Tổng hợp dao động điều hòa

Học Lớp

Administrator
Thành viên BQT
Trước khi nói về tổng hợp dao động là gì? Chúng ta nhắc lại một số kiến thức.

Biểu diễn một dao động điều hòa bằng một vectơ
Xét dao động \(x = A\cos (\omega t + \varphi )\) được biểu diễn thành vectơ \(\overrightarrow{OM}\)
Với \(\overrightarrow{OM} \left\{\begin{matrix} |\overrightarrow{OM}| = A \ \ \ \ \\ (\overrightarrow{OM},\Delta ) = \varphi \end{matrix}\right.\)
tổng hợp dao động.png

VD: \(x = 5 \cos (2 \pi t + \frac{\pi}{4}) \ (cm)\)
tổng hợp dao động 1.png

Xét 2 dao động: \(\left\{\begin{matrix} x_1 = A_1 \cos (\omega t + \varphi _1)\\ x_2 = A_2 \cos (\omega t + \varphi _2) \end{matrix}\right.\)
Độ lệch pha: \(\Delta \varphi = (\omega t + \varphi _2) - (\omega t + \varphi _1)\)\(\Rightarrow \Delta \varphi = \varphi _2 - \varphi _1\)
  • Nếu \(\Delta \varphi > 0 \Leftrightarrow \varphi _2 > \varphi _1\): x2 sớm pha hơn x1
  • Nếu \(\Delta \varphi < 0 \Leftrightarrow \varphi _2 < \varphi _1\): x2 trễ pha hơn x1
Tổng hợp 2 dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số. (P2 vectơ quay ≡ P2 Frexnen)
Xét 2 dao động cùng phương, cùng tần số: \(\left\{\begin{matrix} x_1 = A_1 \cos (\omega t + \varphi _1)\\ x_2 = A_2 \cos (\omega t + \varphi _2) \end{matrix}\right.\)
Dao động tổng hợp \(x =x_1 + x_2 = A \cos (\omega t + \varphi )\) \(\Rightarrow \overrightarrow{A} = \overrightarrow{A_1} + \overrightarrow{A_2}\ (*)\)
tổng hợp dao động 2.png

Chiếu (*) lên: \(\left\{\begin{matrix} Ox: A_x = A_{1x} + A_{2x} \\ Oy: A_y = A_{1y} + A_{2y} \end{matrix}\right.\) Với \(A_x = A\cos \varphi ;\ Ay = A\sin \varphi\)
\(\Rightarrow \left\{\begin{matrix} A\cos \varphi = A_1 \cos \varphi _1 + A_2 \cos \varphi _2\\ A\sin \varphi = A_1 \sin \varphi _1 + A_2 \sin \varphi _2 \end{matrix}\right.\)
\(\Rightarrow A = \sqrt{A_{1}^{2} + A_{2}^{2} + 2A_1A_2\cos (\varphi _2 - \varphi _1)}\)
\(\Rightarrow \tan \varphi = \frac{A_1 \sin \varphi _1 + A_2 \sin \varphi _2}{A_1 \cos \varphi _1 + A_2 \cos \varphi _2}\)

Các trường hợp đặc biệt
\(+\ \Delta \varphi = \varphi _2 - \varphi _1 = k2 \pi\): x1, x2 cùng pha \(\Rightarrow \left\{\begin{matrix} A = A_1 + A_2\\ \varphi = \varphi _1 = \varphi _2 \end{matrix}\right.\)
\(+\ \Delta \varphi = \varphi _2 - \varphi _1 = (2k + 1) \pi\): x1, x2 ngược pha \(\Rightarrow \left\{\begin{matrix} A = |A_1 - A_2| \ \ \ \ \ \ \ \ \\ \varphi = \varphi _1 \ neu\ A_1 > A_2 \end{matrix}\right.\)
\(+\ \Delta \varphi = (2k + 1) \frac{\pi}{2} \Rightarrow x_1 \perp x_2 \Rightarrow A = \sqrt{A_{1}^{2} + A_{2}^{2}}\)
NHỚ: \(|A_1 - A_2| \leq A \leq A_1 + A_2\)

Câu 1: Tổng hợp các dao động sau:
$a)\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1} = 2\cos (2\pi t - \pi )}\\ {{x_2} = 3\cos (2\pi t + \pi )} \end{array}} \right.$
$b)\,\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1} = 5\cos (\pi t - \frac{\pi }{3})}\\ {{x_2} = \cos (\pi t + \frac{{2\pi }}{3})} \end{array}} \right.$
$c)\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1} = 6\cos 4\pi t\;\;\;\;\;\;\;}\\ {{x_2} = 6\cos (4\pi t + \frac{\pi }{3})} \end{array}} \right.$
$d)\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1} = 4\cos (5\pi t + \frac{\pi }{6})\;\;\;\;}\\ {{x_2} = 4\sqrt 3 \cos (5\pi t - \frac{\pi }{3})} \end{array}} \right.$
Lời giải chi tiết
a/ \(\Delta \varphi = \pi - (- \pi) = 2 \pi\): x1, x2 cùng pha
\(\Rightarrow \left\{\begin{matrix} A = A_1 + A_2 = 2 + 3 = 5 \ cm\\ \varphi = \pi ;\ \varphi =- \pi \hspace{2,3cm} \end{matrix}\right.\)
tổng hợp dao động 3.png

