Công thức vật lý 12 chương 1: dao động cơ, bài 1: tổng quan về dao động điều hòa

$A=\frac{l_{max}-l_{min}}{2}$

Chú thích:

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$l_{max}$: Chiều dài con lắc lò xo lúc dài nhất $(cm, m)$

$l_{min}$: Chiều dài con lắc lò xo lúc ngắn nhất $(cm, m)$

$k=m{\omega }^2$

Chú thích:

$k$: Độ cứng của lò xo (hệ số đàn hồi của lò xo) $(N/m)$

$m$: Khối lượng của vật nặng gắn vào con lắc lò xo $\left(kg\right)$

$\omega$: Tần số góc (Tốc độ góc) $(rad/s)$

Giải thích công thức:

Ta có công thức tính tần số góc của con lắc lò xo: $\omega =\sqrt{\frac{k}{m}} \iff {\omega }^2=\frac{k}{m} \Rightarrow k=m{\omega }^2$.

$\frac{x^2}{A^2}+\frac{v^2}{v_{max}^2}=1 ; \frac{v^2}{v_{max}^2}+\frac{a^2}{a_{max}^2}=1$

Chú thích:

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$.

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$.

$a$: Gia tốc của chất điểm tại vị trí có li độ x $(cm/s^2, m/s^2)$.

$v_{max}$: Vận tốc cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$.

$a_{max}$: Gia tốc cực đại của chất điểm $(cm/s^2, m/s^2)$.

$x:$ Li độ của chất điểm trong dao động điều hòa $\left(cm\right)$.

$S_{min}=2A\left(1-\cos \left(\frac{∆\phi }{2}\right)\right)$

Nguyên tắc: Vật đi được quãng đường ngắn nhất khi li độ điểm đầu và điểm cuối có giá trị bằng nhau.

Chú thích:

$S_{min}$: Quãng đường nhỏ nhất chất điểm chuyển động trong khoảng thời gian $t$$(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$∆\phi$: góc quét của chất điểm trong khoảng thời gian $t$ $\left(rad\right)$

Với: $∆\phi =\omega .t$ và $t<\frac{T}{2}$

Lưu ý:

 + Nếu khoảng thời gian $t\text{'}\ge \frac{T}{2}$ thì tách:$t\text{'}=n.\frac{T}{2}+t \left(t<\frac{T}{2}\right) \Rightarrow S=n.2A+∆S_{min}$. Với :$∆S_{min}=2A\left(1-\cos \left(\frac{∆\phi }{2}\right)\right)$.

+ Công thức còn có thể viết : $∆S_{min}=2A\left(1-\cos \left(\frac{∆\phi }{2}\right)\right)=2A\left(1-\cos \left(\frac{\omega .t}{2}\right)\right)=2A\left(1-\cos \left(\frac{{\displaystyle \frac{2\pi }{T}.t}}{2}\right)\right)=2A\left(1-\cos \left(\frac{{\displaystyle \pi .t}}{T}\right)\right)$ 

Với: $t<\frac{T}{2}$.

$\overline{v}=\frac{S}{t}$

Khái niệm:

Tốc độ trung bình là thương số giữa quãng đường chất điểm đi được và thời gian để đi hết được quãng đường đó.

Chú thích:

$\overline{v}$: Tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S$: Quãng đường chất điểm đi được $(cm, m)$

$t$: Thời gian mà vật chuyển động được quãng đường $S$ $\left(s\right)$

Lưu ý:

+ Tốc độ trung bình của chất điểm trong một chu kỳ: $\overline{v}=\frac{S}{t}=\frac{4A}{T}=\frac{4A}{{\displaystyle \frac{2\pi }{\omega }}}=\frac{2}{\pi }A\omega =\frac{2}{\pi }{v}_{max}$.

+Tốc độ trung bình của chất điểm trong nửa chu kỳ: $\overline{v} =\frac{S}{t}=\frac{2A}{{\displaystyle \frac{T}{2}}}=\frac{4A}{T}=\frac{2}{\pi }{v}_{max.}$

$v_{tb}=\frac{∆x}{∆t}$

Khái niệm:

Vận tốc trung bình là thương số giữa độ dời của chất điểm và độ biến thiên thời gian.

