Bài giảng Vật lý Lớp 12 - Bài tập về dao động điều hòa
Bài 4 : Một vật dao động điều hòa với biên độ A = 5cm, tần số f = 2Hz , chọn gốc thời gian là lúc vật có li độ x = 5cm. Lập phương trình dao động của vật ?
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý Lớp 12 - Bài tập về dao động điều hòa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BÀI TẬP VỀ DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA Phương trình DĐĐH: x = Acos(ωt + ϕ ) = Acos(2 f t + ϕ ) = Acos( 2 t/T + ϕ ) Phương trình vận tốc: v = x’ = - ωAs in (ωt + ϕ ) = ωA co s(ωt + ϕ + /2 ) Phương trình gia tốc: a = v’ = x’’ = - ω 2 A co s(ωt + ϕ ) = ω 2 A co s(ωt + ϕ + ) a = - ω 2 x Bài 1 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 5cos(10 t) (cm) , t tính bằng giây. Hãy xác định : 1 / Chu kì , tần số dao động của vật ? 2 / Xác định số dao động toàn phần vật thực hiện được trong thời gian 1 phút ? Giải : 1. So sánh với phương trình tổng quát: x = Acos(ωt + ϕ ) = Acos(2 f t + ϕ ) = Acos t + ϕ ) ta có A = 5 cm, ω = 10 rad/s; f = 5 Hz; T = = 0,2 s; ϕ = 0 2. Số dao động toàn phần N = = 60/0,2 = 300 Bài 2 . Cho phương trình dao động x = -2cos(5 t - ) (cm) . Xác định biên độ , chu kì , tần số và pha ban đầu của dao động ? Ta có x = -2cos(5 t - ) = 2cos(5 t - + ) = 2cos(5 t + ) Do đó A=2cm, ω = 5 ; T= 2 / ω = 0,4 s; f = = 2,5Hz, φ = Giải : a. Xác định vận tốc của vật ở thời điểm t = (s) b. Xác định vận tốc khi vật đi qua vị trí có li độ x = 6cm c. Xác định gia tốc khi vật đi qua vị trí có li độ x = 6cm d. Thời điểm ban đầu t = 0 đã được chọn vào lúc nào ? Bài 3 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 10cos(2 t + ) (cm) , t tính bằng giây. Giải: Ta có v = x’ = - 20 sin(2 t+ ) a. Khi t= (s) => v = -20 sin( + ) = -20 sin = - 10 (cm/s b. Khi x = 6cm. Áp dụng công thức: v = ± ω v = ±2 = ±16 a. Xác định vận tốc của vật ở thời điểm t = (s) b. Xác định vận tốc khi vật đi qua vị trí có li độ x = 6cm c. Xác định gia tốc khi vật đi qua vị trí có li độ x = 6cm d. Thời điểm ban đầu t = 0 đã được chọn vào lúc nào ? Bài 3 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 10cos(2 t + ) (cm) , t tính bằng giây. Giải: Ta có v = x’ = - 20 sin(2 t+ ) c. a = v’ = x’’ = - ω 2 x = - 4 2 x = - 24 2 (cm/s 2 ) = - 237 cm/s 2 d. Khi t = o v 0 = - 20 sin = - 10 (cm/s) <0 x 0 = 1 0cos = 5 cm Vật đi qua vị trí có li độ x 0 = 5 cm theo chiều âm Bài 4 : Một vật dao động điều hòa với biên độ A = 5cm, tần số f = 2Hz , chọn gốc thời gian là lúc vật có li độ x = 5cm . Lập phương trình dao động của vật ? Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) A = 5 cm ; ω = 2 f = 4 Khi t = 0 , x = 5 cm ==> 5 = 5 cos ϕ ==> cos ϕ = 1 ==> ϕ = 0 Phương trình dđ của vật là x = 5 cos 4 t (cm) Bài 5 : Một vật dao động điều hòa có chiều dài qũy đạo bằng 12 cm , chu kì dao động bằng 0,25 s . Chọn gốc thời gian vào lúc vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương của hệ tọa độ . Lập biểu thức li độ và biểu thức vận tốc của vật ? Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) A = = 6 cm; ω = = 8 Khi t = 0 : x 0 = 0 ==> tức cos ϕ = 0 (1) và v 0 = - ωAs in ϕ > 0 ==> s in ϕ < 0 (2) Vận tốc của vật: v = x ’ = - ωAs in (ωt + ϕ ) = ωA co s(ωt + ϕ + ) = ==> ϕ = - Biểu thức li độ của vật : x = 6 cos( 8 t - ) (cm) Biểu thức vận tốc của vật: v = 48 co s 8 t (cm/s) Bài 6 : Vật dao động điều hòa có biên độ A = 10cm và tần số f = 2Hz . Chọn gốc thời gian vào lúc vật đi qua vị trí cân bằng và đang chuyển động ngược chiều dương của hệ tọa độ . Lập phương trình dao động của vật và xác định vận tốc c ủ a vật khi vật có li độ x = 8cm . Giải: Phương trình dđ có dạng: x = Acos(ωt + φ ) A = 10 cm; ω = 2 f = 4 Khi t = 0 : x 0 = 0 ==> tức cos ϕ = 0 (1) và v 0 = - ωAs in ϕ s in ϕ > 0 (2) = ==> ϕ = Phương trình dđ của vật : x = 10 cos( 8 t + ) (cm) Khi x = - 8 cm. Áp dụng công thức: v = ± ω v = ± 4 = ± 24 Bài 7 : Vật dao động điều hòa có biên độ A = 6cm và tần số f = 5Hz . Chọn gốc thời gian vào lúc vật đi qua vị trí có li độ x = 3cm và đang chuyển động theo chiều dương của hệ tọa độ . Lập phương trình dao động của vật và xác định gia tốc của vật khi có li độ x = -3cm . Giải : Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) A = 6 cm; ω = 2 f = 10 Khi t = 0 : x 0 = 3 ==> 3 = 6 cos ϕ ==> cos ϕ = 0,5 (1) và v 0 > 0 ==> v 0 = - 60 s in ϕ > 0 ==> s in ϕ < 0 (2) Vận tốc của vật : v = x ’ = - ωAs in (ωt + ϕ ) ==> ϕ = - Phương trình dđ của vật : x = 6 cos( 10 t - ) (cm) Gia tốc của vật: a = - ω 2 x = 100 2 .3 = 3000cm/s 2 = 30m/s 2 Bài 8 : Một vật dao động điều hòa phải mất 0,5s để đi từ điểm có vận tốc bằng không đến điểm tiếp theo cũng như vậy . Khoảng cách giữa hai điểm là 20cm. Biên độ và tần số của dao động này bằng bao nhiêu ? Giải: Vật dđđh: Thời gian giữa hai lần liên tiếp có vận tốc bằng 0 là T/2 Do đó chu kỳ dđ là T = 1 s Vật dđđh: Khoảng cách giữa hai lần liên tiếp có vận tốc bằng 0 bằng hai lần biên độ dđ Do đó biên độ dđ là A = = 10 cm Bài 9 : Một vật dao động điều hòa theo phương trình : x = 2cos( 2 t - ) (cm ) . Tìm thời điểm vật qua vị trí có li độ x = cm và đang theo chiều dương lần thứ nhất và lần thứ 20 . Giải: 2cos( 2 t - ) = ==> cos( 2 t - ) = = cos 2 t - = ± + 2k ==> t = ± + k Vật có li độ x = cm và đang theo chiều dương lần thứ nhất ứng với k d = 0 ===> t 1 = ¼ = 0,25 s Vật có li độ x = cm và đang theo chiều dương lần thứ 20 ứng với k d = 19 ===> t 20 = 0,25 + 19 = 19,25 (s) Khi t â = + + k â = + k â Vật CĐ theo chiều âm Khi t d = - + k d = + k d Vật CĐ theo chiều