Tải bản đầy đủ

SKKN sáng kiến kinh nghiệm sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động vật lý 12

Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Hiện nay với việc chuyển đổi từ hình thức thi tự luận sang thi trắc nghiệm trong
các kì thi yêu cầu học sinh không những nắm chắc kiến thức cơ bản mà cần có óc suy
luận tốt, đủ thời gian giải bài tập cho kết quả chính xác. Vì vậy, việc sử dụng phương
pháp nào sao cho nhanh nhất để có kết quả chính xác cao là điều mà giáo viên và các
em học sinh rất chú trọng.
Trong chương trình vật lý phổ thông, dao động (dao động cơ, dao động điện,
dòng điện xoay chiều, điện tích hay điện áp trên tụ điện của mạch LC…) là phần kiến
thức quan trọng thể hiện ở dung lượng lớn, có mặt trong tất cả các cấu trúc đề thi với
số lượng câu hỏi khá lớn, đặc biệt là đề thi tốt nghiệp THPT và đề thi ĐH&CĐ
Các bài toán đặc thù về dao động điều hòa đều có thể giải bằng 3 phương pháp:
đại số, phương pháp vectơ quay, phương pháp đồ thị. Tuy nhiên mỗi bài ưu tiên một
phương pháp nào đó hơn tùy thuộc vào dữ kiện của bài toán và sở trường tư duy của
từng người.
Phương pháp sử dụng giản đồ vectơ quay để giải các bài tập về dao động là
phương pháp mang tính tổng quát cao, dễ vận dụng, cho kết quả nhanh và chính xác,
tránh được các phép tính dài dòng phức tạp.
Xuất phát từ vị trí và ý nghĩa thiết thực của phương pháp sử dụng giản đồ vectơ
quay nên tôi chọn đề tài: “ Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao

động Vật lý 12”, nhằm giúp cho học sinh có thể nắm được phương pháp và từ đó
chủ động vận dụng trong khi làm bài tập.

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 1


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:
1. Cơ sở lý luận:
* Kiến thức liên quan đến mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn
đều được đưa ra trong sách giáo khoa Vật lý 12 ( bài 6- chương trình nâng cao và bài
1 – chương trình chuẩn); sách Bài tập Vật lý 12 (chương trình chuẩn và nâng cao) và
ở một số sách tham khảo.
* Số tiết bài tập vận dụng trên lớp thực hiện theo Phân phối chương trình không
nhiều nên học sinh không được luyện tập nhiều bài tập dạng này.

2. Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài:
2.1. Cơ sở lý thuyết
Để biểu diễn dao động điều hòa x  A cos(t   ) (*) người ta dùng một
vectơ OM ( hoặc vectơ quay ) có độ dài là A (biên độ), quay đều quanh điểm O
trong mặt phẳng chứa trục Ox với tốc độ góc là .
M (t  0)

O

t

P

+

M (t =0)

x

Ở thời điểm ban đầu t = 0, OM hợp với trục gốc Ox một góc bằng pha ban đầu .
Ở thời điểm t, góc giữa trục Ox và OM là t   , góc đó chính là pha của dao

động.
Độ dài đại số của hình chiếu vectơ quay OM trên trục Ox sẽ là:
chx OM = OP  A cos(t   )
đó chính là biểu thức trong vế phải của (*) và là li độ x của dao động.
Như vậy: Độ dài đại số của hình chiếu trên trục x của vectơ quay OM biểu
diễn dao động điều hòa chính là li độ x của dao động.
(theo SGK Vật lý 12 Nâng cao – Nhà xuất bản Giáo dục)
GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 2


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

* Chú ý:
 Vị trí của vật trên trục dao động chính là hình chiếu ngọn của


trên trục Ox

chỉ quay theo một chiều duy nhất là chiều ngược chiều kim đồng hồ

2.2. Các dạng bài tập:
A. Dạng 1: Sử dụng vectơ quay để xác định khoảng thời gian vật thực hiện một
quá trình:
A.1. Phƣơng pháp giải
Bƣớc 1. Xác định vị trí của điểm đầu M1 và cuối M2 trên đường tròn.
Bƣớc 2. Xác định góc quét  của vectơ quay biểu diễn dao động khi vật đi từ M1 đến
M2.