Chú thích:

$v_{tb}$: Vận tốc trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$∆x$: Độ dời của chất điểm $(cm, m)$ $\left(∆x=x_2-x_1\right)$

$∆t$: Thời gian để vật thực hiện độ dời $∆x$ $\left(s\right)$ $\left(∆t=t_2-t_1\right)$

$\overline{v}=\frac{S_{max}}{t}$

Chú thích:

$\overline{v}$: Tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S_{max}$: Quãng đường lớn nhất chất điểm đi được trong khoảng thời gian $t$ $(cm, m)$

$t$: Thời gian chuyển động của chất điểm $\left(s\right)$

Lưu ý:

$S_{max}=2A\sin \left(\pi \frac{t}{T}\right)$ với $t<\frac{T}{2}$

$\overline{v}=\frac{S_{min}}{t}$

Chú thích:

$\overline{v}$: Tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S_{min}$: Quãng đường nhỏ nhất chất điểm đi được trong khoảng thời gian $t$ $(cm, m)$

$t$: Thời gian chuyển động của chất điểm $\left(s\right)$

Lưu ý:

$S_{min}=2A\left(1-\cos \left(\pi .\frac{t}{T}\right)\right)$ với $t<\frac{T}{2}$

$F=ma=-m{\omega }^{2}x$

Định nghĩa : Lực phục hồi trong dao động điều hòa là tổng hợp các lực làm cho vật dao động điều hòa.Lực phục hồi cũng biến thiên điều hòa cùng tần số với gia tốc .

Công thức : $F=ma=-m{\omega }^{2}x=-m{\left(\frac{2\mathrm{\pi }}{T}\right)}^{2}x$

Chú ý lực phục hồi cùng chiều với gia tốc có độ lớn cực đại tại hai biên bằng 0 tại VTCB

$W_{đ}=\frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}m{\omega }^2\left(A^2-x^2\right)=\frac{m{\omega }^2{A}^2}{2}{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right)$

Định nghĩa:

Động năng của dao động điều hòa là dạng năng lượng dưới dạng chuyển động .Biến thiên với chu kì và tần số $\frac{T}{2},2f$.Trong quá trình chuyển động động năng và thế năng chuyển đổi cho nhau.

Công thức:

$W_{đ}=\frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}m{\omega }^2\left(A^2-x^2\right)=\frac{m{\omega }^2{A}^2}{2}{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right)$

Với $W_{đ} :$Động năng của dao động điều hòa $\left(J\right)$

       m : Khối lượng của vật $\left(kg\right)$

       $\omega$: tần số góc của dao động điều hòa $\left(rad/s\right)$

       $A:$ Biên độ của dao động điều hòa

Chú ý động năng cực đại : $W_{đ} max =\frac{m{\omega }^{2}A}{2}$ tại VTCB và bằng cơ năng

$W_t=W-W_{đ}=\frac{m{\omega }^{2}A}{2}{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right)$

Định nghĩa : Thế năng là dạng năng lượng phụ thuộc vào vị trí .Thế năng biến thiên điều hòa cùng chu kì, tần số với động năng.Thế năng và động năng có thể chuyển hóa cho nhau nhưng cơ năng là một đại lượng bảo toàn.

Công thức: 

$W_t=W-W_{đ}=\frac{m{\omega }^{2}A}{2}{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right)=\frac{m{\omega }^2{x}^2}{2}$

Chú ý : $W_t max =\frac{m{\omega }^2{A}^2}{2}$ tại biên và có giá trị bằng cơ năng

$W=W_t+W_{đ}=\frac{m{\omega }^2{A}^2}{2}$

Định nghĩa : Cơ năng của dao động điều hòa bằng tổng động năng và thế năng.Cơ năng là đại lượng bảo toàn khi bỏ qua ma sát.

Công thức :

 $W=W_t+W_{đ}=\frac{m{\omega }^2{A}^2}{2}$

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\cos \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\cos \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc, động năng  không vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} v=v_{max}\sin \left(\omega t+\phi \right) \\ {W}_{đ}=W{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\cos \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\cos \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Khi đó vật đi từ vị trí u đến vị trí biên.Các khoảng thời gian này vật đối xứng qua Biên . Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gain đó chia cho 2

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc, động năng  vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} v=v_{max}\sin \left(\omega t+\phi \right) \\ {W}_{đ}=W{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Khi đó vật đi từ vị trí u đến vị trí VTCB.Các khoảng thời gian này vật đối xứng qua VTCB . Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gian đó chia cho 2

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\cos \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho li độ , lực phục hồi . gia tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\cos \left(\frac{W_{t_1}}{W}\right)$ dùng cho thế năng 

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn li độ,lực phục hồi, thế năng  vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} x=A\cos \left(\omega t+\phi \right) \\ a=a_0\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ F=F_0\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ {W}_t=W{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\cos \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho li độ , lực phục hồi . gia tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\cos \left(\frac{W_{t_1}}{W}\right)$ dùng cho thế năng 

Khoảng thời gian này được tính khi vật đi từ vị trí có điều kiện bằng u ra biên.Các khoảng thời gian này đổi xứng nhau qua biên.Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gian chia cho 2.

