Tài liệu Skkn ứng dụng đường tròn lượng giác để giải các bài toán dao động điều hòa.

Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 PHẦN I: MỞ ĐẦU. 1) LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Trong vật lý học, đặc biệt là cơ học, việc xác định các vị trí và thời gian để tìm ra quy luật chuyển động của vật là rất quan trọng. Trong chương trình vật lý 12 có rất nhiều các bài tập liên quan tới giải các hàm dao động điều hòa (sine, cosine) để tính thời gian, quãng đường... Nhưng việc giải các hàm sine và cosine để từ đó xác định khoảng thời gian và quãng đường dẫn tới nhiều khó khăn. Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “Ứng dụng đường tròn lượng giác để giải các bài toán dao động điều hòa” 2) MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Việc nghiên cứu đề tài này nhằm giúp các em học sinh có một cách tiếp cận mới, nhẹ nhàng về mặt toán học, có cái nhìn trực quan hơn về các bài toán dao động và đặc biệt rút ngắn thời gian khi làm bài thi. 3) ĐỒI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. - Các tiết bài tập vật lý về dao động điều hòa, một số các bài tập dòng điện xoay chiều và dao động điện từ. - Chú trọng các khó khăn khi giải các bài toán liên quan tới lập phương trình dao động, xác định thời gian, quãng đường… 4) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. - Phương pháp điều tra: Thực trạng các tiết dạy trong chương trình vật lý lớp 12 ( cả cơ bản và nâng cao). - Phương pháp gợi mở phát huy tính tích cực của học sinh. - Phương pháp thống kê so sánh. 5) NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Chương 1: Cơ sở lí luận liên quan đến đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Áp dụng phương pháp đường tròn lượng giác để giải bài tập dao động điều hòa. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 1 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lí luận liên quan đến đề tài. 1) Cơ sở lý luận: - Môn học vật lý cũng như các môn học khác ở bậc THPT đóng một vai trò rất quan trong trong việc hình thành kiến thức phổ thông. Các kiến thức và kỹ năng này rất cần thiết để các em có thể tiếp cận nhanh với các chương trình học ở bậc cao hơn, cũng như giúp các em có một nền tảng kiến thức để có thể học và trở thành các kỹ sư, kỹ thuật viên lành nghề, đáp ứng nhu cầu ngày một cao của một xã hội công nghiệp hiện đại. - Việc giải tốt các bài tập vật lỳ có thể giúp các em hiểu rõ bản chất của những vấn đề lý thuyết mà các em còn khúc mắc trong các tiết bài học. Ngoài ra việc giải tốt các bài tập vật lý còn giúp các em tăng niềm say mê học tập và nghiên cứu vật lý. 2) Cơ sở thực tiễn: - Theo nhận định các bài thi tốt nghiệp THPT, đại học môn vật lý những năm gần đây tương đối dài và khó. Vì vậy việc tìm các phương pháp giải nhanh và chính xác là rất cần thiết, có thể giúp các em tiết kiệm được thời gian làm bài mà vẫn hiểu rõ bản chất vật lý của bài toán. - Thống kê điểm thi giữa kỳ và cuối kỳ I môn vật lý ở trường THPT Thống Nhất B hai năm gần còn thấp so với một số môn học khác. - Kịnh nghiệm giải bài toán dao động bằng đường tròn lượng giác này, đã được tôi chia sẻ trên trang web thuvienvatly.com từ năm 2007. Qua đó tôi đã nhận được nhiều sự hưởng ứng và đồng tình của nhiều em học sinh và quý các thầy cô ở các