 



.

t


t


T
Bƣớc 3. Thời gian vật thực hiện quá trình là:
 2
A.2. Bài tập vận dụng:
Bài tập 1: Định thời gian theo li độ

Một


vật dao động điều hoà với phương trình x = 5cos(8 t + )cm. Xác định thời gian
3

ngắn nhất vật đi từ li độ 2,5cm đến li độ -2,5 3 cm?
* Giải:
Thời gian ngắn nhất vật đi từ li độ 2,5cm đến li độ
-2,5 3 cm tương ứng với vật chuyển động trên
đường tròn từ vị trí M1 đến vị trí M2 (vận tốc
trên trục x chưa đổi chiều):

M1

M2
-5




-2,5 3 O



5
2,5

x

2,5
  
6
5
2,5 3
sin  
 
3
5
sin  

     2

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 3


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Thời gian vật ngắn nhất vật đi từ M1 đến M2 là



1
t   2  ( s )
 8 16

Bài tập 2: Định thời gian theo lực
Con lắc lò xo dao động điều hòa theo phương thẳng đứng với phương trình
x = 5cos(5t + ) (cm) (gốc tọa độ ở vị trí cân bằng, chiều dương hướng xuống).
Biết độ cứng của lò xo là 100N/m và gia tốc trọng trường tại nơi đặt con lắc là
g = 2 (m/s2). Trong một chu kì, tìm khoảng thời gian lực đàn hồi tác dụng lên quả
nặng có độ lớn lớn hơn 1,5N ?

2
 0,04m
* Giải: Tại vị trí cân bằng, độ dãn của lò xo là: l  2 

(5 ) 2
g

Độ lớn

lực đàn hồi tác dụng lên quả nặng:

F  k (l  x)  kl  kx  100.0,04  100.0,05 cos(5t   )  4  5 cos(5t   ) ( N )

M2

 1 1,5

4



F
9

M1

Nhận xét: lực đàn hồi biến thiên điều hòa với biên độ 5N xung quanh vị trí cân bằng
có F = 4N. Ta biểu diễn lực đàn hồi qua vectơ quay như sau
Khoảng thời gian lực đàn hồi tác dụng lên quả nặng có độ lớn lớn hơn 1,5N tương
ứng với thời gian vật chuyển động từ M1 đến M2 trên đường tròn. Góc do vectơ quay
quét được trong thời gian đó là:
2,5

 
5
3
2 4
  2 

3
3
cos  

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 4


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Thời gian cần tìm:

4

3  4 (s)
t  
 5 15

Bài tập 3: Định thời gian theo vận tốc
Một vật dao động điều hoà với chu kì 2s biên độ bằng 5cm. Tính thời gian ngắn nhất
để vật tăng tốc từ 2,5 cm/s đến 5 cm/s?
* Giải: Tốc độ cực đại: vmax  A  5.

2
 5 (cm / s ) . Đây là biên độ của vận tốc.
2

Thời gian ngắn nhất để vật tăng tốc từ 2,5 cm/s đến 5 cm/s tương ứng với thời gian
vật chuyển động trên đường tròn từ vị trí M1 đến vị trí M2 :
cos 

Thời gian:

t 

2,5

 
5
3



M2

2,5

O




1
 3  (s)
 
3

v

5

M1

Bài tập 4: Định thời gian theo năng lượng
Một vật dao động với phương trình x = 2cos3t (cm). Tính thời gian ngắn nhất để
vật đi từ vị trí có động năng bằng thế năng đến vị trí động năng bằng 3 lần thế năng?
* Giải: Đối với dạng toán này ta nên đưa về tính theo li độ.
Tại vị trí có động năng bằng thế năng: W = Wđ + Wt = 2Wt


1
1
A
mω 2 A 2  2 mω 2 x 12  x 1  
2
2
2

Tại vị trí có động năng bằng ba lần thế năng: W = Wđ + Wt = 4Wt


1
1
A
mω 2 A 2  4 mω 2 x 22  x 2  
2
2
2

Thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có x 1  

A
2

M2


A
GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh



A
2



M1


A
2

x 5
A Trang


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

đến x 1  

A
tương ứng với thời gian vật chuyển
2

động trên đường tròn từ vị trí M1 đến vị trí M2 :
A
sin  

A

2   

4

A

2  
6
A
      5 12
sin  

Thời gian:

5

5
t   12  ( s )

3
36

A.3. Bài tập đề nghị:
Bài 1: Một vật dao động với tần số 2Hz và biên độ 4cm. Tính thời gian ngắn nhất để
vật đi giữa 2 li độ 2cm và -2 3 cm ?