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{u}{A}\right)$ dùng cho li độ , lực phục hồi

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{u}{W}\right)$ dùng cho thế năng 

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn li độ,lực phục hồi, thế năng  không vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} x=A\cos \left(\omega t+\phi \right) \\ a=a_{max}\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ F=F_{max}\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ {W}_t=W{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho li độ , lực phục hồi . gia tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{W_{t_1}}{W}\right)$ dùng cho thế năng 

Khoảng thời gian này được tính khi vật đi từ vị trí có điều kiện bằng u về VTCB.Các khoảng thời gian này đổi xứng nhau qua VTCB.Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gian chia cho 2.

$x_2=x_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)+\frac{v_1}{\omega }\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

$v_2=v_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)-\omega x_1\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

Tại thời điểm t₁ vật có li độ x₁ và vận tốc v₁

    Đến thời điểm vật có li độ x₂ và vận tốc v₂

Ta có: $x_2=A\cos \left({\phi }_1+\omega ∆t\right)=x_1\cos \left(\omega ∆t\right)+\frac{v_1}{\omega }\sin \left(\omega ∆t\right)$

Với $∆\phi =\omega ∆t$, nên $x_2=x_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)+\frac{v_1}{\omega }\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

Ta có:  $v_2=-\omega A\sin \left({\phi }_1+\omega ∆t\right)=-v_1\cos \left(\omega ∆t\right)-\omega x_1\sin \left(\omega ∆t\right)$

    Vậy: $v_2=v_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)-\omega x_1\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

* Đặc biệt:

 + Sau khoảng thời gian$T$ (hoặc $nT$) vật trở lại vị trí và chiều chuyển động như cũ:$x_1=x_2;v_1=v_2;$                              ; .

 + Sau khoảng thời gian $\left(2n+1\right)\frac{T}{2}$ [hoặc ] vật qua vị trí đối xứng: ; .$x_2=-x_1;v_2=-v_1$

 + Sau khoảng thời gian $\left(2n+1\right)\frac{T}{4}$ [hoặc ] vật qua vị trí đối xứng:

$x_2=\pm \sqrt{A^2-{x_1}^2}$

$v_2=\pm \sqrt{{v_{max}}^2-{v_1}^2}$

$∆t$

Ví dụ từ $\frac{-A}{2} đến \frac{A\sqrt{2}}{2}$ : $∆t=\frac{T}{12}+\frac{T}{8}=\frac{5T}{24}$

$S_{max}=2A\sin \left(\frac{∆\phi }{2}\right)=2A\sin \left(\frac{{\displaystyle \pi .t}}{T}\right)$

Nguyên tắc: Vật đi được quãng đường dài nhất khi li độ điểm đầu và điểm cuối có giá trị đối nhau.

Chú thích:

$S_{max}$: Quãng đường lớn nhất chất điểm chuyển động trong khoảng thời gian $t$$(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$∆\phi$: góc quét của chất điểm trong khoảng thời gian $t$ $\left(rad\right)$

Với: $∆\phi =\omega .t$ và $t<\frac{T}{2}$

Lưu ý:

 + Nếu khoảng thời gian $t\text{'}\ge \frac{T}{2}$ thì tách:$t\text{'}=n.\frac{T}{2}+t \left(t<\frac{T}{2}\right) \Rightarrow S=n.2A+∆S_{max}$. Với :$∆S_{max}=2A\sin \left(\frac{∆\phi }{2}\right)$.

+ Công thức còn có thể viết : $∆S_{max}=2A\sin \left(\frac{∆\phi }{2}\right)=2A\sin \left(\frac{\omega .t}{2}\right)=2A\sin \left(\frac{{\displaystyle \frac{2\pi }{T}}.t}{2}\right)=2A\sin \left(\frac{{\displaystyle \pi .t}}{T}\right)$ 

Với: $t<\frac{T}{2}$.

$W_{đ}=n{W}_t$

$W_{đ}=n{W}_t\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}x=\pm \frac{A}{\sqrt{n+1}}\\ v=\pm v_{max}\sqrt{\frac{n}{n+1}}\end{array}\right.$

Chú thích:

$W_{đ}$: Động năng $\left(J\right)$

$W_t$: Thế năng $\left(J\right)$

$n$: Số dương bất kỳ

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$

$v_{max}$: Vận tốc cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$T=\frac{2\mathrm{\pi }}{\omega }=\frac{t}{N}$

Khái niệm:

Chu kỳ của dao động điều hòa là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần. 

Chú thích:

$T$: Chu kỳ dao động $\left(s\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.

Lưu ý:

Thời gian vật đi được tại các vị trí đặc biệt:

$f=\frac{1}{T}=\frac{\omega }{2\mathrm{\pi }}=\frac{N}{t}$

Khái niệm:

Tần số của dao động điều hòa là số dao động chất điểm thực hiện được trong một giây.

Chú thích:

$f$: Tần số dao động $(1/s)$ $\left(Hz\right)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$T$: Chu kỳ dao động của vật $\left(s\right)$.

