Giáo án vật lý -Tiết 1:dao động tuần hoàn và dao động điều hòa –con lắc lò xo

Chương I: DAO ĐỘNG CƠ HỌC Tiết 1: DAO ĐỘNG TUẦN HOÀN VÀ DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA – CON LẮC LÒ XO I. Mục đích yêu cầu: - Phân biệt dao động, dao động tuần hoàn, dao động điều hòa. - Nắm được các khái niệm chu kì, tần số, li độ, biên độ và biểu thức chu kỳ (và tần số), của dao động điều hòa, chu kỳ của con lắc lò xo. * Trọng tâm: Dao động điều hòa; T, f () của dao động điều hòa; Chuyển động của con lắc lò xo. * Phương pháp: Pháp vấn, thực nghiệm. II. Chuẩn bị: - GV: lò xo, quả nặng; (hoặc dây cao su thay cho lò xo). - HS: xem sách GK. III. Tiến hành lên lớp: A. Ổn định: B. Kiểm tra: GV giới thiệu chương trình. C. Bài mới. PHƯƠNG PHÁP NỘI DUNG I/ * GV nêu ví dụ: gió rung làm bông hoa lay động; quả lắc đồng hồ đung I. DAO ĐỘNG: Dao động là chuyển động có giới hạn trong không đưa sang phải sang trái; mặt hồ gợn sóng; dây đàn rung khi gãy… * GV nhận xét: những ví dụ trên, ta thấy vật chuyển động trong một vùng không gian hẹp, không đi quá xa một vị trí cân bằng nào đó -> chuyển động như vậy gọi là dao động. gian, lặp đi lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằng. - Vị trí cân bằng thường là vị trí khi vật đứng yên. II/ * GV nêu ví dụ về dao động tuần hoàn: dao động của con lắc đồng hồ. * Hs nhắc lại ở lớp 10, các khái niệm, ký hiệu, đơn vị của: - Chu kỳ? (Là khoảng thời gian ngắn nhất vật thực hiện 1 lần dao động; [T], (s)) - Tần số? (Là số lần dao động vật quay được trong 1s. [n]: (Hz)) VD: 1 dao động -> T(s) f dao động <- 1(s)  f = ? II. DAO ĐỘNG TUẦN HOÀN: Dao động tuần hoàn: là dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp đi lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau. Chu kỳ: là khoảng thời gian ngắn nhất sau đó trạng thái dao động lặp lại như cũ (hay là khoảng thời gian để vật thực hiện được một lần dao động). Ký hiệu: T, đơn vị:s (giây) Tần số: là đại lượng nghịch đảo của chu kì, là số lần dao động trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu: f, đơn vị Hz (Hezt). Biểu thức: T 1f  III/ Xét con lắc lòxo: III. CON LẮC LÒ XO. DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA - Hs nhắc lại: bt đluật Hooke? bt đl II Newton? * Lưu ý: bt: F = -kx, trong đó: k: hệ số đàn hồi. x: độ dời của vật hay độ biến dạng. Dấu “-“ chỉ rằng lực đàn hồi luôn luôn hướng về vị trí cân bằng, nghĩa là khi chiếu lực lên trục x’x thì nó luôn ngược dấu với x. A. Con lắc lò xo: Xét con lắc lò xo gồm: một hòn bi có khối lượng m, gắn vào một lò xo có khối lượng không đáng kể, lò xo có độ cứng k. Cả hệ thống được đặt trên một rãnh nằm ngang, chuyển động của hòn bi là chuyển động không ma sát. - Chọn hệ trục x’Ox nằm ngang, chiều dương từ trái sang phải. Gốc tọa độ O là lúc hòn bi đứng yên (vị trí cân bằng). - Kéo hòn bi ra khỏi vị trí cân bằng (O) một khoảng x = A, làm xuất hiện một lực đàn hồi F có xu hướng kéo hòn bi về vị trí cân bằng. Khi buông tay, dưới tác dụng của lực đàn hồi F , hòn bi dao động quanh vị trí cân bằng (Ngoài ra còn xuất hiện hai lực cân bằng là trọng lực và phản lực của thanh ngang, hai lực này xuất hiện theo phương thẳng đứng không