trường THPT khác. Vì vậy việc vận dụng các phương pháp phù hợp để giải các bài toán vật lý sẽ góp phần không nhỏ trong việc nâng cao chất lượng dạy và học môn vật lý. 2 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 y Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Sự tương tự giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều. Một vật chuyển động tròn đều với tốc độ góc  , bán kính quỹ đạo là A, ban đầu M K A -A o H x vật ở tại vị trí hợp với trục ox một góc  như hình vẽ 1. Khi đó hình chiếu của chuyển động của vật trên các trục tọa độ ox, oy lần lượt là: Hình 1 - Hình chiếu trên trục ox là: x  A cos  t    - Hình chiếu trên trục oy là: y  A sin  t    Như vậy hình chiếu của một vật chuyển động tròn đều lên các trục tọa độ là một dao động điều hòa với tần số góc  và biên độ dao động A. Ngược lại một dao động điều hòa có dạng được điểu diễn qua một chuyển động tròn đều của một chất điểm M đều như hình 2: - Bán kính của đường tròn bằng với biên độ dao động: R = A - Vị trí ban đầu của chất điểm M trên đường tròn hợp với chiều dương trục ox một góc . - Tốc độ quay của chất điểm M trên đường tròn bằng - Thời gian để chất điểm M quay hết một vòng (3600) là một chu kỳ T - Chiều quay của chất điểm M được quy ước ngược chiều kim đồng hồ. - Khi chất điểm M thuộc nửa trên của đường tròn, quan sát hình 2, hình chiếu H sẽ chuyển động ngược chiều dương ox. Khi đó trường hợp này tương ứng với vật dao động điều hòa đang đi ngược chiều dương ( v  0 ). - Ngược lại khi chất điểm M thuộc nửa dưới của đường tròn, quan sát hình 2, hình chiếu H sẽ chuyển động cùng chiều dương ox. Khi đó trường hợp này tương ứng với vật dao động điều hòa đang đi cùng chiều dương ( v  0 ). y K -A I o  Li độ x M A H M Hình 2 3 x Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 Chương 3: Áp dụng phương pháp đường tròn lượng giác để giải bài tập dao động điều hòa. 1) Ứng dụng để viết phương trình dao động điều hòa. Ví dụ: Một lò xo có độ cứng K = 50 N/m đặt nằm ngang, một đầu cố định vào tường, đầu còn lại gắn vật khối lượng m = 500g. Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng một khoảng x = 3 cm và truyền cho vật một vận tốc v = 10 cm/s theo chiều dương. Viết phương trình dao động của vật. Bài giải  Giải bài toán bằng phương pháp đường tròn. - Tần số góc của dao động điều hòa:  K 10(rad / s ) m - Biên độ dao động của vật được tính bởi công thức: A2 = x2 + v2/ω2 = 3 + 1 = 4 Vậy A = 2 (cm) - Tam giác vuông OxA có cos   x 3     300   2 6. Hình 3 - Lý luận để chọn nghiệm của bài toán (phần này chỉ mang tính chất giải thích, khi làm bài trắc nghiệm các em học sinh chỉ cần quan sát hình và chọn ra nghiệm của bài toán) Có hai vị trí trên đuờng tròn ở hình 3, mà ở đó đều có vị trí x = 3 cm. Trên hình 3 thì vị trí B có   300    6 , tương ứng với trường hợp (1) vật dao động đi theo chiều dương, còn vị trí A có   300   6 , ứng với trường hợp (2) vật dao động đang đi theo chiều âm. Như vậy vị trí B là phù hợp với yêu cầu của đề bài. 4 Sáng kiến kinh nghiệm Vậy ta chọn   GV Trần Huy Dũng 2012  6 và nghiệm của bài toán x = 2 cos (10t - π/6) (cm). * Giải toán bằng phương pháp đại số cơ bản. - Tần số góc của dao động điều hòa:  K 10(rad / s ) m - Biên độ dao động của vật được tính bởi công thức: A2 = x2 + v2/ω2 = 3 + 1 = 4 Vậy A = 2 (cm) - Phương trình dao động có dạng x  A cos  t    , tại thời điểm ban đầu t = 0 vật có li độ x = 3 cm và biên độ A = 2, khi đó thế vào phương trình ta được: 3  2 cos   cos   3      ( rad ) 2 6 - Tại thời điểm ban đầu vật chuyển động theo chiều dương ( v > 0). Phương trình vận tốc của vật dao động điều hòa có dạng v   A sin  t    . - Tại thời điểm ban đầu t = 0, v > 0, A = 2 cm,   10rad thế vào phương trình vận tốc ta được: 2.10.sin   0  sin   0 TH1: TH2:    sin   0,5  0 6 (loại)     sin   0,5  0 6 (nhận) Vậy phương trình dao động của vật: x = 2 cos (10t - π/6) (cm). Nhận xét: Với cách giải bằng phương pháp đại số, việc phải lí luận để chọn nghiệm của bài toán dựa vào phương trình vận tốc làm cho nhiều học sinh gặp khó khăn, đặc biệt các học sinh yếu về môn toán. Bên cạnh đó, qua những năm giảng dạy tôi nhận thấy nhiều học sinh đã học thuộc cách chọn nghiệm mà không hề qua lí luận như sau: “sau khi bấm máy và thu được hai nghiệm của bài toán, nếu vật đi theo chiều dương thì chọn   0 , còn nếu vật đi theo chiều âm thì chọn nghiệm   0 ”. Các bài toán áp dụng: 5 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 Bài 1: Một lò xo độ cứng K = 50 N/m treo thẳng đứng, đầu trên cố định vào tường, đầu dưới gắn vật m =0,5 kg khi đó lò xo giãn ra một đoạn Δl . Đưa vật về vị trí ban đầu lúc lò xo chưa bị giãn rồi thả cho vật dao động. Chọn chiều dương từ trên xuống. Viết phương trình dao động của vật. đs. ptdđ: x = 10 cos(10t + π) Bài 2: Lò xo có chiều dài ban đầu là 30 cm,. Khi treo vật m thì lò xo dài 40cm. Truyền cho vật khi đang nằm cân bằng một vận tốc 40cm/s hướng thẳng lên. Chọn chiều dương hướng xuống. Viết phương trình dao động của vật. Lấy g = 10m/s2 đs: ptdđ: x = 4 cos(10t + π/2) (cm) 2) Ứng dụng để tính khoảng thời gian. Ví dụ 1: Vật dao động điều hòa với phương trình x  A cos  t    . Tính: a) Thời gian vật đi từ VTCB đến A/2  b) Thời gian vật đi từ 3A A 2 đến 2 theo chiều dương. c) Tính vận tốc trung bình của vật khi vật đi từ VTCB đến A/2. Bài giải a) Khi vật đi từ vị trí cân bằng đến A/2, tương ứng với vật chuyển động trên đường tròn từ A đến B được một góc 300 (bạn đọc tự tính) như hình vẽ 4. Nhận thấy: Vật quay một vòng 3600 hết một chu kỳ T  Vật quay 300 ( 6 ) Từ đó ta tính được hết khoảng thời gian t t 30T T  360 12 Hình 4  Với phương pháp giải toán đại số cơ bản ta phải giải phương trinh: 6 Sáng kiến kinh nghiệm 2012      t1  2 t2  2  và  0 cos  t      0  A - Tại VTCB: - Tại vị trí li độ x = A/2: GV Trần Huy Dũng cos  t     A 1   2A 2      t1  3 t2  3  và  - Khoảng thời gian chuyển động từ VTCB đến vị trí li độ A/2 là hiệu hai thời điểm t  t  t0 . Tuy nhiên việc xác định chính xác để chọn lựa được hai giá trị trong bốn nghiệm của bài toán là rất khó khăn cho các em học sinh. Do đó để tính khoảng thời gian chuyển động, thông thường người ta sử dụng đường tròn lượng giác. b) Khi vật đi từ vị trí  3A A 2 đến 2 , tương ứng với vật chuyển động trên đường tròn từ A đến B (thuộc nửa dưới của đường tròn) được một góc π/6 + π/6 = 300 + 60 0 = 900 Nhận thấy: Vật quay một vòng 3600 hết một chu kỳ T Vậy khi vật quay 900 hết khoảng thời gian t Ta tính được t Hình 5 90T T  360 4 c) Vận tốc trung bình của vật: vtb  S A / 2 6A   t T /12 T Ví dụ 2: Một bóng đèn ống được nối vào nguồn