\(\rightarrow x = 5\cos (2 \pi t \pm \pi )\ (cm)\)

b/ \(\Delta \varphi = \frac{2 \pi}{3} - \frac{\pi }{3} = \pi\): x1, x2 ngược pha
\(\Rightarrow \left\{\begin{matrix} A = |A_1 - A_2| = |5-1| = 4 \ cm\\ \varphi = \varphi _1 = -\frac{\pi }{3}\ (Vi\ A_1 > A_2) \ \ \ \ \end{matrix}\right.\)
\(\rightarrow x = 4 \cos (\pi t - \frac{\pi}{3}) \ (cm)\)

c/ \(\left\{\begin{matrix} x_1 = 6 \cos 4 \pi t \ (cm) \ \ \ \ \ \ \ \rightarrow \left\{\begin{matrix} A_1 = 6 \ cm\\ \varphi _1 = 0 \ \ \ \ \end{matrix}\right.\\ x_2 = 6 \cos (4 \pi t + \frac{\pi}{3}) \ (cm) \rightarrow \left\{\begin{matrix} A_2 = 6\ cm\\ \varphi _2 = \frac{\pi }{3} \ \ \ \ \end{matrix}\right. \end{matrix}\right.\)
\(\cdot \ A = \sqrt{6^2 + 6^2 + 2.6.6 \cos \frac{\pi}{3}} = 6\sqrt{3}\ cm\)
\(\cdot \ \tan \varphi = \frac{6.\sin 0 + 6. \sin \frac{\pi }{3}}{6. \cos 0 + 6.\cos \frac{\pi }{3}} = \frac{3\sqrt{3}}{9} = \frac{\sqrt{3}}{3} \Rightarrow \varphi = \frac{\pi }{6}\)

d/ \(\left\{\begin{matrix} x_1 = 4\cos (4\pi t + \frac{\pi}{6})\ (cm)\ \ \ \ \\ x_2 = 4\sqrt{3} \cos (5 \pi t - \frac{\pi }{3})\ (cm) \end{matrix}\right.\)
\(\Delta \varphi = \frac{\pi }{2} - \left ( - \frac{\pi}{3} \right ) = \frac{\pi }{2}\)
\(A = \sqrt{A_{1}^{2} + A_{2}^{2}} = 8 \ (cm)\)
\(\tan \varphi = \frac{4 \sin \frac{\pi}{6} + 4\sqrt{3} \sin -\left ( - \frac{\pi}{3} \right )}{4 \cos \frac{\pi}{6} + 4\sqrt{3} \cos -\left ( - \frac{\pi}{3} \right )} = \frac{-4}{4\sqrt{3}}\)
\(\rightarrow \tan \varphi = -\frac{1}{\sqrt{3}} \Rightarrow \varphi = -\frac{\pi }{6}\)
\(\rightarrow x = 8\cos (5 \pi t - \frac{\pi }{6})\ (cm)\)
* Tổng hợp dao động điều hòa bằng máy tính
Cài đặt:
  • Shift → mode → 4: R
  • mode → 2: CMPLX
\(\left\{\begin{matrix} x_1 = A_1\cos (\omega t + \varphi _1) \rightarrow A_1 < \varphi _1 \hspace{3cm}\\ x_2 = A_2\cos (\omega t + \varphi _2) \rightarrow A_2 < \varphi _2 \ \ \ \ \ shift \rightarrow (-) \end{matrix}\right.\)
\(x = x_1 + x_2 = A\cos (\omega t + \varphi )\)
\(A_1 < \varphi _1 + A_2 < \varphi _2 \ \ \ \ \ Shift \rightarrow 2 \rightarrow 3 \ \ \ = A < \varphi\)

Câu 2: Cho 2 dao động cùng phương, cùng tần số có phương trình \(\left\{\begin{matrix} x_1 = A_1 \cos (\omega t + \frac{\pi }{3})\ (cm)\\ x_2 = A_2 \cos (\omega t - \frac{\pi }{2})\ (cm) \end{matrix}\right.\)
Dao động tổng hợp \(x = x_1 + x_2 = 6\sqrt{3}\cos (\omega t + \varphi )\). Tìm giá trị lớn nhất của A2 khi thay đổi A1?
Lời giải chi tiết
tổng hợp dao động 4.png
Định lý sin: \(\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C}\)
tổng hợp dao động 5.png
\(x=x_1 + x_2 \Rightarrow \overrightarrow{A} = \overrightarrow{A_1} + \overrightarrow{A_2}\)
Ta có: \(\frac{A_2}{\sin \alpha } = \frac{A}{\sin \frac{\pi }{6}} \Rightarrow A_2 = \frac{A}{\sin \frac{\pi }{6}}. \sin \alpha\)
\(\Rightarrow A_2 = \frac{6\sqrt{3}}{\frac{1}{2}}.\sin \alpha = 12\sqrt{3}.\sin \alpha\)
\(\Rightarrow (A_2)_{max} = 12 \sqrt{3}\ (cm) \Leftrightarrow \sin \alpha = 1 \Rightarrow \alpha = \frac{\pi }{2}\)
 

Chương 1: Dao động cơ

Bài 1: Dao động điều hòa Bài 2: Con lắc lò xo Bài 3: Con lắc đơn Bài 4: Dao động duy trì - dao động cưỡng bức - dao động tắt dần Bài 5: Tổng hợp dao động

Bài 6: Sơ đồ tư duy chương dao động cơ

Tài liệu: dao động cơ