SKKN Liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều bài toán xác định thời gian trong dao động điều hòa

Nội dung text: SKKN Liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều bài toán xác định thời gian trong dao động điều hòa

1. 1 Tr­êng THPT Gio Linh MỤC LỤC A. ĐẶT VẤN ĐỀ Trang I. Thực trạng của vấn đề 2 II. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu 2 III. Phạm vi của đề tài 2 B. NỘI DUNG I.Cơ sở lí thuyết 3 I.1.Liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều 3 I.2.Xác định thời gian trong dao động điều hòa 3 II. Một số bài tập vận dụng 4 II.1.Bài tập về dao động cơ. 4 II.2.Bài tập về Sóng cơ 6 II.3.Bài tập về dòng điện xoay chiều 7 II.4.Bài tập về mạch dao động LC 9 II.5.Bài tập đề nghị 11 C.KẾT LUẬN 12 Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
2. 2 Tr­êng THPT Gio Linh A. ĐẶT VẤN ĐỀ I. Thực trạng của vấn đề Việc xác định thời gian trong dao động điều hòa là một vấn đề khó trong chương trình vật lí lớp 12, các em học học sinh thường bối rối khi gặp vấn đề này. Để giải bài toán loại này, một số giáo viên và học sinh đã sử dụng những kiến thức liên quan đến phương trình lượng giác, tuy nhiên phương pháp này thuần túy toán học, phức tạp và dễ gây nhầm lẫn. Để giúp các em học sinh có phương pháp giải quyết nhanh chóng các loại bài tập này, đặc biệt là trong bài thi trắc nghiệm, tôi chọn và nghiên nghiên cứu đề tài: “LIÊN HỆ GIỮA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA VÀ CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH THỜI GIAN TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA” II. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu Đề tài này vận dụng mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều để đưa ra phương pháp giải các dạng bài tập về xác định thời gian trong dao động điều hòa. Trên cơ sở những kết quả đã nghiên cứu sẽ giúp cho các em học sinh áp dụng để giải quyết các loại bài tập liên quan đến việc xác định thời gian trong Dao động cơ, Sóng cơ, Điện xoay chiều hay mạch dao động LC III. Phạm vi của đề tài Đề tài nghiên cứu một vấn đề tương đối khó, đề cập đến các dạng bài tập nâng cao thường gặp trong đề thi TSĐH, CĐ và chủ yếu dành cho học sinh lớp 12 Ban Khoa học tự nhiên. Với phạm vi một Sáng kiến - Kinh nghiệm ở trường THPT chúng tôi chỉ đề cập đến một số vấn đề: -Phương pháp xác định thời gian trong dao động điều hòa. -Giới thiệu một số trường hợp vận dụng. Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
3. 3 Tr­êng THPT Gio Linh B. NỘI DUNG I. Cơ sở lí thuyết I.1.Liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều Xét một điểm M chuyển động tròn đều trên đường tròn tâm O theo chiều dương với tốc độ góc . Gọi P là hình chiếu của M lên trục Ox. Giả sử ban đầu( t = 0 ) điểm M ở vị trí M o được xác định bằng góc . Ở thời điểm t, nó chuyển động đến M, xác định bởi góc: + với = t. Khi đó tọa độ của điểm P là: M + x = OP = OM.cos(t + ) M t o Đặt OM = A, phương trình tọa độ của P được viết -A O P A x thành: x = A.cos(t + ). Vậy điểm P dao động điều hòa. *Kết luận: Một dao động điều hòa có thể được coi như hình chiếu của một vật chuyển động tròn đều lên một đường thẳng nằm trong mặt phẳng quỹ đạo. M I.3.Xác định thời gian trong dao động điều hòa 2 M1 Theo mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều, thời gian ngắn nhất vật chuyển động -A x2 O x1 A x tròn đều đi từ M 1 đến M2 cũng chính thời gian hình chiếu của nó (dao động điều hòa) đi từ điểm có li độ s x đến điểm có li độ x . Thời gian này được xác định bằng: t 1 2 v M M với: s = 1 2 = R. ; = M 1 OM 2 ; v = R Vậy: t  Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