dương Bài 10 : Một vật dao động điều hòa theo phương trình : x = 2cos( 2 t - ) (cm ) . Tìm thời điểm vật qua vị trí có li độ x = cm và đang theo chiều âm lần thứ nhất và lần thứ 20 . Giải: Vật có li độ x = cm và đang theo chiều âm lần thứ nhất ứng với k â = 0 ===> t 1 = 5/12 = 0,42 s Vật có li độ x = cm và đang theo chiều âm lần thứ 20 ứng với k â = 19 ===> t 20 = 0,42 + 19 = 19,42 (s) 2cos( 2 t - ) = ==> cos( 2 t - ) = = cos 2 t - = ± + 2k ==> t = ± + k Khi t â = + + k â = + k â Vật CĐ theo chiều âm Khi t d = - + k d = + k d Vật CĐ theo chiều dương Bài 11 : Một vật dao động điều hòa theo phương trình : x = 2cos( 2 t - ) (cm) . Tìm thời điểm vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương của hệ tọa độ . Giải: 2cos( 2 t - ) = 0 ===> 2 t - = + k (k = 0;1;2; ) v = - 4 sin( 2 t - ) > 0 ==> sin( 2 t - ) < 0 t = + + = + (k = 0;1;2; ... ) vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương tại các thời điểm t + = + = + n (s) với n = 0; 1; 2; ... vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm tại các thời điểm t - = + k (s) với k = 0; 1; 2; ... Bài 12 : Một vật dao động điều hòa trên quỹ đạo dài 4cm , thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí biên đến vị trí cân bằng là 0,1s . Chọn gốc thồi gian lúc vật qua vị trí cân bằng theo chiếu âm của hệ tọa độ . Hãy viết phương trình dao động của vật . Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) A = = 2 cm; T = 4.0,1 = 0,4 (s) ω = = 5 Vận tốc của vật : v = x ’ = - ωAs in (ωt + ϕ ) Khi t = 0 : x 0 = 0 ==> tức cos ϕ = 0 (1) và v 0 = - ωAs in ϕ s in ϕ > 0 (2) = ==> ϕ = Phương trình dđ của vật là : x = 2 cos( 5 t + ) Kt1 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 10cos(2 t + ) (cm) , t tính bằng giây. Xác định vận tốc và gia tốc khi vật ở thời điểm ban đầu và khi đi qua vị trí có li độ x = 8 cm . Kt2 : Một vật dao động điều hòa có chiều dài quỹ đạo bằng 1 0 cm , tần số dao động bằng 4Hz . Chọn gốc thời gian vào lúc vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều âm của hệ tọa độ .Lập biểu thức li độ và biểu thức vận tốc của vật ? Kt1 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 10cos(2 t + ) (cm) , t tính bằng giây. Xác định vận tốc và gia tốc khi vật ở thời điểm ban đầu và khi đi qua vị trí có li độ x = 8 cm . Giải: khi t = 0 ==> x 0 = 10cos = 5 ( cm) Áp dụng công thức: v = ± ω v 0 = ± ω = ± 2 π = ±10 π cm/s Vận tốc v = x’ = - 20 π sin(2 π t + π /3) ===> v 0 = - 10 π < 0 Suy ra v 0 = -10 π (cm/s) Gia tốc a = x’’ = - ω 2 x ===> a 0 = - 4 π 2 .5 = - 20 π 2 (cm/s 2 ) Giải: khi vật qua vị trí c ó li độ: x = - 8 cm Áp dụng công thức: v = ± ω v = ± ω = ± 2 π = ± 12 π cm/s Gia tốc a = x’’ = - ω 2 x ===> a = - 4 π 2 .8 = - 32 π 2 (cm/s 2 ) Kt1 : Phương trình dao