Phương trình dao động của con lắc lò xo - vật lý 12

Khái niệm:

- Độ cứng của lò xo tuân theo liên hệ tuyến tính giữa lực đàn hồi và độ biến dạng.

- Độ cứng của lò xo phụ thuộc vào chất liệu và độ dài của lò xo.

Đơn vị tính: $N/m$

Khái niệm:

- Li độ hay độ dời là khoảng cách ngắn nhất từ vị trí ban đầu đến vị trị hiện tại của vật chuyển động, thường được biểu diễn tọa độ của vật trong hệ quy chiếu khảo sát chuyển động.

- Li độ trong dao động điều hòa là hàm $\cos$ và đồ thị là hình $\sin$. Li độ có thể âm hoặc dương tùy thuộc vào pha dao động của vật.

Đơn vị tính: $cm$ hoặc $m$

Khái niệm:

- Biên độ là li độ cực đại của vật đạt được.

- Biên độ là khoảng cách xa nhất mà vật có thể đạt được, với gốc tọa độ thường được chọn tại vị trí cân bằng.

- Biên độ là một đại lượng vô hướng, không âm đặc trưng cho độ lớn của dao động.

Đơn vị tính: $cm$ hoặc $m$

Khái niệm: 

Pha ban đầu cho biết vị trí ban đầu của chất điểm trong dao động điều hòa (ở thời điểm $t=0$).

Đơn vị tính: rad

Các vị trí đặc biệt trong dao động điều hòa

Định luật Hooke:

1.Phát biểu

- Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

2.Đặc điểm

- Phương của lực: lực đàn hồi có phương dọc trục lò xo.

- Chiều của lực:

     + Lực đàn hồi ở đầu không cố định ngược chiều với chiều biến dạng của lò xo (hướng về vị trí không biến dạng).

     + Lực đàn hồi tác dụng lên hai đầu có cùng độ lớn nhưng ngược hướng nhau .

- Độ lớn: tuân theo định luật Hooke.

- Dấu trừ trong công thức $\overrightarrow{F_{đh}}=-k.\overrightarrow{∆l}$ thể hiện lực đàn hồi luôn chống lại tác nhân gây ra biến dạng của nó.

- Nếu chỉ tính độ lớn ta có Fđh=k.∆l

Chú thích:

$F_{đh}$: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

∆l: độ biến dạng của lò xo (m)

Trường hợp lò xo nằm ngang:

Tại vị trí cân bằng: F=Fdh⇔F=k.∆l.

Độ biến dạng lò xo tại vị trí cân bằng: $∆l_0=\frac{F}{k}$

Chiều dài của lò xo ở vị trí cân bằng: $l=l_0+∆l_0$

Chú thích:

F: lực tác dụng (N).

Fđh: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

∆l: độ biến dạng của lò xo (m)

l: chiều dài của lò xo ở vị trí đang xét (m).

lo: chiều dài tự nhiên của lò xo - khi chưa có lực tác dụng (m).

Lưu ý : Nếu ban đầu chưa tác dụng lực hoặc lò xo ở chiều dài tự nhiên thì dô biến dạng ban đầu bằng không.

Trường hợp lò xo treo thằng đứng:

Tại vị trí cân bằng: 

$$\begin{gathered} P=F_{dh} \\ \Rightarrow mg=k.∆l_0 \end{gathered}$$

Độ biến dạng lò xo tại vị trí cân bằng: $∆l_0=\frac{P}{k}$

Chiều dài của lò xo ở vị trí cân bằng: $l=l_0+∆l_0$

Chú thích:

P: trọng lực tác dụng (N).

Fđh: lực đàn hồi (N).

k: độ cứng lò xo (N/m).

$∆l_0$: độ biến dạng ban đầu của lò xo (m)

l: chiều dài của lò xo ở vị trí đang xét (m).

$l_0$: chiều dài tự nhiên của lò xo - khi chưa có lực tác dụng (m).

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.

Công thức:

Từ phương trình $a=v\text{'}=\left[-\omega A\sin \left(\omega t+\phi \right)\right]=-{\omega }^{2}A\cos \left(\omega t+\phi \right)=-{\omega }^{2}x$.

Chú thích:

$a$: Gia tốc của chất điểm trong dao động điều hòa tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s^2, m/s^2)$

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

$x$: li độ của chất điểm $(cm, m)$