$N$: Số dao động mà chất điểm thực hiện được trong khoảng thời gian $t$.

$t:$ Thời gian thực hiện hết số dao động $\left(s\right)$.

$v_{max}=\omega .A$

Chú thích: 

$v_{max}$: Tốc độ cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$\omega$: Tần số góc ( tốc độ góc) $(rad/s)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

Lưu ý:

Vận tốc đạt giá trị cực đại khi vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương. $(v_{max}=\omega A)$

Vận tốc đạt giá trị cực tiểu khi vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm.$(v_{min}=-\omega A)$

Tốc độ lớn nhất ( xét độ lớn) khi vật ở vị trí cân bằng.$\left({\left|v\right|}_{max}=\omega A\right)$

Tốc độ nhỏ nhất (xét độ lớn) khi vật ở hai biên.$\left({\left|v\right|}_{min}=0\right)$

$a=-{\omega }^2.x$

Công thức:

Từ phương trình $a=v\text{'}=\left[-\omega A\sin \left(\omega t+\phi \right)\right]=-{\omega }^{2}A\cos \left(\omega t+\phi \right)=-{\omega }^{2}x$.

Chú thích:

$a$: Gia tốc của chất điểm trong dao động điều hòa tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s^2, m/s^2)$

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$

$x$: li độ của chất điểm $(cm, m)$

${\overline{v}}_{tb}=\frac{S}{t}$

Khái niệm: 

Tốc độ của một vật là độ lớn của sự thay đổi vị trí của nó.

Chú thích:

${\overline{v}}_{tb}$: tốc độ trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$S$: Quãng đường mà chất điểm đi được trong thời gian $t$ $(cm, m)$

$t$: Thời gian vật chuyển động $\left(s\right)$

Lưu ý: 

+ Tốc độ trung bình của chất điểm chuyển động trong một chu kỳ :

$V_{tb}=\frac{S}{t}=\frac{4A}{T}=\frac{4A}{{\displaystyle \frac{2\mathrm{\pi }}{\omega }}}=\frac{2}{\mathrm{\pi }}A\omega =\frac{2}{\mathrm{\pi }}{v}_{max}$.

+ Tốc độ trung bình của chất điểm chuyển động trong nửa chu kỳ:

$V_{tb}=\frac{S}{t}=\frac{2A}{{\displaystyle \frac{T}{2}}}=\frac{4A}{T}=\frac{2}{\mathrm{\pi }}{v}_{max}$

$v_{tb}=\frac{∆x}{t}=\frac{x_2-x_1}{t}$

Khái niệm:

Vận tốc trung bình trong khoảng thời gian nhất định được định nghĩa là tỉ số giữa sự thay đổi vị trí trong khoảng thời gian đang xét và khoảng thời gian đó.

Chú thích:

$v_{tb}$: Vận tốc trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$∆x$: Độ dời của chất điểm $(cm, m)$

$x_1$: Vị trí của vật tại thời điểm bắt đầu xét chuyển động $(cm, m)$

$x_2$: Vị trí của vật sau khi chuyển động trong thời gian $t$ $(cm, m)$

$t$: Thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$

$x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2; \frac{v^2}{{\omega }^2}+\frac{a^2}{{\omega }^4}=A^2$

Li độ $x$ và vận tốc $v$ vuông pha nhau :

$\frac{x^2}{A^2}+\frac{v^2}{{v^2}_{max}}=1\iff \frac{x^2}{A^2}+\frac{v^2}{{\omega }^2{A}^2}=1\Rightarrow \boxed{x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2}$ 

Vận tốc $v$ và gia tốc $a$ vuông pha nhau:

$\frac{v^2}{{v^2}_{max}}+\frac{a^2}{{a^2}_{max}}=1\iff \frac{v^2}{{\omega }^2{A}^2}+\frac{a^2}{{\omega }^4{A}^2}=1\iff \boxed{\frac{v^2}{{\omega }^2}+\frac{a^2}{{\omega }^4}=A^2}$ 

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc ( Tốc độ góc) $(rad/s)$

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$

$a$: Gia tốc của chất điểm tại vị trí có li độ x $(cm/s^2, m/s^2)$

$v_{max}$: Vận tốc cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$a_{max}$: Gia tốc cực đại của chất điểm $(cm/s^2, m/s^2)$

Lưu ý: Hai công thức trên còn được gọi là hệ thức độc lập thời gian.