4. 4 Tr­êng THPT Gio Linh II.Một số bài tập vận dụng II.1.Bài tập về dao động cơ Bài tập 1.Một vật dao động điều hòa với biên độ A và tần số f = 5Hz. Xác A định thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có li độ x1 đến vị trí có li độ 2 A x2 . 2 Hướng dẫn A Khi vật đi từ vị trí có li độ x1 = đến vị 2 M 2 M1 A trí có li độ x2 = thì mất một khoảng thời gian 2 x = -A/2 O x =A/2 x ngắn nhất là ∆t, đúng bằng thời gian vật chuyển -A 2 1 A động tròn đều (với tốc độ góc  = 2 f trên đường tròn tâm O, bán kính R = A) đi từ M1 đến M2. Ta có:  = 10 (rad/s) = M 1 OM 2 = - 2 , x 1 mà cos 1 => = => ∆ = A 2 3 3 1 Vậy, thời gian ngắn nhất vật đi từ x đến x là: t s 1 2  30 *Nhận xét: Đối với bài tập này học sinh dễ nhầm lẫn rằng thời gian vật đi từ x1 đến x2 là tỉ lệ với quãng đường ∆s = x1 – x2 = A, nên cho kết quả sai sẽ là: T 1 t s 4 20 Bài tập 2. Một vật dao động điều hoà theo phương trình: x = Acos(t - ). Cho biết, từ thời điểm ban đầu vật đến li độ x = A 3 trong khoảng thời gian 2 2 Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
5. 5 Tr­êng THPT Gio Linh 1 ngắn nhất là s , và tại điểm cách VTCB 2(cm) vật có vận tốc 40 3 (cm/s). 60 Xác định tần số góc và biên độ A của dao động. Hướng dẫn x1 Acos( ) 0 Ở thời điểm ban đầu (t = 0), vật có: 2 , tức là vật qua vị trí cân 1 v Asin( ) 0 2 bằng theo chiều dương. 1 A 3 Ở thời điểm t2 = s , vật qua li độ x2 = theo chiều dương. 60 2 Áp dụng công thức: t =>  ,  t 1 x2 3 với ∆t = t2 – t1 = s ; cos = => = ; 60 A 2 6 x1 x2 O -A A x ∆ = = 2 3 M2 v 2 M1 Vậy:  20 (rad/s) và A = x 2 4cm  2 Bài tập 3. Một lò xo có khối lượng không đáng kể có độ cứng k = 100N/m. Một đầu treo vào một điểm cố định, đầu còn lại treo một vật nặng khối lượng 500g. Từ vị trí cân bằng kéo vật xuống dưới theo phương thẳng đứng một đoạn 10cm rồi buông nhẹ cho vật dao động điều hòa. Lấy g = 10m/s2. Xác định khoảng thời gian mà lò xo bị nén, bị dãn trong một chu kỳ. Hướng dẫn k x Ta có:  = = 10 2 (rad/s) m A nén M2 M1 Độ dãn của lò xo ở vị trí cân bằng là: l mg O dãn O l 0,05m 5cm ; A = 10cm > ∆l k (A > l) -A Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
6. 6 Tr­êng THPT Gio Linh Thời gian lò xo nén t 1 là thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí lò xo không biến dạng đến vị trí cao nhất và trở về vị trí cũ. l 1 2 t1 = , với sin = => = ; ∆ = - 2 =  A 2 6 3 2 Vậy: t = s 1  3.10 2 15 2 Thời gian lò xo dãn t 2 là thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí lò xo 2 2. không biến dạng đến vị trí thấp nhất và trở về vị trí cũ: t = s 2  15 *Chú ý: Cũng có thể tính: t2 = T - t1 II.2.Bài tập về sóng cơ Bài tập 4. Hai điểm M, N cùng nằm trên một phương truyền sóng cách nhau x = λ/3, sóng có biên độ A, chu kì T. Tại thời điểm t 1 = 0, có uM = +3cm và uN = -3cm. Ở thời điểm t 2 liền sau đó có u M = +A, biết sóng truyền từ N đến M. Xác định A và t2. A u(cm) M1 3 M ’ t N -3 M2 -A Hướng dẫn 2 x 2 Ta có độ lệch pha giữa M và N là: => ,  3 6 u dựa vào hình vẽ, ta có thể xác định biên độ sóng là: A = M 2 3 (cm) cos Ở thời điểm t1, li độ của điểm M là uM = +3cm, đang giảm. Đến thời điểm t2 liền sau đó, li độ tại M là uM = +A. Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