động của một vật DĐĐH là : x = 10cos(2 t + ) (cm) , t tính bằng giây. Xác định vận tốc và gia tốc khi vật ở thời điểm ban đầu và khi đi qua vị trí có li độ x = 8 cm . Kt2 : Một vật dao động điều hòa có chiều dài quỹ đạo bằng 1 0 cm , tần số dao động bằng 4Hz . Chọn gốc thời gian vào lúc vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều âm của hệ tọa độ .Lập biểu thức li độ và biểu thức vận tốc của vật ? Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) A = L/2 = 5 cm; ω = 2 π f = 8 π ==> Ptdđ : x = 5 cos( 8 π t + ϕ ) Xác định ϕ : Khi t = 0 x 0 = 5 cos φ = 0 ==> cos φ = 0 suy ra φ = ± (1) Phương trình vận tốc: v = x ’ = - ω As in (ωt + ϕ ) Khi t = 0: v 0 = - 40 π s in φ s in φ > 0 (2) Từ (1) và (2) ta có φ = Do đó biểu thức li độ: x = 5 cos( 8 π t + ) Biểu thức vận tốc: v = - ω As in (ωt+ ϕ ) = - 40 π sin(8 π t+ )= 40 π cos(8 π t+ π ) cm/s Kt3 : Một vật dao động điều hòa với tần số f = 0,5 Hz , biên độ A = 2cm . Viết phương trình dao động của vật trong các trường hợp sau : Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương . Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí có li độ x = - 1cm theo chiều dương . 2. Xác định chiều dài quỹ đạo của vật và tốc độ trung bình của vật trong một chu kì dao động 3. Xác định thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có tọa độ Kt3 : Một vật dao động điều hòa với tần số f = 0,5 Hz , biên độ A = 2cm . Viết phương trình dao động của vật trong các trường hợp sau : Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương . Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí có li độ x = - 1cm theo chiều dương . Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) Ta có A = 2 cm; ω = 2 π f = π Phương trình li độ: x= 2 cos(πt+ ϕ ) Xác định ϕ : a. Khi t = 0 x 0 = 2 cos φ = 0 ==> cos φ = 0 suy ra φ = ± (1) và vận tốc: v = x ’ = -2 π s in ( π t + ϕ ) Khi t = 0: v 0 = - 2 π s in φ > 0 ==> s in φ < 0 (2) Từ (1) và (2) ta có φ = - Do đó biểu thức li độ: x = 2 cos( π t - ) cm Kt3 : Một vật dao động điều hòa với tần số f = 0,5 Hz , biên độ A = 2cm . Viết phương trình dao động của vật trong các trường hợp sau : Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương . Chọn gốc thời gian khi vật đi qua vị trí có li độ x = - 1cm theo chiều dương . Giải: Phương trình dđ có dạng : x = Acos(ωt + ϕ ) Ta có A = 2 cm; ω = 2 π f = π Phương trình li độ: x= 2 cos(πt+ ϕ ) Xác định ϕ : và vận tốc: v = x ’ = -2 π s in ( π t + ϕ ) b. Khi t = 0 x 0 = 2 cos φ = -1 ==> cos φ = -1/2 suy ra φ = ± (1) Khi t = 0: v 0 = - 2 π s in φ > 0 ==> s in φ < 0 (2) Từ (1) và (2) ta có φ = - Do đó biểu thức li độ: x = 2 cos( π t - ) cm Kt3 : Một vật dao động điều hòa với tần số f = 0,5 Hz , biên độ A = 2cm . 