Dao động cơ học là gì? Công thức và bài tập 

Chuyên đề dao động cơ học là một phần quan trọng của chương trình Vật lý phổ thông, có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và kỹ thuật. Việc nắm vững lý thuyết và công thức về dao động cơ là vô cùng cần thiết đối với các bạn học sinh lớp 12. Trong bài viết dưới đây chúng mình đã tổng hợp lại công thức và sơ đồ tư duy chương giao động cơ nhằm giúp các bạn học sinh dễ dàng ôn tập.  

dao động cơ học là gì

Dao động cơ học là gì?

Giao động cơ học là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp đi lặp lại quanh một vị trí cân bằng xác định. Một vật được coi là đang dao động cơ học khi nó chuyển động qua lại quanh một vị trí cố định. 

Ví dụ, con lắc đồng hồ dao động quanh vị trí cân bằng là vị trí ở giữa điểm cao nhất và điểm thấp nhất. Sóng âm dao động quanh vị trí cân bằng là áp suất của không khí.

Các đặc điểm cơ bản của giao động cơ học bao gồm:

• Vị trí cân bằng: là vị trí mà lực tác dụng lên vật bằng không. 
• Vị trí biên: là vị trí mà vật thể cách vị trí cân bằng một khoảng lớn nhất.
• Lượng biến thiên: là khoảng cách giữa vị trí cân bằng và vị trí biên.
• Pha dao động: là góc giữa li độ và thời gian.

Giao động cơ học có thể được phân loại thành hai loại chính:

• Dao động tự do: là dao động mà vật thể dao động mà không cần có bất kỳ tác động nào từ bên ngoài. Ví dụ, dao động của con lắc đồng hồ là dao động tự do.
• Dao động cưỡng bức: là dao động mà vật thể dao động do tác động của một lực bên ngoài. Ví dụ, dao động của một chiếc xe trên đường là dao động cưỡng bức.

👉 Xem thêm: Đề thi thpt quốc gia 2024 môn lý mới nhất
👉 Xem thêm: Đề thi thử thpt quốc gia 2024 môn lý mới nhất
👉 Xem thêm: Tài liệu ôn thi thpt quốc gia 2024 môn lý chuẩn xác nhất
👉 Xem thêm: Cấu trúc để thi lý thpt quốc gia 2024 chuẩn nhất  

Dao động điều hòa là một loại dao động cơ học đặc biệt mà trong đó li độ của vật thể biến thiên theo hàm sin hoặc cosin của thời gian. Dao động điều hòa có một số đặc điểm nổi bật:

• Chu kì: là khoảng thời gian để vật thể hoàn thành một dao động hoàn chỉnh.
• Tần số: là số dao động mà vật thể thực hiện trong một giây.
• Tốc độ góc: là tốc độ biến đổi của pha dao động.

Dao động cơ học có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và kỹ thuật. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

• Đồng hồ: Dao động của con lắc đồng hồ được sử dụng để đo thời gian.
• Đàm thoại điện thoại: Dao động của sóng âm được sử dụng để truyền tín hiệu thoại.
• Sóng radio: Dao động của sóng điện từ được sử dụng để truyền tín hiệu radio.
• Sóng cơ: Dao động của sóng cơ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như âm học, thủy lực và địa chấn học.

Giao động cơ học là một hiện tượng vật lý quan trọng có nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật. Hiểu được các khái niệm và nguyên lý cơ bản của giao động cơ học sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh và ứng dụng các giao động cơ học vào cuộc sống.

Công thức dao động cơ học 

1. Phương trình dao động điều hòa

x = A.cos(ωt + φ)

Trong đó:

x: là li độ (toạ độ) của vật; cho biết độ lệch và chiều lệch của vật so với VTCB. Đơn vị: m, cm

A: Là biên độ của vật cho biết độ lệch cực đại của vật so với VTCB. Hay, A chính là độ lệch cực đại của vật. Đơn vị: m, cm

(ωt + φ) (rad): Là pha của dao động của vật tại thời điểm t; cho biết trạng thái dao động của vật ở thời điểm t.

φ (rad): Là pha ban đầu của dao động cho biết trạng thái ban đầu của vật.

ω (rad/s): Là tần số góc của dao động điều hoà; cho biết tốc độ biến thiên góc pha

2. Chu kì, tần số trong dao động điều hòa

Tần số f (Hz): f=1T

Mối liên hệ giữa tần số góc, chu kì và tần số trong dao động điều hòa: ω=2πT=2π.f

3. Vận tốc trong dao động điều hòa

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

v = x' = - ωAsin(ωt + φ) = ω A.cos(ωt + φ + π2)

Vận tốc của vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa cùng tần số nhưng sớm pha hơn π2 so với với li độ.

Các vị trí đặc biệt của vận tốc:

Ở vị trí biên (x = ± A): Độ lớn vận tốc của vật là: |v|= 0

Ở vị trí cân bằng (x = 0): Độ lớn vận tốc của vật là: |v| = ωA.

Giá trị đại số:

vmax = ωA khi v > 0 (vật qua VTCB theo chiều dương)

vmin = - ωA khi v < 0 (vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm)

4. Gia tốc trong dao động điều hòa

Gia tốc là đạo hàm bậc nhất của vận tốc (đạo hàm bậc 2 của li độ) theo thời gian:

a = v' =  x’’ = - ω2A.cos(ωt + φ) = - ω2x

Gia tốc của vật dao động điều hòa biến thiên điều hòa cùng tần số nhưng ngược pha với li độ (sớm pha π2 so với vận tốc)

Véc tơ gia tốc của vật dao động điều hòa luôn hướng về vị trí cân bằng và tỉ lệ với độ lớn của li độ. 

Các vị trí đặc biệt của gia tốc

Ở vị trí biên (x = ± A): gia tốc có độ lớn cực đại : |a|max = ω2A.

Giá trị đại số: amax= ω2A khi x = - A; amin= - ω2A khi x = A;.

Ở vị trí cân bằng (x = 0): gia tốc bằng 0.

5. Lực trong dao động điều hòa

Fhp = - k.x

6. Năng lượng trong dao động điều hòa

Thế năng trong dao động điều hòa: Wt = 12.m.ω2.x2

Động năng trong dao động điều hòa: Wđ = 12.m.v2

Cơ năng của dao động điều hòa: W = Wđ + Wt = const

Kinh nghiệm học phần dao động cơ học

Học sinh cần nắm vững các khái niệm cơ bản như vị trí cân bằng, vị trí biên, lượng biến thiên, pha dao động,... và tìm hiểu thêm các định luật và phương trình liên quan đến dao động cơ học, chẳng hạn như định luật Hooke, phương trình động lực học của dao động điều hòa,... Học sinh có thể hệ thống hóa kiến thức lý thuyết đã học bằng sơ đồ tư duy để dễ dàng ghi nhớ hơn.  

Việc làm bài tập thường xuyên cũng là một cách hiệu quả để củng cố kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải bài tập. Học sinh nên làm nhiều bài tập khác nhau, bao gồm cả bài tập trắc nghiệm và bài tập tự luận. Khi làm bài tập, học sinh cần chú ý phân tích đề bài, xác định phương pháp giải và kiểm tra lại kết quả. 

Bài tập dao động cơ học

👉 Xem thêm: 100 bài tập dao động cơ mới nhất 

kinh nghiệm học phần giao động cơ học

Hy vọng rằng với những kiến thức và kinh nghiệm mà chúng mình đã chia sẻ các bạn có thể học tập tốt và đạt kết quả cao trong kỳ thi sắp tới.