Công thức, cách giải bài tập Tổng hợp dao động điều hòa hay, chi tiết



A. Phương pháp & Ví dụ

1. Biểu diễn dao động điều hòa bằng véc-tơ quay

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Xét một véc tơ quay ngược chiều kim đồng hồ quanh gốc O, có đặc điểm:

• Độ dài vec tơ bằng A.

• Tốc độ quay ω.

• Ban đầu hợp với trục Ox góc φ.

Khi đó, hình chiếu P của ngọn véc tơ xuống trục Ox biểu diễn một dao động điều hòa x = Acos(ωt + φ).

2. Tổng hợp 2 dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số

Khi vật tham gia đồng thời nhiều dao động cùng tần số thì dao động của vật là dao động tổng hợp. Giả sử một vật tham gia đồng thời hai dao động :

x1 = A1cos(ωt + φ1)

x2 = A2cos(ωt + φ2)

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Khi đó dao động tổng hợp có dạng x = Acos(ωt + φ). Hai cách tính :

• Nếu cùng biên độ thì cộng lượng giác x = x1 + x2 (ít gặp).

• Nếu biên độ khác nhau thì nên sử dụng biểu diễn véc tơ quay để tổng hợp các dao động điều hòa cùng phương cùng tần số:

Phương pháp véc tơ quay:

A2 = A12 + A22 + 2A1A2cos(φ2 – φ1)

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Nếu véc tơ :

• Cùng pha ⇒Amax = A1 + A2, φ = φ1 = φ2.

• Ngược pha ⇒Amin = |A1 – A2|. Nếu A1 > A2 ⇒φ = φ1; nếu A1 < A2 ⇒ φ = φ2.

• Vuông pha ⇒ A2 = A12 + A22.

• Khi A1 và A2 xác định, φ1 và φ2 chưa biết, ta luôn có |A1 – A2| ≤ A ≤ |A1 + A2|

3. Sử dụng máy tính giải bài toán tổng hợp phương trình dao động

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

4. Ví dụ

Ví dụ 1: Một vật thực hiện đồng thời 2 dao động điều hòa x1 = 3cos(4πt + π/6) cm và x2 = 3cos(4πt + π/2) cm. Hãy xác định dao động tổng hợp của hai dao động trên?

A. x = 3√3cos(4πt + π/6) cm          B. x = 3√3cos(4πt + π/3) cm

C. x = 3√3cos(4πt + π/3) cm          D. x = 3cos(4πt + π/3) cm

Hướng dẫn:

Ta có: dao động tổng hợp có dạng: x = Acos(ωt + φ) cm

Trong đó:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Phương trình dao động cần tìm là x = 3√3cos(4πt + π/3) cm

Ví dụ 2: Một vật thực hiện đồng thời 2 dao động điều hòa với biên độ lần lượt là 3 cm và 5 cm. Trong các giá trị sau giá trị nào không thể là biên độ của dao động tổng hợp.

A. 4 cm          B. 5 cm         C. 3cm          D. 10 cm

Hướng dẫn:

Ta có: |A1 - A2 | ≤ A ≤ A1 + A2

⇒ 2 cm ≤ A ≤ 8 cm

Ví dụ 3: Một vật thực hiện hai dao động điều hòa với phương trình lần lượt là x1 = 4cos(6πt + π/3); x2 = cos(6πt + π) cm. Hãy xác định vận tốc cực đại mà dao động có thể đạt được.

A. 54π cm/s          B. 6π cm/s          C. 45cm/s          D. 9π cm/s

Hướng dẫn:

Ta có: Vmax = A.ω ⇒ Vmax khi Amax Với Amax = 9 cm khi hai dao động cùng pha

⇒ Vmax = 9.6π = 54π cm/s.

Ví dụ 4: Một chất điểm dao động điều hoà có phương trình dao động tổng hợp x = 5√2 cos(πt + 5π/12) với các dao động thành phần cùng phương, cùng tần số là x1 = A1 cos(πt + π1) và x2 = 5cos(πt + π/6 ), pha ban đầu của dao động 1 là:

A. φ1 = 2π/3          B. φ1= π/2          C.φ1 = π/4          D. φ1= π/3

Hướng dẫn:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

B. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1. Cho hai dao động điều hoà cùng phương có phương trình dao động lần lượt là x1 = 3√3sin(5πt + π/2)(cm) và x2 = 3√3sin(5πt - π/2)(cm). Biên độ dao động tổng hợp của hai dao động trên bằng

A. 0 cm     B. 3 cm     C. 63 cm     D. 33 cm

Hai dao động trên ngược pha nhau vì Δφ = φ21 = -π nên biên độ dao động tổng hợp sẽ là: A = |A2 - A1| = 0.