2. Xác định chiều dài quỹ đạo của vật và tốc độ trung bình của vật trong một chu kì dao động 3. Xác định thời gian ngắn nhất vật đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có tọa độ Giải: Ta có A = 2 cm; T = = 2 (s) 2 . Chiều dài quỹ đạo L=2A = 4 cm Tốc độ trung bình trong 1 chu kì: v tb = = = = 4 cm/s 3. Xét pt : x = 2 cos( π t - ) cm x = A cos( π t - ) = ===> cos( π t - ) = = cos π t - = ± +2k π ===> t = ± +2k ===> t min = - = (s) Câu 24(CĐ ): Chọn câu trả lời đúng: Một chất điểm dao động điều hòa trên trục Ox có phương trình x = 8cos( π t+ π /4) tính bằng cm, t tính bằng s) thì : A . lúc t = 0 chất điểm chuyển động theo chiều âm của trục Ox. B . chất điểm chuyển động trên đoạn thẳng dài 8 cm. C . chu kì dao động là 4s. D . vận tốc của chất điểm tại vị trí cân bằng là 8 cm/s . Giải: Từ x = 8cos( π t+ π /4 ) → v= - 8 π s in ( π t+ π /4) A. Khi t = 0 → v 0 = - 8 π s in ( π /4 ) < 0: chất điểm CĐ theo chiều âm B. chất điểm chuyển động trên đoạn thẳng dài L = 2A = 16 cm. C. chu kì dao động là: T = 2 π / ω = 2 π / π = 2s . D. vận tốc của chất điểm tại vị trí cân bằng v = ω A = 8 π cm/s. A Câu 25 ( ĐH): Một vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc cực đại là 31,4 cm/s. Lấy π = 3,14. Tốc độ trung bình của vật trong một chu kì dao động là: A . 20 cm/s B . 10 cm/s C . 0 . D. 15 cm/s . Giải: Quảng đường vật đi được trong 1 chu ki: s = 4A Từ công thức v max = ω A = A → T = A = A = 0,2A Từ công thức v tb = = = 20 cm/s. A Chọn đáp án A Câu 26(CĐ): Một vật dao động điều hòa với chu kì T. Chọn gốc thời gian là lúc vật qua vị trí cân bằng, vận tốc của vật bằng 0 lần đầu tiên ở thời điểm A. T/2. B. T/8. C. T/6 D. T/4 Giải: Vận tốc của vật bằng 0 lần đầu tiên khi vật ở vị trí biên: t = T/4 D Chọn đáp án D Câu 27(CĐ ): Một vật dao động điều hoà dọc theo trục Ox, quanh vị trí cân bằng O với biên độ A và chu kỳ T. Trong khoảng thời gian T/4, quãng đường lớn nhất mà vật có thể đi được là: A . A . B . 3 . C . A . D. A . D Chọn đáp án D Câu 27(CĐ ): Một vật dao động điều hoà dọc theo trục Ox, quanh vị trí cân bằng O với biên độ A và chu kỳ T. Trong khoảng thời gian T/4, quãng đường lớn nhất mà vật có thể đi được là: A . A . B . 3 . C . A . D. A . Giải: Quãng đường đi được lớn nhất khi trong khoảng thời gian T/4 vật có vận tốc lớn nhất. Trong cùng một thời gian tốc độ lớn nhất khi vật CĐ quanh vị trí cân bằng Trong T/4 vật đi S max khi vật đi trong T/8 ở mỗi bên VTCB, tức vật đi từ li độ x 1 = A đến li độ x 2 = - A x 1 x 2 π /4 π /4 π /4 Trong T/4: S max = 2A = A Câu 28(ĐH ): Một chất điểm dao động điều hòa với chu kì T. Trong khoảng thời gian ngắn nhất khi đi từ vị trí biên có li độ x = A đến vị trí x = chất điểm có tốc độ trung bình là: A. B. C. D. x 1 =A x 2 = - π /6 Giải: Quãng đường vật đi