Đs:

1
s
8

Bài 2: Một vật dao động điều hoà có vận tốc khi đi qua vị trí cân bằng là 6 cm/s
Tính thời gian ngắn nhất để vật thay đổi vận tốc từ 3 2 (cm/s) đến 3 3 (cm/s) ?
Đs:

T
s
24

Bài 3: Một vật dao động với phương trình x = 2cos3t (cm). Tính thời gian ngắn
nhất để vật đi từ vị trí ban đầu đến vị trí động năng bằng 3 lần thế năng?
Đs:

1
s
18

Bài 4: Con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm lò xo có độ cứng K = 100N/m. Vật có khối
lượng 0,5 kg dao động với biên độ 5 2 cm. Tính thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị
trí có lực tác dụng lên điểm treo cực đại đến vị trí lực tác dụng lên điểm treo cực
tiểu? Lấy g = 10m/s2.
Đs: 0,17s
B. Dạng 2: Sử dụng vectơ quay xác định thời điểm vật qua một vị trí cho trước:

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 6


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

B.1. Phƣơng pháp giải
M1


x1

M0

O

x

M2

Bƣớc 1. Cần xác định chính xác vị trí của vật ở thời điểm ban đầu trên đường tròn (vị
trí M0).
Bƣớc 2. Xác định vị trí có tọa độ x1 mà vật sẽ đi qua theo bài ra trên đường tròn (vị
trí M1 hoặc M2)
Chú ý: Vị trí có toạ độ x = x1 tương ứng có 2 vị trí trên đường tròn, vị trí đó khi vật
đang đi theo chiều âm (M1) và vị trí đó khi vật đang đi theo chiều dương (M2).
Bƣớc 3. Nếu tìm thời điểm qua x1 theo chiều âm ta làm như sau:
Xác định khoảng thời gian vật đi từ vị trí M0 tới M1 lần đầu tiên từ công thức:

  .t  t 




Trong đó là góc mà véc tơ quay biểu diễn dao động điều hoà đã quét được khi vật
di chuyển từ vị trí M0 đến M1.
Bƣớc 4. Thời điểm cần tìm là:

t  t 

2n



(n  N )(1)

Bài toán thường gặp: Vật đi qua vị trí x = x1 lần thứ k theo chiều âm
Trong biểu thức (1) lấy n = k-1.
* Chú ý:
- Nếu tìm thời điểm qua x1 theo chiều dương ta làm tương tự chỉ khác là khoảng thời
gian
là khoảng thời gian từ vị trí đầu M0 đến vị trí M2 trên đường tròn.
- Trường hợp bài toán không kể đến chiều chuyển động của vật khi qua vị trí x 1 thì
phức tạp hơn. Tuy vậy có thể tìm ra quy luật xác định sau:
 Nếu bài toán là: Tìm thời điểm vật đi qua vị trí có li độ x1 lần thứ n với n
GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 7


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

là số lẻ thì thời điểm cần tìm là:

n  1 2
.
(n  N )( 2)
2 

t  t 
Trong đó

là khoảng thời gian vật đi từ vị trí ban đầu M0 đến vị trí M1.

Giải thích biểu thức:
- Trong khoảng thời gian
vật tới M1 nghĩa là qua x1 lần thứ nhất. Để vật qua x1 lần
thứ n = 3 thì véctơ bán kính phải quay được 1 vòng. Thời gian vật đi khi véc tơ quay
3  1 2
.
được 1 vòng đúng bằng
. Để vật qua vị trí x1 lần thứ n = 5 thì véctơ bán
2 
kính phải quay thêm 2 vòng kể từ thời điểm t = . Khoảng thời gian cần dùng để véc
5  1 2
.
tơ bán kính quay thêm hai vòng này là:
. Vậy công thức (2) là hoàn toàn
2 
chính xác.
 Nếu bài toán là: Tìm thời điểm vật đi qua vị trí có li độ x1 lần thứ n với n là
số chẳn thì thời điểm cần tìm là:

t  t 

n  2 2
.
(n  N )(3)
2


Trong đó
là khoảng thời gian vật đi từ vị trí ban đầu M0 đến vị trí M2.
Giải thích biểu thức:
- Trong khoảng thời gian
vật tới M2 nghĩa là qua x1 lần thứ hai. Để vật qua x1 lần
thứ n = 4 thì véc tơ bán kính phải quay được 1 vòng . Thời gian vật đi khi véctơ quay
4  2 2
.
được 1 vòng đúng bằng:
. Để vật qua vị trí x1 lần thứ n = 6 thì véctơ bán
2

kính phải quay thêm 2 vòng kể từ thời điểm t = . Khoảng thời gian cần dùng để véc
6  2 2
.
tơ bán kính quay thêm hai vòng này là:
. Vậy công thức (3) là hoàn toàn
2

chính xác.
B.2. Bài tập ví dụ:
Bài tập 1: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  6 cos(2t 


3

)(cm)

Xác định thời điểm vật qua vị trí x=-3cm lần thứ 2011 theo chiều âm.
* Giải:
GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 8


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12



Tại thời điểm ban đầu t = 0, tọa độ vật là x  6 cos( )  3(cm) .

