực cưỡng bức. C. Đúng.
D. Sai, dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức. Đáp án C.
Ví dụ 7: Một tấm ván có tần số riêng là 2Hz. Hỏi trong một 1 phút một người đi qua tấm ván phải đi bao
nhiêu bước để tấm ván rung mạnh nhất: A. 60 bước. B. 30 bước. C. 80 bước. D. 120 bước. Lời giải
Để tấm ván rung mạnh nhất thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra, khi đó tần số riêng của tấm ván bằng tần
số của dao động cưỡng bức do người tạo ra trên tấm ván f = f = 2 Hz . 0 x
Gọi số bước của người đó là x thì ta có = 2 suy ra x = 120. 60 Trang 15 Đáp án D.
Ví dụ 8: Một con lắc lò xo có k = 100 N/m, vật có khối lượng 1 kg, treo lò xo lên tàu biết mỗi thanh ray
cách nhau 12,5m. Tính vận tốc của con tàu để vật dao động mạnh nhất. A. 19,89 m/s. B. 22 m/s. C. 22 km/h. D. 19,89 km/s. Lời giải
Để vật trên con tàu dao động mạnh nhất thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng, tần số riêng của con lắc phải
bằng tần số dao động của con tàu. Khi đó ta có 1 = = k f f =1,59 0 2 m
Từ đó T = 0,63s và = L T nên v = 19,89 m/s. v Đáp án A.
Ví dụ 9: Một con lắc lò xo có độ cứng k = 400 N/m; m = 0,1 kg được kích thích bởi hai ngoại lực sau:   
- Nếu chỉ kích thích bởi ngoại lực 1 có phương trình f = F cos 8t +
cm thì biên độ dao động là A 1    1 3 
- Nếu chỉ kích thích bởi ngoại lực 2 có phương trình f = F cos 6t +  cm thì biên độ dao động là A 2 ( ) 2. Tìm nhận xét đúng. A. A1 = A2 B. A1 > A2 C. A1 < A2
D. A và B đều đúng Lời giải
Biên độ dao động không phụ thuộc vào pha ban đầu của ngoại lực, vậy để so sánh A1A2 ta sẽ so sánh
tần số của f1f2.
Vì biên độ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào độ chênh lệch f f , mà f tỉ lệ thuận với ω nên biên độ 0
dao động cưỡng bức cũng phụ thuộc vào  −  . 0 Ta có  k 400  = = = 20 0 m 0,1  
  −  = 20 − 8 = 12   −    −  1 1 2
 − = 20−6 =14  2 
Từ đó suy ra A1 > A2 (vì độ chênh lệch càng nhỏ thì biên độ càng lớn). Đáp án B.
6. Trắc nghiệm tự luyện
Câu 1: Nhận định nào sau đây là sai khi nói về hiện tượng cộng hưởng trong một hệ cơ học.
A. Tần số dao động của hệ bằng với tần số của ngoại lực.
B. Khi có cộng hưởng thì dao động của hệ không phải là điều hòa. Trang 16
C. Biên độ dao động lớn khi lực cản môi trường nhỏ.
D. Khi có cộng hưởng thì dao động của hệ là dao động điều hòa.
Câu 2: Nhận xét nào sau đây về dao động tắt dần là đúng?
A. Có tần số và biên độ giảm dần theo thời gian.
B. Môi trường càng nhớt thì dao động tắt dần càng nhanh.
C. Có năng lượng dao động luôn không đổi theo thời gian.
D. Biên độ không đổi nhưng tốc độ dao động thì giảm dần.
Câu 3: Chọn phát biểu sai về dao động duy trì.
A. Có chu kỳ bằng chu kỳ dao động riêng của hệ.
B. Năng lượng cung cấp cho hệ đúng bằng phần năng lượng mất đi trong mỗi chu kỳ.
C. Có tần số dao động không phụ thuộc năng lượng cung cấp cho hệ.
D. Có biên độ phụ thuộc vào năng lượng cung cấp cho hệ trong mỗi chu kỳ.
Câu 4: Phát biểu nào dưới đây sai?
A. Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian.
B. Dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của ngoại lực.
C. Dao động duy trì có tần số phụ thuộc vào năng lượng cung cấp cho hệ dao động.
D. Cộng hưởng có biên độ phụ thuộc vào lực cản của môi trường.
Câu 5: Hiện tượng cộng hưởng thể hiện càng rõ nét khi
A. Biên độ của lực cưỡng bức nhỏ.
B. Độ nhớt của môi trường càng lớn.
C. Tần số của lực cưỡng bức lớn.
D. Lực cản, ma sát của môi trường nhỏ.
Câu 6: Để duy trì dao động cho một cơ hệ ta phải
A. Làm nhẵn, bôi trơn để giảm ma sát.
B. Tác dụng vào nó một lực không đổi theo thời gian.
C. Tác dụng lên hệ một ngoại lực tuần hoàn.
D. Cho hệ dao động với biên độ nhỏ để giảm ma sát.
Câu 7: Chọn câu sai khi nói về dao động cưỡng bức
A. Tần số dao động bằng tần số của ngoại lực.
B. Biên độ dao động phụ thuộc vào tần số của ngoại lực.
C. Dao động theo quy luật hàm sin của thời gian.
D. Tần số ngoại lực tăng thì biên độ dao động tăng.
Câu 8: Để duy trì dao động cho một cơ hệ mà không làm thay đổi chu kì riêng của nó, ta phải
A. tác dụng vào vật dao động một ngoại lực không thay đổi theo thời gian.
B. tác dụng vào vật dao động một ngoại lực biến thiên tuần hoàn theo thời gian.
C. làm nhẵn, bôi trơn để giảm ma sát.
D. tác dụng ngoại lực vào vật dao động cùng chiều với chuyển động trong một phần của từng chu kì.
Câu 9: Sau khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng nếu
A. Tăng độ lớn lực ma sát thì biên độ tăng.
B. Tăng độ lớn lực ma sát thì biên độ giảm.
C. Giảm độ lớn lực ma sát thì chu kì tăng.
D. Giảm độ lớn lực ma sát thì tần số tăng. Trang 17
Câu 10: Chọn nhận định sai
A. Trong sự tự dao động, hệ tự điều khiển sự bù đắp năng lượng từ từ cho con lắc.
B. Trong sự tự dao động, dao động duy trì theo tần số riêng của hệ.
C. Trong dao động cưỡng bức, biên độ phụ thuộc vào hiệu số tần số cưỡng bức và tần số riêng.
D. Biên độ dao động cưỡng bức không phụ thuộc vào cường độ của ngoại lực.
Câu 11: Phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Dao động duy trì là dao động tắt dần mà người ta đã kích thích lại dao động sau khi dao động bị tắt hẳn.
B. Dao động duy trì là dao động tắt dần mà người ta đã làm mất lực cản của môi trường đối với vật dao động.
C. Dao động duy trì là dao động tắt dần mà người ta đã tác dụng ngoại lực vào vật dao động cùng
chiều với chiều chuyển động trong một phần của từng chu kỳ.
D. Dao động duy trì là dao động tắt dần mà người ta đã tác dụng ngoại lực biến đổi điều hoà theo thời gian vào vật dao động.
Câu 12: Chọn phát biểu sai:
A. Hai dao động điều hoà cùng tần số, ngược pha thì li độ của chúng luôn luôn đối nhau.
B. Khi vật nặng của con lắc lò xo đi từ vị trí biên đến vị trí cân bằng thì vectơ vận tốc và vectơ gia tốc luôn luôn cùng chiều.
C. Trong dao động điều hoà,khi độ lớn của gia tốc tăng thì độ lớn của vận tốc giảm.
D. Dao động tự do là dao động có tần số chỉ phụ thuộc đặc tính của hệ, không phụ thuộc các yếu tố bên ngoài.
Câu 13: Chọn câu sai khi nói về dao động:
A. Dao động của cây khi có gió thổi là dao động cưỡng bức.
B. Dao động của đồng hồ quả lắc là dao động duy trì.
C. Dao động của pittông trong xilanh của xe máy khi động cơ hoạt động là dao động điều hoà.
D. Dao động của con lắc đơn khi bỏ qua ma sát và lực cản môi trường luôn là dao động điều hoà.
Câu 14: Nhận xét nào sau đây là không đúng?