7. 7 Tr­êng THPT Gio Linh ' 11 2 Ta có t t2 t1 với ' 2 ;   6 T 11 T 11T => t t2 t1 . 6 2 12 11T Vậy: t2 t t1 12 Bài tập 5. Sóng dừng trên một sợi dây có biên độ ở bụng là 5cm. Giữa hai điểm M, N có biên độ 2,5cm cách nhau x = 20cm các điểm luôn dao động với biên độ nhỏ hơn 2,5cm. Tìm bước sóng. Hướng dẫn Tại mỗi điểm, dao động của các phẩn tử trên dây là dao động điều hòa. Độ lệch 2 x pha giữa M, N xác định theo công thức: (4.1)  5 u(cm) M1 2,5 M -qo t N -2,5 M2 -5 Do các điểm giữa M, N đều có biên độ nhỏ hơn biên độ dao động tại M, N nên chúng là hai điểm gần nhau nhất đối xứng qua một nút sóng. Độ lệch pha giữa M 2 x và N dễ dàng tính được , thay vào (4.1) ta được: 3  3 =>  = 6x = 120cm. Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
8. 8 Tr­êng THPT Gio Linh II.3.Bài tập về dòng điện xoay chiều Bài tập 6. Điện áp giữa hai đầu một đoạn mạch có biểu thức u = 220 2 cos(100 t – /2)(V), t tính bằng giây(s). Kể từ thời điểm ban đầu(t1 = 0), thời điểm đầu tiên điện áp tức thời có độ lớn bằng giá trị hiệu dụng và điện áp đang giảm là t2. Hãy xác định t2. Hướng dẫn u1 220 2 cos( ) 0 Ở thời điểm t = 0, có: 2 1 M2 u' Asin( ) 0 2 O u1 u2 u tức là điện áp tức thời bằng 0 và đang tăng. -Uo Uo Ở thời điểm t2, có: u2 = 220(V) và đang giảm. M1 Ta có: t  u 1 3 với: ∆ = + ; cos = 2 => = rad => ∆ = + = rad 2 Uo 2 4 2 4 4 3 3 => t s 4.100 400 3 3 Vậy: t t t s 2 1 4.100 400 Bài tập 7. Mắc một đèn vào nguồn điện xoay chiều có điện áp tức thời là u 220 2 cos(100 t)(V ). Đèn chỉ phát sáng khi điện áp đặt vào đèn có độ lớn không nhỏ hơn 110 6V . Xác định tỉ số thời gian đèn sáng và tắt trong một chu kỳ. Hướng dẫn Điều kiện để đèn sáng là: u 110 6(V ) M2 M1 Trong mỗi nửa chu kì, khoảng thời gian đèn tắt là: 1 -Uo Uo O U 3 x U o 3 o u u 1 2 2 2 Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn
9. 9 Tr­êng THPT Gio Linh 1 u1 3 2 ∆t1 = , với ∆ 1 = - 2 , cos = => = rad => ∆ 1 = rad  U o 2 6 3 1 => ∆t1 = s 150 2 Trong một chu kì, thời gian đèn tắt là: 2∆t1 = s 150 1 và thời gian đèn sáng trong một chu kì là: T - 2∆t1 = s 150 T 2 t 1 Vậy, tỉ số thời gian đèn sáng và tắt trong một chu kì là: 1 2 t1 2 II.4.Bài tập về mạch dao động LC Bài tập 8. Một mạch dao động điện từ lí tưởng đang có dao động điện từ tự do. Tại thời điểm t = 0, M2 tụ điện bắt đầu phóng điện. Sau khoảng thời gian M1 -6 ngắn nhất t = 10 s thì điện tích trên một bản tụ điện -q o O q2 q1 qo q bằng một nửa giá trị cực đại. Tính chu kì dao động riêng của mạch. Hướng dẫn Ở thời điểm đầu (t = 0), điện tích trên một bản tụ là: q1 = qo q Sau khoảng thời gian ngắn nhất ∆t, điện tích trên một bản tụ điện là: q = o 2 2 T T Ta có: ∆ = M 1 OM 2 = rad => t = . 3  3 2 6 Vậy, chu kì dao động riêng của mạch là: T = 6∆t = 6.10-6s Bài tập 9. Một mạch dao động LC lí tưởng đang có dao động điện từ tự do. Điện tích trên một bản tụ điện có biểu thức: q = q cos(106 t - ) (C). Kể từ o 2 thời điểm ban đầu( t = 0), sau một khoảng thời gian ngắn nhất là bao lâu thì năng lượng điện trường trên tụ điện bằng ba lần năng lượng từ trường ở cuộn cảm? Bµi to¸n x¸c ®Þnh thêi gian trong dao ®éng ®iÒu hßa TrÇn Trung TuyÕn