$A=\frac{L}{2}=\frac{S}{4N}=\frac{v_{max}}{\omega }=\frac{a_{max}}{{\omega }^2}=\frac{{v^2}_{max}}{a_{max}}=\sqrt{x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}}=\frac{\sqrt{{\omega }^2{v}^2+a^2}}{{\omega }^2}$

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$L$: Độ dài quỹ đạo $(cm, m)$

$S$: Quãng đường vật đi được trong $N$ vòng $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc ( Tốc độ góc) $(rad/s)$

$N$: số dao động toàn phần mà chất điểm thực hiện được

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$

$a$: Gia tốc của chất điểm tại vị trí có li độ x $(cm/s^2, m/s^2)$

$v_{max}$: Vận tốc cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$a_{max}$: Gia tốc cực đại của chất điểm $(cm/s^2, m/s^2)$

Chứng minh các công thức:

+ Vật chuyển động trên quỹ đạo dài $L=2A \iff A=\frac{L}{2}$.

+ Vật chuyển động cứ một vòng sẽ đi được quãng đường là $4A$, vật vật đi $N$ vòng thì quãng đường sẽ là $S=4AN \iff A=\frac{S}{4N}$.

+ Từ công thức tốc độ cực đại của vật: $v_{max}=\omega A \iff A=\frac{v_{max}}{\omega }$.

+ Từ công thức gia tốc cực đại của vật: $a_{max}={\omega }^{2}A \iff A=\frac{a_{max}}{{\omega }^2}$.

+ Ta có: $v_{max}=\omega A$ và $a_{max}={\omega }^{2}A$ $\Rightarrow \frac{{v^2}_{max}}{a_{max}}=\frac{{\omega }^2{A}^2}{{\omega }^{2}A}=A$.

+ Từ hệ thức độc lập thời gian :$x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2 \iff A=\sqrt{x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}}$.

+ Từ hệ thức độc lập thời gian :$\frac{v^2}{{\omega }^2}+\frac{a^2}{{\omega }^4}=A^2 \iff \frac{v^2{\omega }^2+a^2}{{\omega }^4}=A^2 \iff A=\frac{\sqrt{v^2{\omega }^2+a^2}}{{\omega }^2}$.

$a={\omega }^{2}A\cos (\omega t+\phi +\mathrm{\pi })$

Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian.

$a=v\text{'}=\left[-\omega A\sin (\omega t+\phi )\right]\text{'}=-{\omega }^{2}A\cos (\omega t+\phi )={\omega }^{2}A\cos (\omega t+\phi +\mathrm{\pi })$.

Chú thích:

$a$: Gia tốc của chất điểm tại thời điểm $t$ $(cm/s^2, m/s^2)$

$A$: Biên độ dao động (li độ cực đại) của chất điểm $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$

$(\omega t+\phi )$: Pha dao động tại thời điểm $t$ $\left(rad\right)$

$\phi$: Pha ban đầu của chất điểm tại thời điểm $t=0$

$t:$Thời gian $\left(s\right)$

Liên hệ pha:

Gia tốc sớm pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với vận tốc $\iff$Vận tốc chậm (trễ) pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với gia tốc.

Gia tốc sớm pha $\mathrm{\pi }$ so với li độ ( $a$ ngược pha $x$).

Đồ thị:

Đồ thị gia tốc theo thời gian là đường hình sin.

Đồ thị gia tốc theo li độ là một đường thẳng.

Đồ thị gia tốc theo vận tốc là một elip.

$v=\omega A\cos \left(\omega t+\phi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}\right)$

Khái niệm:

Vận tốc là đạo hàm của li độ theo thời gian:

$v=x\text{'}=\left[A\cos (\omega t+\phi )\right]\text{'}=-\omega A\sin (\omega t+\phi )=\omega A\cos \left(\omega t+\phi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}\right)$

Chú thích: 

v: Vận tốc của chất điểm tại thời điểm $t$ $(cm/s, m/s)$

$A$: Biên độ dao động (li độ cực đại) của chất điểm $(cm,m)$

$\omega$: Tần số góc ( tốc độ góc) $(rad/s)$

$(\omega t+\phi )$: Pha dao động tại thời điểm $t$ $\left(rad\right)$

$\phi$: Pha ban đầu của chất điểm tại thời điểm $t=0$ $\left(rad\right)$

$t:$ Thời gian $\left(s\right)$

Đồ thị:

Đồ thị vận tốc theo thời gian là đường hình sin.

Đồ thị vận tốc theo li độ là hình elip.

Liên hệ pha:

Vận tốc sớm pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với li độ $x$ $\iff$ Li độ $x$ chậm (trễ) pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với vận tốc.

Gia tốc sớm pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với vận tốc $\iff$ Vận tốc chậm (trễ) pha $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$ so với gia tốc.

$x=A\cos (\omega t+\phi )$

Định nghĩa: Hình chiếu của một vật chuyển động tròn đều lên đường kính của nó là một dao động đều hòa.

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm tại thời điểm $t$.

$t:$ Thời gian $\left(s\right)$.