Câu 2. Chuyển động của một vật là tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương. Hai dao động này có phương trình lần lượt là x1 = 3cos10t (cm) và x2 = 4sin(10t + π/2)(cm). Gia tốc của vật có độ lớn cực đại bằng

A. 7 m/s2     B. 3 m/s2     C. 6 m/s2     D. 13 m/s2

Đưa phương trình li độ của dao động thứ 2 về dạng chuẩn theo cos: x2 = 4sin(10t + π/2) = 4cos(10t)

Từ đây ta thấy rằng: hai dao động trên cùng pha vì thế biên độ dao động tổng hợp: A = A1 + A2 = 3 + 4 = 7 (cm)

Gia tốc có độ lớn cực đại: amax = ω2A = 100.7 = 700 cm/s2 = 7 m/s2

Câu 3. Dao động của một chất điểm có khối lượng 100 g là tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương, có phương trình li độ lần lượt là x1 = 5cos(10t) và x2 = 10cos(10t) (x1 và x2 tính bằng cm, t tính bằng s). Mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Cơ năng của chất điểm bằng

A. 0,1125 J     B. 225 J     C. 112,5 J     D. 0,225 J

Hai dao động trên cùng pha vì thế biên độ dao động tổng hợp: A = A1 + A2 = 5 + 10 = 15 cm

Cơ năng của chất điểm: E = (1/2).m.ω2A2 = (1/2). 0,1. 102.0,152 = 0,1125 J

Câu 4. Chuyển động của một vật là tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương. Hai dao động này có phương trình lần lượt là x1 = 4cos(10t + π/4)(cm) và x2 = 3cos(10t - 3π/4)(cm). Độ lớn vận tốc của vật ở vị trí cân bằng là

A. 100 cm/s     B. 50 cm/s

C. 80 cm/s     D. 10 cm/s

Ta có: Δφ = φ21 = (-3π/4)-π/4 = -π ⇒ hai dao động trên ngược pha

Biên độ dao động tổng hợp: A = |A1 - A2| = 1 cm

Vận tốc của ở VTCB là: vVTCB = vmax = ωA = 10.1 = 10 cm/s . Chọn D

Câu 5. Dao động của một vật là tổng hợp của hai dao động cùng phương có phương trình lần lượt là x1 = Acosωt và x2 = Asinωt. Biên độ dao động của vật là

A. √3A     B. A     C. √2A     D. 2A

Chuyển phương trình của thành phần thứ 2 về dạng chuẩn theo cos: x2 = Asinωt = Acos(ωt - π/2)

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 6. Một vật tham gia đồng thời hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số có biên độ bằng nhau và bằng A nhưng pha ban đầu lệch nhau π/3 rad. Dao động tổng hợp có biên độ là

A. 1 A     B. √2A     C. 2A     D. √3A

Biên độ dao động tổng hợp:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Theo bài ra thì hai dao động lệch pha nhau π/3 nên cos(φ1 - φ2) = cos(π/3) = 1/2

Vì thế biên độ dao động sẽ là:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 7. Một vật thực hiện đồng thời 2 dao động điều hoà cùng phương, cùng tần số có phương trình: x1 = √3cos(ωt - π/2) cm, x2 = cos(ωt) cm. Phương trình dao động tổng hợp:

A. x = 2√2cos(4πt - π/4) cm

B. x = 2√2cos(4πt + 3π/4) cm

C. x = 2cos(4πt - π/3) cm

D. x = 2cos(4πt + π/3) cm

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 8. Một vật tham gia đồng thời ba dao động điều hòa cùng phương với các phương trình: x1 = 5cos5πt (cm); x2 = 3cos(5πt + π/2) (cm) và x3 = 8cos(5πt - π/2) (cm). Xác định phương trình dao động tổng hợp của vật.

A. x = 5√2cos(5πt - π/4) cm

B. x = 5√2cos(5πt + 3π/4) cm

C. x = 5cos(5πt - π/3) cm

D. x = 5cos(5πt + 2π/3) cm

Cách 1: Ta có: x1 = 3sin(5πt + π/2) (cm) = 3cos5πt (cm)

x2 và x3 ngược pha nên: A23 = 8 - 3 = 5 ⇒ x23 = 5cos(5πt - π/2) (cm)

x1 và x23 vuông pha. Vậy: x = x1 + x2 + x3 = 5√2cos(5πt - π/4) (cm)

Cách 2: Với máy FX570ES:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 9. Dao động tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương có biểu thức x = 5√3cos(6πt + π/2) (cm). Dao động thứ nhất có biểu thức là x1 = 5cos(6πt + π/3)(cm). Tìm biểu thức của dao động thứ hai.