3

Vị trí ban đầu trên đường tròn là M0
Vị trí vật qua x = -3cm theo chiều âm là vị trí M1 trên đường tròn.
Thời gian vật đi từ M0 đến M1 là t 






M1

M0



3

Với   2 (rad / s) ; sin    
2 6
3

-6

6
-3 O

x

3



3  1 (s)
Suy ra t  
 2 6
Vì vật qua lần thứ 2011 nên ta có n =2010
Thay số ta được: t  t 

2n





1 2.2010 .

 2010 ,167 ( s )
6
2

Bài tập 2: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  10 cos(5t 


6

)(cm) .

Xác định thời điểm vật qua vị trí x = -5 2 cm lần thứ
2012 theo chiều dương?
* Giải: Tại thời điểm ban đầu t = 0, tọa độ vật là x  10 cos(


6

)  5 3 (cm) .

Vị trí ban đầu trên đường tròn là M0
Vị trí vật qua x = -5 2 cm theo chiều dương là
vị trí M1 trên đường tròn.

5 3
5 2
sin  
    ; cos 
 
3
4
10
10
   13
    
3 2 4 12



2
- 10 -5
 O

M0



10
5 3

x

M1

13


t

 12  13 ( s)
Thời gian vật đi từ M0 đến M1 là
60
 5

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 9


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Vì vật qua lần thứ 2012 nên n =2011
Thay số ta được: t  t 

2n





13 2.2011 .

 2011,217 ( s )
60
2

Bài tập 3: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  6 cos(2t 


3

)(cm)

Xác định thời điểm vật qua vị trí x = -3cm lần thứ 2011.
* Giải:
Làm hoàn toàn tương tự như bài tập 1.
Vật qua lần thứ n = 2011 là số lẻ nên kết quả là :

t  t 

n  1 2 1 2011  1 2
.
 
.
 1005 ,167 ( s )
2 
6
2
2

Bài tập 4: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  10 cos(5t 


6

)(cm) .

Xác định thời điểm vật qua vị trí x = -5 2 cm lần thứ
2012?
* Giải:
Làm hoàn toàn tương tự như bài tập 2.
Vật qua lần thứ n = 2012 là số chẵn nên kết quả là :

t  t 

n  2 2 13 2012  2 2
.


.
 402,217 ( s )
2
 60
2
5

B.3. Bài tập đề nghị:
Bài 1: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  10 cos(5t 
Xác định thời điểm vật qua vị trí x = 5 3 cm lần thứ 1001?


4

)(cm)

Đs: 200,017s

Bài 2: Một vật dao động điều hòa dọc theo trục x theo phương trình

x  5 cos(2t 



6

)(cm) . Tìm thời điểm vật qua vị trí x = 2,5 2 cm lần thứ 1999

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 10


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

theo chiều dương?

Đs: 1998,96s

Bài 3: Cho một dao động điều hoà có phương trình: x  6 cos(5t 



2

)(cm)

Xác định thời điểm vật qua vị trí x = 3 3 cm lần thứ 2012 theo chiều âm?
Đs: 804,33s
C. Dạng 3: Sử dụng vectơ quay tính tần suất của dao động:
Do tính tuần hoàn của dao động điều hoà nên một vị trí bất kỳ có thể được vật
đi qua nhiều lần. Trong dạng này ta tìm số lần vật đi qua một toạ độ hoặc trạng thái
nào đó bao nhiêu lần trong một khoảng thời gian nhất định
C.1. Phƣơng pháp
Trước khi tìm hiểu chi tiết phương pháp giải toán dạng này ta có các nhận xét sau
- Mỗi 1 chu kỳ vật qua vị trí bất kỳ 2 lần (riêng với điểm biên thì 1 lần). Mỗi
một chu kỳ vật đạt vận tốc v hai lần ở 2 vị trí đối xứng nhau qua vị trí cân
bằng và đạt tốc độ v bốn lần mỗi vị trí 2 lần do đi theo 2 chiều âm, dương.
- Mỗi chu kỳ lực đàn hồi cực đại 1 lần ở 1 biên và cực tiểu 1 lần ở biên kia nếu

l (ở vị trí cân bằng ) lớn hơn A và đạt cực tiểu( bằng không) 2 lần ở một vị trí
x = - l nếu l < A.
- Mỗi chu kì lực phục hồi (hợp lực) cực đại 2 lần ở 2 biên và cực tiểu (bằng
không) 2 lần ở vị trí cân bằng .
- Đối với gia tốc thì kết quả như với li độ
- Chú ý: Nếu t = 0 tính từ vị trí khảo sát thì cả quá trình được cộng thêm một
lần vật đi qua li độ, vận tốc… đó
*Phƣơng pháp:
 Bước 1: Vẽ đường tròn Fresnen bán kính A
 Bước 2: Xác định tọa độ ban đầu của vật , suy ra vị trí của M0 trên đường tròn
và tọa độ góc của véc tơ quay OM 0 (0).