$A$: Biên độ dao động ( li độ cực đại) của chất điểm $(cm, m)$.

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$.

$(\omega t+\phi )$: Pha dao động tại thời điểm $t$ $\left(rad\right)$.

$\phi$: Pha ban đầu của dao động tại thời điểm $t=0$ $(-\pi \le \phi \le \mathrm{\pi })$$\left(rad\right)$.

Đồ thị:

Đồ thị của tọa độ theo thời gian là đường hình sin.

$$\begin{gathered} \frac{W_{đ}}{W_t}=\frac{A^2-x^2}{x^2}=\frac{v^2}{{v_{max}}^2-v^2} \\ =\frac{W_{đ}}{W-W_{đ}}={\tan }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức:

$\frac{W_{đ}}{W_t}=\frac{A^2-x^2}{x^2}=\frac{W_{đ}}{W-W_{đ}}={\tan }^2\left(\omega t+\phi \right)$

$$\begin{gathered} Trong n chu kì:S=4.n.A \\ Trong n của nửa chu kì :S=2.n.A \end{gathered}$$

Trong 1 chu kì vật đi được 1 dao động , trong nửa chu kì vật đi nửa dao động

Với A: Biên độ $\left(m\right)$

$t=nT+m\frac{T}{2}+∆t ;\left(∆t<\frac{T}{2}\right)$

$\Rightarrow N=4n+2m+q$

Trong 1 chu kì

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Số lần vật đổi chiều trong 1 chu kì  : 2

Số lần vật có cùng giá trị $x,v,F,W_{đ},W_t hoặc v_{max},a_{max}$: 2

Số lần vật có cùng độ lớn $x,v,F,W_{đ},W_t$: 4

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Công thức xác định số lần thỏa điều kiện trong khoảng thời gian :

Khi không lấy chiều

$Xét$ : $t=nT+m\frac{T}{2}+∆t ;\left(∆t<\frac{T}{2}\right)$

Tính $∆t$ =$\omega ∆\alpha$ ,với góc quét là từ vị trí trí đang xét đến vị trí tiếp

số lần $N=2n+m+q$

khi lấy chiều $N=2n+m+q$

$t=nT+∆t ;\left(∆t<T\right)$

$\Rightarrow N=2n+q$

Trong 1 chu kì

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Số lần vật đổi chiều trong 1 chu kì  : 2

Số lần vật có cùng giá trị $x,v,F,W_{đ},W_t hoặc v_{max},a_{max}$: 2

Số lần vật có cùng độ lớn $x,v,F,W_{đ},W_t$: 4

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Công thức xác định số lần thỏa điều kiện giá trị trong khoảng thời gian :

Không xét chiều

$Xét$ : $t=nT+m\frac{T}{2}+∆t ;\left(∆t<\frac{T}{2}\right)$

Tính $∆t$ =$\omega ∆\alpha$ ,với góc quét là từ vị trí trí đang xét đến vị trí tiếp

số lần $N=2n+q$

Khi ta lấy thêm chiều : $N=n+q$

$t=T\left[\frac{n}{n_0}\right]\pm ∆t$

• Bước 1: Nhận xét xem trong 1 chu kỳ vật đi qua vị trí x là n₀ lần.
• Bước 2: Phân tích $n=n_0\left[\frac{n}{n_0}\right]\pm ∆n$
• Bước 3: Tổng thời gian:$t=T\left[\frac{n}{n_0}\right]\pm ∆t$ (Dựa vào vòng tròn để tính $∆t$)
• $∆t=\frac{∆\alpha °}{360°}.T=\frac{∆\alpha \left(rad\right)}{2\mathrm{\pi }}T$
• $∆\alpha =\frac{∆\alpha °}{360°}.2\pi =\omega ∆t$

$\begin{array}{cc}t=\left(-\phi \pm arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)\right)\frac{T}{2\pi }+kT ;k\in Z& \end{array}$

$x=A\cos \left(\omega t+\phi \right)$

Thời điểm vật có li độ x 

$\begin{array}{cc}t\begin{array}{cc}=\left(-\phi \pm arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)\right)\frac{T}{2\pi }+kT ;k\in Z& \end{array} ;k\in Z& \end{array}$

$\begin{array}{cc}t=\left(-\phi -\pi \pm arc\cos \left(\frac{a}{A{\omega }^2}\right)\right)\frac{T}{2\pi }+kT ;k\in Z& \end{array}$

Những thời điểm vật có gia tốc , lực phục hồi  thỏa điều kiện

$\begin{array}{cc}t=\left(-\phi -\pi \pm arc\cos \left(\frac{a}{A{\omega }^2}\right)\right)\frac{T}{2\pi }+kT ;k\in Z& \end{array}$