từ li độ x = A đến vị trí x = Thời gian ngắn nhất vật đi từ li độ x = A đến vị trí x = S = A + A/2 = 3A/2 t = T/4 + T/12 = T/3 v tb khi vật đi từ li độ x = A đến vị trí x = v tb = = = Chọn đáp án B B Câu 29(CĐ): Khi nói về một vật dao động điều hòa có biên độ A và chu kì T, với mốc thời gian (t = 0) là lúc vật ở vị trí biên, phát biểu nào sau đây là sai ? A. Sau thời gian T/8, vật đi được quảng đường bằng 0,5 A. B. Sau thời gian T/2, vật đi được quảng đường bằng 2 A . C. Sau thời gian T/4, vật đi được quảng đường bằng A . D. Sau thời gian T, vật đi được quảng đường bằng 4 A. x 0 =A x = A/2 π /3 Giải: Đểvật đi từ li độ x = A đến vị trí x = cần khoảng thời gian t = T/6 Sau thời gian T/8 vật đi được S < A/2 Các câu B, C, D đề đúng. Chọn đáp án A A 4. Năng lượng trong dđđh a) Động năng W đ m = m ( ω t+ φ ) = ( ω t+ φ ) b ) Thế năng W t = ( ω t+ φ ) c) Cơ năng W = W đ + W t = ( ω t+ φ )+ ( ω t+ φ )= W = W đmax = W tmax = = = cosnt Câu 30 (CĐ): Một vật dao động đều hòa dọc theo trục Ox. Mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Ở thời điểm độ lớn vận tốc của vật bằng 50% vận tốc cực đại thì tỉ số giữa động năng và cơ năng của vật là A. B. C. D. Giải: m Ta có: W = W đmax = Khi v = 50%v max thì W đ = 25%W hay W đ = W Do đó = Chọn đáp án B B Câu 31 . (ĐH) Vật nhỏ của một con lắc lò xo dao động điều hòa theo phương ngang, mốc thế năng tại vị trí cân bằng. Khi gia tốc của vật có độ lớn bằng một nửa độ lớn gia tốc cực đại thì tỉ số giữa động năng và thế năng của vật là A . B. 3. C. 2 D. = Ta có W = W tmax = = Giải: Khi a = max thì W t = W Khi đó W đ = W – W t = W Do đó = 3 Chọn đáp án B B Câu 32(CĐ): Một cật dao động điều hòa dọc theo trục tọa độ nằm ngang Ox với chu kì T, vị trí cân bằng và mốc thế năng ở gốc tọa độ. Tính từ lúc vật có li độ dư ơng lớn nhất, thời điểm đầu tiên mà động năng và thế năng củ a vật bằng nhau là: A. T/4 B. T/8 C. T/12 D. T/6 Giải: Khi Wđ = W t thì W t = → x = hay = x = x 0 = A π /4 → α = /4 → thời gian CĐ từ x 0 = A đến x 1 = là t= T/8 Chọ đáp án B B Câu 33 (ĐH ): Một con lắc lò xo dao động điều hòa với chu kì T và biên độ 5 cm. Biết trong một chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ của con lắc có độ lớn gia tốc không vượt quá 100 cm/s 2 là T/3 Lấy 2 = 10. Tần số dao động của vật là A. 4 Hz. B. 3 Hz. C. 2 Hz. D. 1 Hz . M 1 M 4 π /3 π /6 M 2 M 3 Giải: Gia tốc a = - ω 2 x Có giá trị nhỏ khi ở gần VTCB Thời gian |a| ≤ 100 cm/s 2 là T/3 ứng với t 12 + t 34 = T/3 Tại M 1 : ω t + φ = π /3 nên x 1 = Acos( π /3) = A/2 →| a 1 | = ω 2 x 1 = A ω 2 /2 = 100 (cm/s 2 ) 5 ω 2 /2 = 100 → ω 2 = 40 Hay 4 π 2 f 2 = 40 → f 2 = 40/4 π 2 = 1 → f = 1 Hz Chọn đáp án D D
Tài liệu đính kèm:
- bai_giang_vat_ly_lop_12_bai_tap_ve_dao_dong_dieu_hoa.pptx