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 11


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

 Bước 3: Xác định vị trí đề bài cho (x) trên giản đồ  tọa độ góc của véc tơ
quay ứng với vị trí đề bài cho 
 Bước 4: Dựa vào khoảng thời gian đề bài cho, lập biểu thức t = nT + t’.
Trong đó n là số tự nhiên, t’ gọi là khoảng thời gian dư  số lần cần tìm N =
2.n +N’ (N’ là số lần qua vị trí x trong thời gian t’)
 Bước 5: Tính N’
- Từ t’  cung tròn bán kính quỹ đạo quét được trong khoảng thời gian dư
(cung dư) t’:  = t’.  từ đó  vị trí cuối quá trình  = 0 + 
- Đếm số giao điểm của cung dư với vị trí đề bài cho
- Nếu khi t = 0 vật xuất phát từ vị trí x0 khác x thì N’ = số giao điểm nói trên
- Nếu khi t = 0 vật xuất phát ngay từ x 0 = x thì N’ = số giao điểm trên cộng thêm
1.
C.2. Bài tập vận dụng:
Bài tập 1: Định tần suất theo li độ
Một con lắc dao động với phương trình x = 3cos(4t- /3)(cm). Xác định số lần vật
qua li độ x = 1,5cm trong 1,2s đầu?
* Giải:
Vị trí ban đầu của vật ứng với tọa độ góc - /3
trên giản đồ hình (điểm B)

M

A

Mặt khác ta cần tìm số lần đi qua li độ 1,5cm ứng
với 2 điểm A,B.
Ta có t = 1,2 s; T = 0,5s  t = 2T + 0,2 (s)
 N = 2.2 + N’(1)
Tính N’

B
H×nh 7.2

Độ lớn cung dư BM:  = 4.0,2 = 0,8  cung dư đi qua A 1 lần
Do khi t = 0 vật đã xuất phát từ x0 = x = 1,5 cm nên N’ = 1+ 1 = 2.
Thay vào (1) ta có N = 6

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 12


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Bài tập 2: Định tần suất theo vận tốc
Một vật dao động với phương trình x = 4cos3t cm. Xác định số lần vật có tốc độ
6 cm/s trong khoảng 1,25 s đầu tiên.
* Giải : Lúc t = 0 : x = 4 cm = A => v = 0 , tương ứng là điểm B trên hình.
Tốc độ cực đại của vật : vmax = A = 4.3 = 12 (cm/s)
Số lần vật có tốc độ 6 cm/s ứng với 4 điểm M, N, P, Q
trên hình vẽ.
Ta có

M
2
t = 1,25 s; T = s  t = 1T + 0,875.T (s)
3

 N = 1.4 + N’(1)
Độ lớn cung dư BI:  =

-6

B

Q


6

I

6

-12
2
. 0,875T = 1,75
T

12

N

 cung dư đi qua M, N, P 1 lần

v

P

Thay vào (1) có : N = 4 + 3 = 7
Bài tập 3: Định tần suất theo năng lƣợng
Một con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm vật nặng 200g và lò xo có độ cứng
K = 50N/m. Xác định số lần động năng bằng thế năng trong 1,5s đầu. Biết t = 0 khi
vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương. Lấy 2= 10.
* Giải :
Tại vị trí có động năng bằng thế năng: W = Wđ + Wt = 2Wt


1
1
A
mω 2 A 2  2 mω 2 x 12  x 1  
2
2
2

Số lần vật có động năng bằng thế năng ứng với 4 điểm M, N, P, Q trên hình vẽ.
Ta có t = 1,5 s; T = 2

m
0,2
 2
 0,4 s
k
50

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 13


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

P

 t = 3T + 0,75T (s)
 N = 3.4 + N’(1)