$\begin{array}{cc}t=\left(-\phi -\pi \pm arc\cos \left(\frac{F}{F_{max}}\right)\right)\frac{T}{2\pi }+kT ;k\in Z& \end{array}$

 

$\begin{array}{cc}{t}_{ }=\left(-\left(\phi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}\right)\pm arc\cos \left(\frac{v}{A\omega }\right)\right)\frac{T}{2\pi }+k_{1}T ;k_1\in Z& \end{array}$

$v=A\omega \cos \left(\omega t+\phi +\frac{\pi }{2}\right)$

Thời điểm vật có vận tốc v:

$\begin{array}{cc}{t}_{ }=\left(-\left(\phi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}\right)\pm arc\cos \left(\frac{v}{A\omega }\right)\right)\frac{T}{2\pi }+k_{1}T ;k_1\in Z& \end{array}$

$\frac{∆t}{T}=n+a$

$\Rightarrow S=n.4.A+S_3$

• Bước 1: Tìm $∆t=t_2-t_1$
• Bước 2: Lập tỉ số: $\frac{∆t}{T}=n+a$ ; ($n\in N ;0\le aT<T)$
• Bước 3: Tìm quãng đường. $S=n.4.A+S_3$
• Bước 4: Tìm $S_3$:

   Để tìm được $S_3$ ta tính như sau:

              - Tại t = $t_1$: x =?

              - Tại t = $t_2$; x =?

   Căn cứ vào vị trí và chiều chuyển động của vật tại t₁ và t₂ để tìm ra S₃ (Dựa vào đường tròn)

• Bước 5: thay S₃ vào S để tìm ra được quãng đường.

* Chú ý: Các trường hợp đặc biệt: 

$\left\{\begin{array}{l}{S}_T=4A\\ S_{\frac{T}{2}}=A\end{array}\right.\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}{S}_{nT}=n.4A\\ S_{\frac{nT}{2}}=2.n.A\end{array}\right.$

$t=\frac{\alpha }{\omega }$

Lưu ý:

Thời gian đi từ 2 biên vào đến các vị trí đặc biệt:

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A\sqrt{3}}{2}$ là $\frac{T}{12}$.

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A\sqrt{2}}{2}$ là $\frac{T}{8}$.

+ Từ biên về vị trí  $x=\pm \frac{A}{2}$ là $\frac{T}{6}$.

+ Từ biên về vị trí cân bằng là $\frac{T}{4}$.

$$\begin{gathered} S=4nA+2.mA+s_2 ;\left( s_2<2A\right) \\ \Rightarrow t=nT+m\frac{T}{2}+∆t \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} S=4nA+2.mA+s_2 ;\left( s_2<2A\right) \\ \Rightarrow t=nT+m\frac{T}{2}+∆t \end{gathered}$$

Tính góc quay  của $s_2$

$v^2={\omega }^2\left(A^2-x^{{}_2}\right)$

Từ công thức độc lập thời gian : $x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}=A^{2 \iff } \frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2-x^2\Rightarrow \boxed{v^2={\omega }^2\left(A^2-x^2\right)}$

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc ( Tốc độ góc) $(rad/s)$

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$

$$\begin{gathered} \omega =2\pi f=\frac{2\mathrm{\pi }}{\mathrm{T}}=\frac{2\mathrm{\pi N}}{t}=\frac{{\mathrm{a}}_{\max }}{{\mathrm{v}}_{\max }}=\frac{{\mathrm{v}}_{\max }}{\mathrm{A}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{a}}_{\max }}{\mathrm{A}}} \\ =\frac{\left|\mathrm{v}\right|}{\sqrt{{\mathrm{A}}^2-{\mathrm{x}}^2}}=\sqrt{\frac{\left|v_1^2-v_2^2\right|}{\left|x_1^2-x_2^2\right|}} \end{gathered}$$

Chú thích:

$\omega$: Tốc độ góc (Tần số góc) $(rad/s)$.

$f$: Tần số dao động $\left(Hz\right)$.

T: Chu kỳ dao động $\left(s\right)$.

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$.

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $x$ $(cm/s, m/s)$.

$a$: Gia tốc của chất điểm tại vị trí có li độ x $(cm/s^2, m/s^2)$.

$v_{max}$: Vận tốc cực đại của chất điểm $(cm/s, m/s)$.

$a_{max}$: Gia tốc cực đại của chất điểm $(cm/s^2, m/s^2)$.

$x:$ Li độ của chất điểm trong dao động điều hòa $\left(cm\right)$.

Chứng minh các công thức:

+ Từ công thức tính tần sô : $f=\frac{\omega }{2\mathrm{\pi }} \iff \omega =2\pi f$.

+ Từ công thức tính chu kỳ: $T=\frac{2\mathrm{\pi }}{\omega } \iff \omega =\frac{2\mathrm{\pi }}{T}$.