điện xoay chiều u = 120 2 cos100  t(V). Biết rằng đèn chỉ sáng nếu hiệu điện thế hai cực u  đèn sáng trong 1s là: Bài giải Hình vẽ 6 dưới đây mô tả những vùng (tô đậm) mà ở đó U  60 2 V khi đó đèn sáng. Vùng còn lại do U < 60 2 V nên đèn tắt. Mỗi vùng sáng ứng với một góc quay 120 0. Hai vùng sáng có tổng góc quay là 2400. Chu kỳ của dòng điện : T = 1/60 s 7 2 V. Thời gian Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 Đầu tiên ta đi tính thời gian sáng của đèn trong một chu kỳ: Nhận thấy: Vật quay 3600 hết một chu kỳ T Vật quay 2400 hết thời gian t Ta dễ dàng tính được t 240T 2T 1   ( s) 360 3 90 . Để tính thời gian sáng của đèn trong 1 (s) ta lý luận như sau: 1 chu kỳ T có thời gian 1/60s Hình 6 Vậy 1s sẽ có 60 chu kỳ Một chu kỳ đèn sáng 1/90s. Vậy thời gian đèn sáng trong 1s (60 chu kỳ) là: t  60. 1 2  (s) 90 3 Các bài toán áp dụng tương tự: Bài 1: Một đèn ống mắc vào mạng điện xoay chiều 200V-50Hz. Hiệu điện thế để đèn sáng khi hiệu điện thế tức thời giữa hai đầu đèn là 100 2 V. Xác định khoảng thời gian đèn sáng trong một chu kỳ của dòng điện. Bài 2: Một tụ điện có điện dung 10 F được tích điện đến hiệu điện thế xác định. Sau đó mắc hai bản cực tụ điện vào một cuộn dây thuần cảm có độ tự càm 2 1H. Bỏ qua điện trở các dây nối, lấy   10 . Sau khoảng thời gian ngắn nhất là bao nhiêu (kể từ lúc nối), điện tích trên tụ điện có giá trị ban đầu? Bài 3: Lập biểu thức tính thời gian từ lúc vật chuyển động qua vị trí cân bằng theo chiều âm cho tới vị trí - A/2. Biết vật đã đổi chiều chuyển động một lần. đs: t = 5T/12 Bài 34: Lập biểu thức tính tốc độ trung bình từ lúc vật chuyển động qua vị trí cân bằng theo chiều âm cho tới vị trí + A/2. Biết vật đã đổi chiều chuyển động một lần. đs: vtb  30 A / 7T 3) Ứng dụng để tính quãng đường vật đi được. Ví dụ: Một vật dao động điều hòa theo phương trình x = 4 cos(2πt + π/3). Tính quãng đường mà vật đi được trong thời gian 3,75s. Bài giải. 8 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 Dễ dàng nhận thấy, trong thời gian 1 chu kỳ T vật dao động đi được quãng đường 4A Chu kỳ dao động của vật: T 2  1( s )  Khoảng thời gian 3,75s = 3 chu kỳ T + 0,75s + Quãng đường trong 3s = quãng đường vật đi trong 3 chu kỳ = 3 × 4A = 48 + Quãng đường vật đi được trong 0,75s được xác định theo hình vẽ 7: Hình 7 S0,75s = AO + OB + BO + OC = AO + 4 + 4 + OC = 10 + 2 3 cm trong đó OA = 4. sin 300 = 2 cm và OC = 4 . sin 600 = 2 3 cm Vậy tổng quãng đường mà vật đi được: S = 58 + 2 3 cm = 61,6 cm Bài tập áp dụng tương tự: Bài 1: Vật dao động theo phương trình x = 5cos(2πt + π/6) (cm). Tính quãng đường mà vật đi được trong 20,75s. Bài 2: Một vật dao động điều hoà dọc theo trục Ox với phương trình : x = 6sin(4πt + π/6 )cm. Tính quãng đường vật đi được từ thời điểm t 1 = 5/24 s đến thời điểm t2 = 74/24 s. Bài 3: Một vật dao động điều hòa theo phương trình x = A cosωt(cm). a) Hãy xác định quãng đường dài nhất mà vật có thể đi được trong khoảng thời gian t = T/3 (trong đó T là chu kỳ dao động của vật). b) Hãy xác định quãng đường ngắn nhất mà vật có thể đi được trong khoảng thời gian t = T/3 (trong đó T là chu kỳ dao động của vật). đs: a) S = A 3 ; b) S = A 9 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 4) Ứng dụng để tính độ lệch pha, xác định trạng thái dao động