I
-A

2
. 0,75T = 1,5
Độ lớn cung dư BI:  =
T

N



A

A

2

2

Q

 cung dư đi qua M, N, P 1 lần

x

A
M

B

Thay vào (1) có : N = 3.4 + 3 = 15
Bài tập 4: Định tần suất theo lực
Con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm lò xo có độ cứng K = 100N/m. Vật có khối lượng
0,1 kg dao động với biên độ 2 cm. Biết lúc t = 0 vật ở vị trí thấp nhất. Tính số lần
lực tác dụng lên điểm treo cực tiểu trong khoảng thời gian từ t = 0,5s đến
t = 1,25 s ?
* Giải :
Lực tác dụng lên điểm treo chính là lực đàn hồi.
Tần số góc :  

k
100
2

 10 (rad / s)  T 
 0,2s
m
0,1
10

Tại vị trí cân bằng, độ dãn của lò xo là: l 

mg 0,1.10

 0,01m
k
100

Lúc t = 0 ,vật ở vị trí thấp nhất x = A, tương ứng với điểm B trên đường tròn
Do l  A nên Fmin = 0 khi x = - l = -1cm ( lò xo không biến dạng ), tương ứng với
điểm M, N trên đường tròn
Lúc t = 0,5s, góc quay của vectơ là  = 10 . 0,5 = 5, tức là quay qua N 2 lần, qua
M 3 lần

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 14


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Lúc t = 1,25 s = 6T + 0,25T
 N = 6.2 + N’ – 5 (1)

2
. 0,25T = 0,5
Độ lớn cung dư BI:  =
T
 cung dư không đi qua P, Q
Thay vào (1) có : N = 6.2 + 0 - 5 = 7

I
P
 2

-1

2
B

x

Q

C.3. Bài tập đề nghị:
Bài 1. Một vật dao động với cơ năng toàn phần bằng 0,025J thời gian để vật thực
hiện tăng tốc từ không đến cực đại là 0,125s Tìm số lần vật có thế năng bằng
6,25.10-3 J trong 3,125 s đầu ? Cho t = 0 khi vật có li độ cực đại (13 lần)
Bài 2. Một con lắc lò xo có chiều dài tự nhiên 30cm treo ở một điểm cố định. Khi
vật ở vị trí cân bằng thì lò xo có chiều dài 34cm. Trong khoảng 1,14 s đầu lực tác
dụng lên điểm treo cực tiểu bao nhiêu lần? Biết biên độ dao động bằng 4 2 cm và t =
0 khi vật đi qua vị trí lò xo giãn 4 +4 2 cm.(Đs: 6 lần)
Bài 3. Xác định số lần cơ năng gấp 4 động năng trong 8,4s đầu? Biết phương trình
dao động: x = A cos(t + /3)cm. (Đs: 16 lần)

D. Dạng 4: Sử dụng vectơ quay tính quãng đường trong dao động điều hòa:
D.1. Phƣơng pháp
Một trong những thói quen đáng tiếc của đa số học sinh là thường xuyên sử dụng
công thức tính quãng đường S = v.t cho mọi chuyển động. Mặc dù công thức đó chỉ
đúng cho chuyển động đều. Do đó cần giúp các em học sinh khắc phục khuyết điểm
nói trên. Trước khi tìm hiểu phương pháp ta có một số nhận xét:
- Quãng đường đi trong một chu kỳ bằng 4A Do đó nếu t = nT thì S = 4nA
- Quãng đường vật đi trong nửa chu kỳ luôn bằng 2A, do đó nếu thời gian dao
động t = n. T/2 thì quãng đường vật đi được là S = n.2A
* Phƣơng pháp:
Bài toán yêu cầu tính quãng đường trong một khoảng thời gian từ t1 đến t2 ta thực
hiện các bước sau :
 Tính khoảng thời gian t = t2 – t1 so sánh với chu kỳ dao động T
 Thiết lập biểu thức: t = nT + 
Trong đó n nguyên ( n N) Ví dụ T =1s, t = 2,5s thì t =2.T +0,5
GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 15


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12



Quãng đường được tính theo công thức
S = 4nA + S
Tính S
+ Xác định trạng thái thứ nhất:
x1 = Asos(t1 + ); v1 = - Asin(t1 +  )
+ Và trạng thái thứ hai : x2 = Asos(t2 + ) ; v2 = - Asin(t2 +  )
(v1, v2 chỉ cần xác định dấu để biết chiều chuyển động)
+ Dựa vào v1 và v2 để tính S
Nếu:
- Nếu t = 0 lúc vật ở biên thì cứ T/4 thì vật
đi được quãng đường A. Ta có thể tính S
bằng cách phân tích t = n. T/4 + 
Nếu n lẻ thì S = n.A + A.sin  
còn n chẵn thì S = n.A + A.(1- cos   )
- Nếu t = 0 lúc vật ở vị trí cân bằng thì ta làm tương tự nhưng n lẻ thì áp dụng
công thức
S = n.A + A.(1- cos   )
n chẵn thì áp dụng công thức