+ Từ công thức vận tốc cực đại và gia tốc cực đại của chất điểm : $\left\{\begin{array}{l}{v}_{max}=\omega A\\ a_{max}={\omega }^{2}A\end{array}\right. \Rightarrow \left\{\begin{array}{l}\frac{a_{max}}{v_{max}}=\frac{{\omega }^{2}A}{\omega A}=\omega \Rightarrow \omega =\frac{a_{max}}{v_{max}}\\ \omega =\frac{v_{max}}{A}\\ \omega =\sqrt{\frac{a_{max}}{A}}\end{array}\right.$

+ Từ công thức độc lập thời gian: $x^2+\frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2 \iff \frac{v^2}{{\omega }^2}=A^2-x^2 \iff {\omega }^2=\frac{v^2}{A^2-x^2} \Rightarrow \omega =\frac{\left|v\right|}{\sqrt{A^2-x^2}}$

+ Công thức độc lập thời gian tại từng thời điểm $t_1;t_2$ là:

$\left\{\begin{array}{l}{x}_1^2+\frac{v_1^2}{{\omega }^2}=A^2\\ x_2^2+\frac{v_2^2}{{\omega }^2}=A^2\end{array}\right.\Rightarrow x_1^2+\frac{v_1^2}{{\omega }^2}=x_2^2+\frac{v_2^2}{{\omega }^2}\iff x_1^2-x_2^2=\frac{v_2^2-v_1^2}{{\omega }^2}\Rightarrow \omega =\sqrt{\frac{\left|v_2^2-v_1^2\right|}{\left|x_1^2-x_2^2\right|}}$

$\phi =\pm arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)=\pm arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)$

$\boxed{\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)- \omega t_0}$

Chú thích:

$x$: Li độ của chất điểm $(cm, m)$

$A$: Biên độ dao động $(cm, m)$

$\omega$: Tần số góc ( Tốc độ góc) $(rad/s)$

$v$: Vận tốc của chất điểm tại vị trí có li độ $(cm/s, m/s)$

$\phi$: Pha ban đầu của chất điểm $\left(rad\right)$

+ Căn cứ vào thời điểm $t=0$ thì : $\left\{\begin{array}{l}x=A\cos \left(\phi \right)\\ v=-A\omega \sin \left(\phi \right) \left(>;<;=0\right)\end{array}\right.\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}\cos \left(\phi \right)=\frac{x}{A}\\ \phi \left(>;<;=0\right)\end{array}\right.\Rightarrow \boxed{\phi =arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)}$

Do $v.\phi <0$ nên dấu của $\phi$ tùy thuộc vào $v$: $\left\{\begin{array}{l}vật chuyển động theo chiều dương: v>0 \Rightarrow \phi <0.\\ vật chuyển động theo chiều âm : v<0 \Rightarrow \phi >0.\end{array}\right.$

+ Hoặc chia 2 vế phương trình trên : $\frac{v}{x}=-\omega \tan \left(\phi \right) \iff \boxed{\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)}$

Lưu ý:

Nếu đề cho tại $t=t_0$ thì $x=x_0; v=v_0$ thì : $$\begin{gathered} \left\{\begin{array}{l}{x}_0=A\cos \left(\omega t_0+\phi \right)\\ v_0=-A\omega \sin \left(\omega t_0+\phi \right) \end{array}\right.\Rightarrow \frac{v_0}{x_0}=-\omega \tan \left(\omega t_0+\phi \right) \\ \iff \omega t_0+\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right) \iff \boxed{\phi =arc\tan \left(-\frac{v}{\omega x}\right)- \omega t_0} \end{gathered}$$

$a_{max}={\omega }^{2}A$

Chú thích:

$a$: Gia tốc cực đại của chất điểm trong dao động điều hòa $(cm/s^2, m/s^2)$

$\omega$: Tần số góc (tốc độ góc) $(rad/s)$

A: li độ cực đại của chất điểm (biên độ dao động) $(cm, m)$

Lưu ý:

Gia tốc đạt giá trị cực đại khi vật ở biên âm.$\left(a_{max}={\omega }^{2}A\right)$

Gia tốc đạt giá trị cực tiểu khi vật ở biên dương.$\left(a_{min}=-{\omega }^{2}A\right)$

Gia tốc đạt độ lớn lớn nhất tại vị trí hai biên.$\left({\left|a\right|}_{max}={\omega }^{2}A\right)$

Gia tốc đạt độ lớn nhỏ nhất tại vị trí cân bằng.$\left({\left|a\right|}_{min}=0\right)$

$\left(\omega t+\phi \right)=arc\cos \left(\frac{x}{A}\right)$

Chú thích:

$\omega$ : tần số góc của dao động điều hóa $\left(rad/s\right)$

$\phi$: Pha ban đầu $\left(rad\right)$