A. x2 = 5√2cos(6πt - π/4) cm

B. x2 = 5√2cos(6πt + 3π/4) cm

C. x2 = 5cos(6πt - π/3) cm

D. x2 = 5cos(6πt + 2π/3) cm

Cách 1:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Cách 2: Với máy FX570ES :

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 10. Một chất điểm tham gia đồng thời 2 dao động điều hòa cùng phương trên trục Ox có phương trình x1 = 2√3sinωt (cm) và x2 = A2cos(ωt + φ2) (cm). Phương trình dao động tổng hợp x = 2cos(ωt + φ)(cm), với φ2 - φ = π/3. Biên độ và pha ban đầu của dao động thành phần 2 là:

A. A2 = 4 cm; φ2 = π/6

B. A2 = 4 cm; φ2 = π/3

C. A2 = 2√3 cm; φ2 = π/4

D. A2 = 4√3 cm; φ2 = π/3

Viết lại phương trình dao động của thành phần 1:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 11. Cho hai dao động điều hoà cùng phương: x1 = 2cos(4t + φ1)cm và x2 = 2cos(4t + φ2)cm. Với 0 ≤ φ2 - φ1 ≤ π. Biết phương trình dao động tổng hợp x = 2 cos (4t + π/6) cm. Pha ban đầu φ1 là:

A. π/2      B. -π/3     C. π/6       D. -π/6

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 12. Dao động tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số có phương trình li độ x = 3cos(πt – 5π/6) (cm). Biết dao động thứ nhất có phương trình li độ x1 = 5cos(πt + π/6) (cm). Dao động thứ hai có phương trình li độ là

A. x2 = 8cos(πt + π/6) cm

B. x2 = 2cos(πt + π/6) cm

C. x2 = 2cos(πt – 5π/6) cm

D. x2 = 8cos(πt – 5π/6) cm

Nhận xét: ta thấy biên độ và pha đều cho rõ ràng nên cách giải nhanh nhất là dùng máy tính.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 13. Một chất điểm tham gia đồng thời hai dao động có các phương trình: x1 = A1cos(ωt + π/2) (cm); x2 = 5 cos(ωt + φ)(cm). Phương trình dao động tổng hợp là x = 5√3cos(ωt + π/3). Giá trị của A1 bằng

A. 5,0 cm hoặc 2,5 cm.

B. 2,5√3 cm hoặc 2,5 cm

C. 5,0 cm hoặc 10 cm

D. 2,5√3 cm hoặc 10 cm

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Áp dụng định lý hàm số cosin cho tam giác OA1A

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 14. Một chất điểm tham gia đồng thời hai dao động có các phương trình: x1 = A1cos(ωt + π/2) (cm); x2 = 5 cos(ωt + φ)(cm). Phương trình dao động tổng hợp là x = 5√3cos(ωt + π/3). Giá trị của A1 bằng

A. 5,0 cm hoặc 2,5 cm.

B. 2,5√3 cm hoặc 2,5 cm

C. 5,0 cm hoặc 10 cm

D. 2,5√3 cm hoặc 10 cm

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 15. Cho hai dao động điều hoà cùng phương: x1 = 2cos(4t + φ1)cm và x2 = 2cos(4t + φ2)cm. Với 0 ≤ φ2 - φ1 ≤ π. Biết phương trình dao động tổng hợp x = 2cos(4t + π/6) cm. Pha ban đầu φ1 là:

A. π/2     B. -π/3     C. π/6     D. -π/6

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Chọn D

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí lớp 12 có trong đề thi THPT Quốc gia khác:

Ngân hàng trắc nghiệm miễn phí ôn thi THPT Quốc Gia tại khoahoc.vietjack.com

KHÓA HỌC GIÚP TEEN 2002 ĐẠT 9-10 THI THPT QUỐC GIA

Tổng hợp các video dạy học từ các giáo viên giỏi nhất - CHỈ TỪ 399K tại khoahoc.vietjack.com


chuyen-de-tong-hop-dao-dong-dieu-hoa.jsp


Các loạt bài lớp 12 khác
Khóa học 12