S = n.A + A.sin  

D.2. Bài tập vận dụng:
Bài 1: Vật dao động điều hoà với chu kì T=2s, biên độ A=2cm. Lúc t = 0 nó bắt đầu
chuyển động từ biên. Sau thời gian t =2,25s kể từ lúc t= 0 nó đi được quãng đường
là bao nhiêu?
* Giải:
 t = 2,25s ; T = 2s  t = T + 0,25
Do vật xuất phát từ biên. Ta có S = 4. A + A(1 – cos()
Thay số: A = 2cm,  =  rad/s,  =0,25s
ta có:
S = 4.2 + 2(1 – cos 0,25) = (10 - 2 )cm

M

O

B
s x

Bài 2: Một vật dao động với biên độ 4cm và chu kỳ 2s. Mốc thời gian khi vật có động
năng cực đại và vật đang đi theo chiều dương. Tìm quãng đường vật đi được trong
3,25s đầu

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 16


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

* Giải:

t = 0 khi x = 0, v > 0.

Ta có t = 3,25s = 6.T/4 + 0,25s
Do vật xuất phát từ vị trí cân bằng và n chẵn nên :
S = n.A + A.sin   = 6.4 + 4 sin( .0,25) = 26,83 cm.
Bài 3: Một vật dao động điều hoà với phương trình: x = 6cos(4t + /3)(cm;s). Tính
quãng đường vật đi được từ lúc t = 1/24s đến thời điểm 77/48s
* Giải:
Lúc t = 0: x = 3cm; v < 0 ; chu kì T =

2
 0,5s
4

77 1

 1,5625 s = 3T + 0,0625 s
Ta có : t = t2 – t1 =
48 24

Quãng đường : S = 3.4.6 + S

1
Lúc t =
s thì x = 0 , v < 0
24
Lúc t =

B
M


s

O

x

77
s thì x =  3 2 cm , v < 0.
48

Vì vật chưa đổi chiều chuyển động nên S = A sin  
Vậy :

S = 3.4.6 + 6. sin (4. 0,0625) = 76,24 cm.

D.3. Bài tập đề nghị:
Bài 1. Một vật dao động điều hòa với biên độ bằng 3 cm. Khi t = 0 vật ở vị trí có
động năng bằng không. Tìm quãng đường vật đi được từ đó đến khi động năng bằng
một phần 3 thế năng lần thứ 3 ?
ĐS: (9 -1,5 3 )cm
Câu 2. Tìm quãng đường ngắn nhất để vật đi từ vị trí có pha bằng /6 đến vị trí lực
phục hồi bằng nửa cực đại ? Biết biên độ dao động bằng 3cm.
(ĐS : A)
A. 1.06cm
B.0.45cm
C. 0cm
D. 1,5cm
Câu 3. Một vật dao động theo phương trình x = 4cos(10t + /4) cm. t tính bằng
giây. Tìm quãng đường vật đi được kể từ khi vật có tốc độ 0,2 3 m/s lần thứ nhất
đến khi động năng bằng 3 lần thế năng lần thứ tư?
(ĐS : A)
A. 12cm
B. 8+ 4√3cm
C. 10+ 2√3cm
D. 16cm

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 17


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

E. Dạng 5 : Sử dụng vectơ quay tính quãng đường cực trị trong dao động điều
hòa:
E.1. Phƣơng pháp:
Ta đã biết trong dao động điều hòa vật chuyển động càng nhanh nếu vật chuyển
động càng gần vị trí cân bằng và chuyển động càng nhanh nếu vật chuyển động càng
gần biên do đó trong cùng một khoảng thời gian t ≤ T/2 vật chuyển động được
quãng đường dài nhất nếu vật chuyển động giữa 2 điểm đối xứng nhau
qua vị trí cân bằng.
Theo hình vẽ ta có:
Mà MOˆ N =

Smax = 2A.sin

 t thay vào (1) ta có:
Smax = 2A.sin

N

ˆ
MON
2

.t

. t

(1)

2

O

- Trường hợp tính quãng đường ngắn nhất trong
khoảng thời gian t thì vật đi từ một điểm đến biên
rồi quay lại chính điểm đó, tương tự trường hợp
cực đại ta có:
Smin = 2A(1- cos

M

.t
2

)

x

Smax

N

(2)

- Trường hợp tổng quát t >T/2 thì ta làm như sau :
T
+ Lập biểu thức : t =
+
2
ω.τ
+ Tính : Smax = 2A + 2A.sin
2
ω.τ
Smin = 2A + 2A(1- cos
)
2

