Công thức liên quan Bài 1: Tổng quan về dao động điều hòa.

Khái niệm:

Vận tốc là đạo hàm của li độ theo thời gian:

$v=x\text{'}=\left[A\cos (\omega t+\phi )\right]\text{'}=-\omega A\sin (\omega t+\phi )=\omega A\cos \left(\omega t+\phi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}\right)$

Chú thích: 

v: Vận tốc của chất điểm tại thời điểm $t$ $(cm/s, m/s)$

$A$: Biên độ dao động (li độ cực đại) của chất điểm $(cm,m)$

$\omega$: Tần số góc ( tốc độ góc) $(rad/s)$

$(\omega t+\phi )$: Pha dao động tại thời điểm $t$ $\left(rad\right)$

$\phi$: Pha ban đầu của chất điểm tại thời điểm $t=0$ $\left(rad\right)$

$t:$ Thời gian $\left(s\right)$

Đồ thị:

Đồ thị vận tốc theo thời gian là đường hình sin.

Đồ thị vận tốc theo li độ là hình elip.

Liên hệ pha:

Vận tốc sớm pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với li độ $x$ $\iff$ Li độ $x$ chậm (trễ) pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với vận tốc.

Gia tốc sớm pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với vận tốc $\iff$ Vận tốc chậm (trễ) pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với gia tốc.

Khái niệm:

Tốc độ trung bình là thương số giữa quãng đường chất điểm đi được và thời gian để đi hết được quãng đường đó. Đây cũng là khái niệm mà chúng ta đã được học ở chương trình lớp 10. 

Chú thích:

$\overline{v}$: Tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S$: Quãng đường chất điểm đi được $(cm, m)$

$t$: Thời gian mà vật chuyển động được quãng đường $S$ $\left(s\right)$

Lưu ý:

+ Tốc độ trung bình của chất điểm trong một chu kỳ: $\overline{v}=\frac{S}{t}=\frac{4A}{T}=\frac{4A}{{\displaystyle \frac{2\pi }{\omega }}}=\frac{2}{\pi }A\omega =\frac{2}{\pi }{v}_{max}$.

+Tốc độ trung bình của chất điểm trong nửa chu kỳ: $\overline{v} =\frac{S}{t}=\frac{2A}{{\displaystyle \frac{T}{2}}}=\frac{4A}{T}=\frac{2}{\pi }{v}_{max.}$

Khái niệm:

Chu kỳ của dao động điều hòa là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần. 

Chú thích:

$T$: Chu kỳ dao động $\left(s\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.

Lưu ý:

Thời gian vật đi được tại các vị trí đặc biệt:

Định nghĩa: Hình chiếu của một vật chuyển động tròn đều lên đường kính của nó là một dao động đều hòa.

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm tại thời điểm $t$.

$t:$ Thời gian $\left(s\right)$.

$A$: Biên độ dao động ( li độ cực đại) của chất điểm $(cm, m)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$(\omega t+\phi )$: Pha dao động tại thời điểm $t$ $\left(rad\right)$.

$\phi$: Pha ban đầu của dao động tại thời điểm $t=0$ $(-\pi \le \phi \le \mathrm{\pi })$$\left(rad\right)$.

Đồ thị:

Đồ thị của tọa độ theo thời gian là đường hình sin.

Trong 1 chu kì dao động, dù xuất phát ở vị trí nào vật luôn đi được quãng đường 4A.

Trong $\frac{1}{2}$chu kì dao động, dù xuất phát ở vị trí nào vật luôn đi được quãng đường 2A.

Lưu ý:

Thời gian đi từ 2 biên vào đến các vị trí đặc biệt:

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A\sqrt{3}}{2}$ là $\frac{T}{12}$.

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A\sqrt{2}}{2}$ là $\frac{T}{8}$.

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A}{2}$ là $\frac{T}{6}$.

+ Từ biên về vị trí cân bằng là $\frac{T}{4}$.

Khái niệm: 

Tốc độ của một vật là độ lớn của sự thay đổi vị trí của nó.

Chú thích:

${\overline{v}}_{tb}$: tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S$: Quãng đường mà chất điểm đi được trong thời gian $t$ $(cm, m)$

$t$: Thời gian vật chuyển động $\left(s\right)$

Lưu ý: 

+ Tốc độ trung bình của chất điểm chuyển động trong một chu kỳ :

$V_{tb}=\frac{S}{t}=\frac{4A}{T}=\frac{4A}{{\displaystyle \frac{2\mathrm{\pi }}{\omega }}}=\frac{2}{\mathrm{\pi }}A\omega =\frac{2}{\mathrm{\pi }}{v}_{max}$.

+ Tốc độ trung bình của chất điểm chuyển động trong nửa chu kỳ:

$V_{tb}=\frac{S}{t}=\frac{2A}{{\displaystyle \frac{T}{2}}}=\frac{4A}{T}=\frac{2}{\mathrm{\pi }}{v}_{max}$

Chú thích: 

$v_{max}$: Tốc độ cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$\omega$: Tần số góc ( tốc độ góc) $(rad/s)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

Lưu ý:

Vận tốc đạt giá trị cực đại khi vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương. $(v_{max}=\omega A)$

Vận tốc đạt giá trị cực tiểu khi vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm.$(v_{min}=-\omega A)$

Tốc độ lớn nhất ( xét độ lớn) khi vật ở vị trí cân bằng.$\left({\left|v\right|}_{max}=\omega A\right)$

Tốc độ nhỏ nhất (xét độ lớn) khi vật ở hai biên.$\left({\left|v\right|}_{min}=0\right)$

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc ( Tốc độ góc) $(rad/s)$

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $(cm/s, m/s)$

$\phi$: Pha ban đầu của chất điểm $\left(rad\right)$

+ Căn cứ vào thời điểm $t=0$ thì : $\left\{\begin{array}{l}x=A\cos \left(\phi \right)\\ v=-A\omega \sin \left(\phi \right) \left(>;<;=0\right)\end{array}\right.\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}\cos \left(\phi \right)=\frac{x}{A}\\ \phi \left(>;<;=0\right)\end{array}\right.\Rightarrow \boxed{\phi =arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)}$

Do $v.\phi <0$ nên dấu của $\phi$ tùy thuộc vào $v$: $\left\{\begin{array}{l}vật chuyển động theo chiều dương: v>0 \Rightarrow \phi <0.\\ vật chuyển động theo chiều âm : v<0 \Rightarrow \phi >0.\end{array}\right.$

+ Hoặc chia 2 vế phương trình trên : $\frac{v}{x}=-\omega \tan \left(\phi \right) \iff \boxed{\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)}$

Lưu ý:

Nếu đề cho tại $t=t_0$ thì $x=x_0; v=v_0$ thì : $$\begin{gathered} \left\{\begin{array}{l}{x}_0=A\cos \left(\omega t_0+\phi \right)\\ v_0=-A\omega \sin \left(\omega t_0+\phi \right) \end{array}\right.\Rightarrow \frac{v_0}{x_0}=-\omega \tan \left(\omega t_0+\phi \right) \\ \iff \omega t_0+\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right) \iff \boxed{\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)- \omega t_0} \end{gathered}$$

Khái niệm:

Tần số của dao động điều hòa là số dao động chất điểm thực hiện được trong một giây.

Chú thích:

$f$: Tần số dao động $(1/s)$ $\left(Hz\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$T$: Chu kỳ dao động của vật $\left(s\right)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.