Bài 1. Mô tả dao động

 

BÀI 1: MÔ TẢ DAO ĐỘNG

I. Khái niệm dao động tự do

1. Khái niệm dao động

Từ một số dụng cụ đơn giản như: lò xo nhẹ, dây nhẹ không dãn, vật nặng và giá đỡ em hãy tiến hành 2 thí nghiệm sau

Thí nghiệm 1: Cố định một đầu của lò xo, gắn vật nặng vào đầu còn lại của lò xo . Kéo vật nặng xuống một đoạn theo phương thẳng đứng và buông nhẹ. 

Thí nghiệm 2: Cố định một đầu của dây nhẹ không dãn, gắn vật nặng vào đầu còn lại của dây. Kéo vật nặng để dây treo lệch một góc xác định và buông nhẹ

Sau khi quan sát các thí nghiệm trên em hãy mô tả chuyển động và điểm giống nhau của 2 dao động trên. 

Mô tả chuyển động	Điểm giống nhau
con lắc lò xo và con lắc đơn dao động xung quanh một vị trí xác định	Chuyển động có tính lặp lại. Chuyển động có giới hạn trong không gian.

Kết luận :

Dao động cơ học là sự chuyển động có giới hạn trong không gian của một vật quanh một vị trí xác định gọi là vị trí cân bằng.

Dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau được gọi là dao động tuần hoàn.

Ví dụ về dao động tuần hoàn:

Ứng dụng của dao động tuần hoàn trong thực tế

Dao động tuần hoàn là một hiện tượng vật lý cơ bản có nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày và trong các ngành công nghiệp khác nhau. Các ứng dụng của nó không chỉ giới hạn trong vật lý mà còn có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác như công nghệ, y học, và kỹ thuật.

Công nghệ và Kỹ thuật: Dao động tuần hoàn được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị như đồng hồ cơ, máy phát điện và máy biến áp. Chẳng hạn, các hệ thống dao động điện từ trong máy phát điện và máy biến áp giúp điều chỉnh và truyền tải năng lượng hiệu quả.

Y học: Trong y học, các dao động sinh học như nhịp tim, sóng não là các dạng dao động tuần hoàn quan trọng để theo dõi sức khỏe. Máy đo nhịp tim và thiết bị chẩn đoán hình ảnh thường dựa vào hiện tượng này để đưa ra các kết quả chính xác.

Giao thông vận tải: Dao động cơ học trong hệ thống giảm xóc của các phương tiện giao thông giúp giảm chấn và tạo sự êm ái khi di chuyển. Điều này cải thiện sự thoải mái và an toàn cho hành khách.

Công nghệ viễn thông: Sóng điện từ, một dạng dao động tuần hoàn, là cơ sở cho việc truyền tín hiệu trong hệ thống viễn thông và mạng lưới internet. Chúng giúp kết nối thông tin trên khoảng cách lớn một cách nhanh chóng và ổn định.

2. Dao đông tự do

Xét các hệ thực hiện dao động: con lắc lò xo gồm vật nặng được gắn vào một đầu của lò xo (Hình 1.2a), con lắc đơn gồm vật nặng được gắn vào đầu một dây không dãn (Hình 1.2b).

Lực đàn hồi tác dụng lên vật trong con lắc lò xo và trọng lực tác dụng lên vật trong con lắc đơn gọi là nội lực của hệ.

Khái niệm của dao động tự do

Dao động của hệ xảy ra dưới tác dụng chỉ của nội lực được gọi là dao động tự do (dao động riêng).

Ví dụ về các vật dao động tự do trong thực tế

II. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

 1. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tọa độ của vật dao động theo thời gian

Đồ thị có dạng hình sin

2. Li độ, biên độ, chu kì dao động, tần số dao động 

Quan sát vị trí của vật nặng trong hệ con lắc lò xo như hình 1.5 tại các thời điểm khác nhau em hãy cho biết thế nào là li độ, biên độ, chu kì dao động và tần số dao động.

Li độ của vật dao động là tọa độ của vật mà gốc tọa độ được chọn trùng với vị trí cân bằng.

Biên độ là độ lớn cực đại của li độ.

Chu kì dao động T là khoảng thời gian để vật thực hiện được một dao động (đơn vị: s)

Tần số dao động f  được xác định bởi số dao động mà vật thực hiện được trong một giây (đơn vị: Hz):  f = 1/T

Quan sát Hình 1.5 và chỉ ra những điểm

a) Có toạ độ dương, âm hoặc bằng không.

b) Có khoảng cách đến vị trí cân bằng cực đại.

c) Gần nhau nhất có cùng trạng thái chuyển động.

3. Khái niệm dao động điều hòa

Khi lực cản trong quá trình dao động là không đáng kể, đồ thị tọa độ - thời gian cũng chính là đồ thị li độ - thời gian.

Khái niệm:

Dao động điều hòa là dao động tuần hoàn mà li độ của vật dao động là một hàm cosin (hoặc sin) theo thời gian. 

 4. Pha dao động, độ lệch pha, tần số góc

Pha dao động là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái của vật trong quá trình dao động.

Khi xét hai dao động cùng chu kì (cùng tần số), ta thường quan tâm đến độ lệch pha giữa chúng.

Quan sát Hình 1.7, so sánh biên độ và li độ của hai dao động 1 và 2 tại mỗi thời điểm.

        Hai dao động 1 và 2 có cùng biên độ A

        Tại thời điểm t = 0, vật 1 đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương của trục toạ độ. Sau một khoảng thời gian ngắn nhất ∆t, vật 2 mới đạt được trạng thái tương tự

Khái niệm:

Độ lệch pha giữa hai dao động điều hòa cùng chu kì (cùng tần số) được xác định theo công thức

Ví dụ: Xác định độ lệch pha giữa hai dao động trong Hình 1.9

Trong quá trình dao động, vật thứ nhất đi qua vị trí biên thì vật thứ hai đi qua vị trí cân bằng. Nghĩa là khoảng thời gian ngắn nhất để 2 vật có cùng trạng thái dao động là Δt
 = T/4