tính quãng đường trong dao động điều hòa

CÁC ỨNG DỤNG GIẢI TÍCH TRONG VẬT LÝ BÀI TOÁN TÍNH QUÃNG ĐƯỜNG TRONG DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA Để phân biệt được dao động cơ học với các dạng chuyển động cơ học khác ngoài những vấn đề rất cơ bản

CÁC ỨNG DỤNG GIẢI TÍCH TRONG VẬT LÝ BÀI TOÁN TÍNH QUÃNG ĐƯỜNG TRONG DAO ĐỘNG

ĐIỀU HÒA

Để phân biệt được dao động cơ học với các dạng chuyển động cơ học khác ngoài những vấn đề rất cơ bản về lí thuyết thì bài toán tìm quãng đường đi của vật dao động đều hoà

có vai trò rất quan trọng.

Thông thường,khi gặp bài toán này ta chia khoảng thời gian ra thành các phần nguyên của T/4 rồi đi tính từng đoạn.Cách này thường chỉ sử dụng trong các trường hợp đặc biệtmới có hiệu quả.

Xét bài toán tổng quát :tìm quãng đường mà một vật dao động đều hoà hay biến đổi đều nên không thể áp dụng theo quy luật:

xsin(t)

Đi được từ thời điểm t và 1 t 2

Vì dao đọng đều hoà không phải là chuyển động đều nên không thể áp dụng công thúc lớp 10 Để giải quyết bài toán này ta chia khoảng thời gian t t 1 t2thành những phần dt rất nhốa cho trong khoảng thời gian dt đó có thể coi vận tốc của vật:

,

os( t+ )

v x Ac   (2)

Là không đổi Trong khoảng thời gian này, quãng đường ds mà vật đi được là:

ds vdt Acos( t+ )  dt

Do đó, quãng đường S của vật từ thời điểm t đến thời điểm 1 t là:2

2 2

1 1

os( t+ )

SdsAc   dt (3) Tuy nhiên,việc tính (3) trong trường hợp tổng quát là không đơn giản

Đồ thị của (2)được biểu diễn trên hình vẽ

Theo ý nghĩa của phép tính tích phân quãng đường mà vật đi được chính bằng diện tích phần hình phẳng giới hạn bởi đồ thị (2),trục Ot và hai đường t=t và t=1 t2

Gọi t là thời điểm ngay sau 3 t vật có vận tốc bừng 0 ,1 t là thời điểm ngay sau trước 4 t2

vật có vận tốc bằng 0.Theo hình vẽ ta có :

S S t (1 t3)S t(3 t4)S t(4  t2) (4)

Đối với vật dao động đều hoà thì sau T/2 nó đi được quãng đường là 2A nên:

S t(3 t4) 2  A n (5)

Trong đó n là số bán chu kì mà vật đi được từ t đến 1 t 2

2 1 4 3

/ 2 / 2

t t

t t n





  

Mặt khác,sử dụng (3)ta có :

3

3 1 1

t

t t t

Và

2

4 2 4

t

t t t

Từ (4),(5),(6),(7) và (8) ta thu dược:

3 2

2 / 2

t t

T



Bây giờ ta đi xác định t và 3 t Muốn vậy trước hết ta đi tìm các thời điểm mà vật có 4

vậntốc bằng không:

os( t+ )=0c  

Hay: 1  

2



Hơn nữa,t và 3 t là thời điểm ngay sau và ngay trước của 4 t và 1 t nên:2

*t phải thoả mãn hệ :3

1

a k











(10)

*t phải thoả mãn hệ:4

4

1

a k











(11)

Như vậy,dựa vào (10) và(11) ta tìm được t và 3 t Nếu 4 t -2 t <T/2 thì n = 0.Trường hợp 1

đặc biệt thường gặp là  = 0,t =0 và 1 t = t.Khi đó, 2 t =T/4 nên3

S t(1 t3)A

Và (9) sẽ có dạng ;

4

2

2 / 2

t t

t

T

đồng thời (11)cũng sẽ đơn giản hơn

SAU ĐÂY TA XÉT CÁC BÀI TOÁN THÍ DỤ:

BÀI TOÁN 1:

Một vật dao động đều hoà có phương trình:x2sin(4t/ 6)(cm)

Tính quãng đường vật đi được từ lúc t1=1/12 s đến lúc t2=2 s

GIẢI

*Chu kì dao động : 2 1

2



*Số bán chu kì vật thực hiện được:

1

4

n



    

 

(lấy phần nguyên)

*Quãng đường

S t(3 t4) 2  A n28cm

*Thời điểnm vật có vận tốc bằng không:

1( ) 1 ( )

k



Tìm t3:t3 thoả mãn hệ :

3

k







 Nên k3 =0 và t3=t1=1/12(s)

*Quãng đường S t(1 t3) 0

*Tìm t4 dựa vào hệ:

4

1

2

4

k







 Nên k4=7 và t4=11/6(s)

*Quãng đường

2 4

45

2 sin sin(8 )

sin( ) sin 3

t t

cm



*Quãng đướng=31 cm

BÀI TOÁN 2

Một vật chuyển động theo quy luật:x2sin 2t(cm)

Tính quãng đường của nó sau thời gian t=2,875 s kể từ lúc bắt đầu chuyển động GIẢI(Tóm tắt)

*Chu kì dao động T 2 1s



Số bán chu kì:

2,875 5,75 5

1 2

n

Quãng đường S t(3 t4) 2 An20cm

*Thời điểmvật có vận tốc bằng 0:

1

4 2

k

t  

*Vì 0và t1=0 nên t3=T/4 và S t(1 t3) A 2cm

*Thời điểm t4 thoả mãn:

4

1

2,875

4

k







 Nên k4 =5 và t4=11/4s

*Quãng đường :

4 2 2,87511

4

*Do đó S=20+20+0,6=22,6 cm

Qua bài toán tổng quát và mấy ví dụ trên chúng ta có thể đưa ra phương pháp chung để giải các bài toán loại này:

1Căn cứ vào phương trình dao động ,xác định các đại lượng A, , và T

2Tính số bán chu kì mà vật thực hiện được trong khoảng thời gian t2-t1

G