ảnh hưởng gì tới chuyển động của viên bi). Theo định luật Hooke, trong giới hạn đàn hồi: F = - kx (Dấu trừ chứng tỏ lực F luôn ngược chiều với độ dịch chuyển x của hòn bi) . Áp dụng định luật II Newton: F = ma => ma = - kx Đặt: m k m k  2 hay Vậy ta có pt: a = -2x (1) * Ta biết, theo định nghĩa thì: - Vận tốc tức thời: t xv    - Gia tốc tức thời: t va    Khi t vô cùng nhỏ, thì trở thành đạo hàm của x theo t, hoặc v theo t. Vậy, ta có thể viết: dt dx t v v : hayx'v lim 0 --t   Δ Δ Δ 2 2 dt xd Δ Δ Δ   dt dv t v a : hayv'a lim 0 --t Từ pt dao động: x = A.sin(t = j) + Vận tốc tức thời: v = x’ = A.cos (t + j). + Gia tốc tức thời: a = v' = x” = - 2A.sin (t + j). Mặt khác, theo ý nghĩa đạo hàm: + Vận tốc bằng đạo hàm bậc nhất của quãng đường: v = x’ + Gia tốc bằng đạo hàm bậc nhất của vận tốc (hay bằng đạo hàm bậc hai của quãng đường): a = v’ = x’’ Từ (1) ta có thể viết lại: x’’ + 2 x (2) Phương trình (2) là một phương trình vi phân bậc hai nghiêm có dạng: x = Asin(t + j) (4) đây là phương trình chuyển động của con lắc lò xo. * GV hướng dẫn và nhắc thêm: - HS có thể cho biết đồ thị hàm sin là một đồ thị như thế nào? - Ngoài phương trình dạng sin, chúng ta còn có phương trình dạng cos: x = A.cos(t + j) - Nhắc lại đơn vị của các đại lượng trong phương trình x? ([x]: (m); [A]: (m); [j]: (rad); [t + j]: (rad); []: (rad/s)) B. Dao động điều hòa: Hàm sin là một hàm dao động điều hòa nên ta nói con lắc lò xo dao động điều hòa. 1. Định nghĩa dao động điều hòa: dao động điều hòa là một dao động được mô tả bằng một định luật dạng sin (cosin) đối với thời gian. 2. Phương trình dao động điều hòa: x = Asin(t + j) hoặc x = Acos(t + j) Trong đó: A, , j là những hằng số. x: li độ dao động: là độ lệch của vật ra khỏi vị trí cân bằng. A: biên độ dao động: là giá trị cực đại của li độ dao động (xmax = A). j : pha ban đầu của dao động (pha ban đầu của dao động khi t = 0). (t + j) : pha của dao động (pha dao động của vật ở tại thời điểm t). : tần số gốc: là đại lượng trung gian cho phép xác định tần số (f) và chu kỳ (T) của dao động: f2 T 2    * Hs nhắc lại: hàm sin là một hàm tuầnhoàn có chu kỳ bằng bao nhiêu? 4. Chu kỳ của dao động điều hòa: Chúng ta biết hàm sin là một hàm tuần hoàn có chu kỳ 2p, do đó: x = A.sin(t+ j) = A.sin(t + 2p + j)         )2t(sinA Vậy, li độ của dao động ở thời điểm          2t cũng bằng li độ của nó ở thời điểm t => khoảng thời gian T=  2 là chu kỳ của dao động điều hòa. * Ta có: ?f2 T maø T 1f     * Con lắc lò xo:    2 T maø m k , => T =? * Nếu có phương trình dạng cos: x = Acos(t + j), thì: v, a =? (v = x’ = -A.sin(t+j) a = v' = - 2Acos(t+j)) 5. Một số điểm lưu ý: * Ta có: T 1f  ; vậy:    2 f tần số của dao động điều hòa. * Đối với con lắc lò xo, ta có: k mT     22 và m kf   2 1 * Cách chuyển phương trình dao động từ dạng cos sang dạng sin: x = A. cos(t + j) = A sin(t+j + ) 2  D. Củng cố: * Nhắc lại: - Định nghĩa về: dao động, dao động tuần hoàn, dao động điều hòa. - Khái niệm chu kì, tần số, li độ, biên độ và biểu thức chu kỳ (và tần số) của dao động điều hòa, chu kỳ của con lắc lò xo. * Hướng dẫn trả lời các câu hỏi Sgk trang 7. E. Dặn dò: Hs xem trước bài: “Khảo sát dao động điều hòa”.