A. Dao động duy trì có chu kì bằng chu kì dao động riêng của con lắc.
B. Dao động tắt dần càng nhanh nếu lực cản của môi trường càng lớn.
C. Biên độ dao động cưỡng bức không phụ thuộc vào tần số lực cưỡng bức.
D. Dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.
Câu 15: Một vật dao động riêng với tần số là f = 10Hz . Nếu tác dụng vào vật ngoại lực có tần số
f = 5Hz thì biên độ là A
f = 8Hz và cùng giá trị 1
1. Nếu tác dụng vào vật ngoại lực có tần số biến đổi là 2
biên độ với ngoại lực thứ nhất thì vật dao động với biên độ A2 (mọi điều kiện khác không đổi). Tìm phát biểu đúng?
A. Biên độ thứ hai bằng biên độ thứ nhất.
B. Biên độ thứ hai lớn hơn biên độ thứ nhất.
C. Biên độ dao động thứ nhất lớn hơn.
D. Không kết luận được. Trang 18
Câu 16: Một tấm ván có tần số riêng là 2Hz. Hỏi trong một 1 phút một người đi qua tấm ván phải đi bao
nhiêu bước để tấm ván rung mạnh nhất: A. 60 bước B. 30 bước C. 80 bước D. 120 bước
Câu 17: Một con lắc đơn có l= 1 m; g = 10 m/s2 được treo trên một xe ôtô, khi xe đi qua phần đường mấp
mô, cứ 12m lại có một chỗ ghềnh, tính vận tốc của vật để con lắc dao động mạnh nhất. A. 6 m/s B. 6 km/h C. 60 km/h D. 36 km/s
Câu 18: Một con lắc lò xo có k = 100 N/m, vật có khối lượng 1 kg, treo lò xo lên tàu biết mỗi thanh ray
cách nhau 12,5m. Tính vận tốc của con tàu để vật dao động mạnh nhất. A. 19,89 m/s B. 22 m/s C. 22 km/h D. 19,89 km/s
Câu 19: Một con lắc lò xo có K = 50N/m. Tính khối lượng của vật treo vào lò xo biết rằng mỗi thanh ray
dài 12,5m và khi vật chuyển động với v = 36km/h thì con lắc dao động mạnh nhất. A. 1,95 kg B. 1,90 kg C. 15,9 kg D. Đáp án khác
Câu 20: Một con lắc lò xo có độ cứng k = 400N/m; m = 0,1 kg được kích thích bởi hai ngoại lực sau   
- Nếu chỉ kích thích bởi ngoại lực 1 có phương trình f = F cos 8t +
cm thì biên độ dao động là A 1    1. 3 
- Nếu chỉ kích thích bởi ngoại lực 2 có phương trình f = F cos 6t +  cm thì biên độ dao động là A 2 ( ) 2. Tìm nhận xét đúng A. A = A B. A  A C. A  A
D. A và B đều đúng 1 2 1 2 1 2
Câu 21: Một con lắc lò xo, nếu chịu tác dụng của hai ngoại lực f = 6Hz f = 10Hz có cùng độ lớn 1 2
biên độ thì thấy biên độ dao động cưỡng bức là như nhau và là A f = 1. Nếu dùng ngoại lực 8Hz có biên 3
độ như ngoại lực 1 và 2 thì biên độ dao động cưỡng bức sẽ là A2. Tìm nhận xét đúng? A. A = A B. A  A C. A  A
D. Không thể kết luận 1 2 1 2 1 2
Câu 22: Một con lắc lò xo có độ cứng k = 100 N/m và vật nặng m = 0,1 kg. Hãy tìm nhận xét đúng
A. Khi tần số ngoại lực < 10 Hz thì khi tăng tần số biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
B. Khi tần số ngoại lực < 5 Hz thì khi tăng tần số biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
C. Khi tần số ngoại lực > 5 Hz thì khi tăng tần số biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
D. Khi tần số ngoại lực > 10 Hz thì khi tăng tần số biên độ dao động cưỡng bức tăng lên.
Câu 23: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về dao động cơ học?
A. Hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng) xảy ra khi tần số của ngoại lực điều hoà bằng tần số dao động riêng của hệ.
B. Biên độ dao động cưỡng bức của một hệ cơ học khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng (sự cộng hưởng)
không phụ thuộc vào lực cản của môi trường.
C. Tần số dao động cưỡng bức của một hệ cơ học bằng tần số của ngoại lực điều hoà tác dụng lên hệ ấy.
D. Tần số dao động tự do của một hệ cơ học là tần số dao động riêng của hệ ấy.
Câu 24: Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng cơ thì vật tiếp tục dao động
A. với tần số bằng tần số dao động riêng.
B. mà không chịu ngoại lực tác dụng.
C. với tần số lớn hơn tần số dao động riêng.
D. với tần số nhỏ hơn tần số dao động riêng.
Câu 25: Nhận định nào sau đây sai khi nói về dao động cơ học tắt dần?
A. Dao động tắt dần có động năng giảm dần còn thế năng biến thiên điều hòa. Trang 19
B. Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian.
C. Lực ma sát càng lớn thì dao động tắt càng nhanh.
D. Trong dao động tắt dần, cơ năng giảm dần theo thời gian.
Câu 26: Một con lắc lò xo gồm viên bi nhỏ khối lượng m và lò xo khối lượng không đáng kể có độ cứng
10 N/m. Con lắc dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hoàn có tần số góc  . Biết biên F
độ của ngoại lực tuần hoàn không thay đổi. Khi thay đổi  thì biên độ dao động của viên bi thay đổi và F
khi  = 10rad/s thì biên độ dao động của viên bi đạt giá trị cực đại. Khối lượng m của viên bi bằng F A. 40 gam B. 10 gam C. 120 gam D. 100 gam
Câu 27: Khi nói về một hệ dao động cưỡng bức ở giai đoạn ổn định. Phát biểu nào dưới đây là sai?
A. Tần số của hệ dao động cưỡng bức bằng tần số của ngoại lực cưỡng bức.
B. Tần số của hệ dao động cưỡng bức luôn bằng tần số dao động riêng của hệ.
C. Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc vào tần số của ngoại lực cưỡng bức.
D. Biên độ của hệ dao động cưỡng bức phụ thuộc biên vào độ của ngoại lực cưỡng bức.
Câu 28: Phát biểu nào sau đây là 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.
Câu 29: 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 biên độ không đổi và có tần số bằng tần số của lực cưỡng bức.
D. Dao động cưỡng bức có tần số nhỏ hơn tần số của lực cưỡng bức.
Câu 30: Khi một vật dao động điều hòa thì
A. lực kéo về tác dụng lên vật có độ lớn cực đại khi vật ở vị trí cân bằng.
B. gia tốc của vật có độ lớn cực đại khi vật ở vị trí cân bằng.
C. lực kéo về tác dụng lên vật có độ lớn tỉ lệ với bình phương biên độ.
D. vận tốc của vật có độ lớn cực đại khi vật ở vị trí cân bằng.
Câu 31: Một vật dao động tắt dần có các đại lượng giảm liên tục theo thời gian là
A. biên độ và gia tốc. B. li độ và tốc độ.
C. biên độ và năng lượng. D. biên độ và tốc độ ĐÁP ÁN 1-B 2-B 3-D 4-C 5-D 6-C 7-D 8-D 9-B 10-D 11-C 12-A 13-D 14-C 15-B 16-D 17-A 18-A 19-A 20-B 21-C 22-B 23-B 24-A 25-A 26-D 27-B 28-A 29-C 30-D 31-C Trang 20