O

. t
S min
2

x

M

E.2. Bài tập vận dụng:
Bài tập 1: Một vật dao động điều hòa với chu kỳ 2s, biên độ 4cm. Tìm quãng đường
dài nhất, ngắn nhất vật đi được trong khoảng thời gian 5/3s?
* Giải:
2
T
2
  (rad / s )
Ta có : t =
+
(s) ;  
T
3
2
3
 .2
Suy ra : Smax = 2A + 2A.sin
= 2.4 + 2.4.
= 14,93 cm
2.3
2
 .2
Smin = 2A + 2A(1- cos
) = 3.4 = 12 cm.
2.3

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 18


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

Bài tập 2: Một vật dao động điều hoà khi đi từ 2 vị trí có động năng bằng thế năng
mất thời gian ngắn nhất là 0,25s. Tính quãng đường cực đại khi vật đi trong khoảng
thời gian 2/3s? Biết 2 điểm xa nhau nhất khi vật dao động đi qua bằng 10cm.
* Giải:
Hai điểm xa nhau nhất khi vật dao động đi qua bằng 10cm: 2A = 10 => A = 5 cm.
Động năng bằng thế năng sau những khoảng thời gian ngắn nhất là
T
 0,25 s  T  1s
4
2
1
1
 2 (rad / s )
Ta có : t = +
(s) ;  
T
2
6
1
2 .1
Suy ra : Smax = 2A + 2A.sin
= 2.5 + 2.5. = 15 cm
2
2.6
E.3. Bài tập đề nghị:
Bài 1. Một vật dao động điều hòa trên quỹ đạo thẳng. Biết khoảng cách 2 điểm xa
nhau nhất bằng 5cm. Thời gian tối thiểu để vật tăng tốc từ không đến cực đại là 0,6s.
Tính quãng đường cực đại và cực tiểu vật đi được trong 0,4s?
ĐS: 2,5cm; 5(1-

3
)cm
2

Bài 2. Tính quãng đường cực đại trong khoảng thời gian bằng thời gian cần thiết để
động năng chuyển hóa hết thành thế năng? Biết biên độ dao động điều hoà bằng 4cm.
ĐS: 4 cm

2.3. Hiệu quả của đề tài
2.3.1. Kết quả:
Ưu điểm của phương pháp sử sụng giản đồ vectơ quay là đơn giản, dễ nhớ.
Do đó, sau khi hướng dẫn học sinh áp dụng giản đồ vectơ quay vào giải từng loại
bài tập cụ thể như trên, tôi nhận thấy các em học sinh thấy rõ hơn mối quan hệ giữa
dao động điều hòa và chuyển động tròn đều, từ đó tự tin vận dụng rất tốt để giải các
loại bài tập liên quan. Đặc biệt khi làm các bài tập trắc nghiệm, các em tìm ra kết
quả rất nhanh và chính xác, phát huy được khả năng phân tích, tổng hợp và tư duy
sáng tạo của các em.

2.3.2. Bài học kinh nghiệm
Phương pháp dùng vectơ quay để giải bài tập dao động đã giúp các em học
sinh khắc sâu có hiệu quả đặc tính của một dao động điều hòa. Những kiến thức này
các em đã được nghe giảng trong giờ học lý thuyết nhưng nếu không được hướng
dẫn phân tích, tổng hợp và áp dụng để tìm ra cách giải bài tập thì việc ghi nhớ kiến
thức là điều khó đối với các em.

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 19


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

III. KẾT LUẬN:
Với việc đưa ra phương pháp giải bài tập dao động bằng giản đồ vectơ quay đã
giúp các em học sinh chủ động hơn và tìm ra đáp án một cách nhanh nhất khi gặp
những bài tập dạng này. Từ đó kích thích khả năng tìm tòi sáng tạo của các em, hình
thành cho các em phương pháp phân tích, chọn lọc, tổng hợp trong quá trình tiếp thu
kiến thức.
Đề tài này còn có thể phát triển và vận dụng ở dạng bài tập sóng cơ (tìm biên độ,
độ lệch pha, bước sóng, tốc độ truyền sóng …). Do kinh nghiệm của bản thân còn
hạn chế nên chắc chắn rằng đề tài còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các quý thầy cô nhằm để được học hỏi thêm những kinh nghiệm
quí báu và góp phần nâng cao tính khả thi cho đề tài.

NÔNG CỐNG , ngày 10 tháng 5 năm 2013
NGƯỜI THỰC HIỆN

LƯU THỊ THUỲ LIÊN

XÁC NHẬN CỦA TỔ CHUYÊN MÔN
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

THỦ TRƢỞNG ĐƠN VỊ
(Ký tên, ghi rõ họ tên và đóng dấu)

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 20


Sử dụng giản đồ vectơ quay trong giải bài tập dao động Vật lý 12

GV:Lưu Thị Thuỳ Liên_ Trường THPT Triệu Thị Trinh

Trang 21



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×