của vật.   u  6 cos  4 t   (cm) 4  Bài toán 1: Nguồn sóng O dao động theo phương trình . Biết sóng truyền đi với vận tốc độ 2m/s. Ở thời điểm t sóng tại O dang dao động qua vị trí u = 3cm theo chiều âm, thì tại M cách nguồn 0,5 m sóng đang ở trạng thái nào? Bài giải. - Chu kỳ sóng: T 2 2   0,5( s )  4 Trạng thái dđ tại M -6 - Bước sóng:   v.T  2.0,5  1 (m) y O -3  6 3 x - Độ lệch pha giữa hai điểm M và O:   2 d 2 .0,5    1 Trạng thái dđ tại O - Nhìn hình vẽ 8 ta nhận thấy điểm M đang Đi qua vị trí có li độ - 3 và đang đi về biên âm. Hình 8 Bài toán 2: Trong máy phát điện xoay chiều 3 pha, khi cường độ dòng điện trong một pha đạt giá trị cực đại thì cường độ dòng điện trong hai pha còn lại có giá trị bao nhiêu? I2 - Dòng điện trong các pha: i1  I 0 cos  t  300 2   i2  I 0 cos t   3   I1=I0 -I0/2 2   i3  I 0 cos t   3   300 I1 Hình 9 - Giả sử tại thời điểm t dòng điện i1 đạt cực đại Quan sát hình vẽ 9 ta dễ dàng tính được i2 = i3 = -I0/2 Bài toán tương tự: Bài 1: Có hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số và cùng biên độ. Tại thời điểm t vật 1 đang ở vị trí có li độ x = A/2 và đang chuyển động ngược 10 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 chiều dương, trong khi đó vật 2 đang chuyển động theo chiều dương tại vị trí có li độ x = A 3 /2 . Hãy xác định độ lệch pha của vật 2 so với vật 1. đs: Δφ = π/2 rad Bài 2: Một vật dao động điều hòa theo phương trình x  5cos(2 t ) (cm). Nếu tại thời điểm nào đó vật đang có li độ x = 3 cm và dang chuyển động theo chiều dương thì sau 0,25 s vật đang ở vị trí nào và đang chuyển động theo chiều nào? đs: Vật đang ở li độ 4 cm và đi ngược chiều dương. Chương 4: Kết luận - Như vậy chỉ với các phép toán sine , cosine cơ bản của hệ thức lượng trong tam giác vuông của lớp 9, kết hợp với phương pháp dùng đường tròn lượng giác ta đã có thể giải nhanh các bài toán dao động điều hòa. Vì sự đơn giản trong các phép tình, phương pháp này có thể đem lại cho các học sinh có khả năng tính toán chưa tốt, vẫn có thể giải nhanh được một số bài toán khá phức tạp về dao động điều hòa. - Với chỉ một đường tròn và một phép tính “tam suất” rất đơn giản, các em học sinh có thể nhanh chóng làm được các bài toán dao động khá phức tạp. Tuy nhiên như đã mô tả trên các hình vẽ, việc giải bài toán bằng phương pháp này còn giúp học sinh quan sát được chuyển động của các vật dao động điều hòa. Như vậy về bản chất vật lý của bài toán dễ dàng được học sinh quan sát một cách trực quan hơn. - Bằng khả năng của mình, tôi đã cố gắng trình bày vấn đề một cách hoàn chỉnh và rõ ràng nhất. Nhưng chắc chắn trong đề tài này không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các em học sinh. Thống Nhất, ngày 15 tháng 5 năm 2012 Người thực hiện GV Trần Huy Dũng 11 Sáng kiến kinh nghiệm GV Trần Huy Dũng 2012 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1. Saùch giaùo khoa Vaät Lí 12 Naâng Cao – Nhaø xuaát baûn giaùo duïc 2008. 2. Saùch giaùo khoa Vaät Lí 12 Cô Baûn _ Nhaø xuaát baûn giaùo duïc 2008. 3. Saùch Baøi Taäp Vaät Lí 12 Naâng Cao – Nhaø xuaát baûn giaùo duïc 2008. 4. Saùch giaùo khoa Vaät Lí 12 Cô Baûn _ Nhaø xuaát baûn giaùo duïc 2008. 5. Giải toán vật lý 12 (3 tập) _ Nhà xuất bản giáo dục 2003. 5. Fundamentals of Physics – Halliday – Resnick – Walker. 12