Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

44

Bổ sung các dao động điều hòa

Trong đoạn 80 của § 16 của sách giáo khoa “Đại số và Nguyên tắc phân tích 10”, khái niệm dao động điều hòa được giới thiệu bằng ví dụ về chuyển động của một quả bóng gắn với hai lò xo nằm ngang (Hình 1). Ở đây chúng ta sẽ không nói về các quá trình vật lý trong đó những rung động hài hòa phát sinh một cách tự nhiên. Mục tiêu của chúng ta là hiểu được phép cộng các dao động điều hòa có cùng tần số.

Như chúng ta đã lưu ý (Hình 1), dao động điều hòa có thể được biểu diễn dưới dạng dao động của điểm gốc O dọc theo trục Ox. Đồ thị của chuyển động này giống đồ thị của hàm số

x(t)=Acos⁡(ωt+φ).x(t) = A \cos(\omega t + \varphi).

Độ lệch lớn nhất của điểm x(t) so với điểm O trong quá trình dao động tất nhiên bằng số |A| và được gọi là biên độ dao động. Chu kỳ dao động bằng 2π∣ω∣.\frac{2\pi}{|\omega|}. Giá trị |ω| gọi là tần số dao động. Vị trí ban đầu của điểm x(t) (tại thời điểm t=0) được xác định bởi giá trị A cos φ.

Tất nhiên, cùng một dao động điều hòa có thể được tính bằng các công thức khác nhau.

Sử dụng ví dụ về chuyển động của các điểm dao động, chúng ta áp dụng chúng, nghĩa là cộng hai dao động điều hòa. Nếu một điểm x₁ có vị trí ban đầu trên trục Ox A₁cos φ₁ dao động theo định luật x₁(t) = A₁cos(ω₁t + φ₁) và một điểm x₂ khác có vị trí ban đầu A₂cos φ₂ - theo định luật x₂(t) = A₂(cos ω₂t + φ₂), thì tổng các dao động này sẽ là dao động của một điểm x nhất định với vị trí ban đầu A₁cos φ₁ + A₂cos φ₂ theo định luật x(t) = A₁cos(ω₁t + φ₁) + A₂cos(ω₂t + φ₂). Hóa ra là nếu các điểm x₁ và x₂ dao động với cùng tần số ω₁ = ω₂ = ω, thì tổng của chúng cũng sẽ là dao động điều hòa có cùng tần số ω. Thực tế này trong đoạn 82 § 16 của sách giáo khoa bắt nguồn từ thực tế là tổng của hai phương trình vi phân lời giải y’’ = -ω²y lại là lời giải của phương trình này (và tất cả lời giải của nó đều có dạng y = A cos(ωt + φ). Liệu có thể thu được kết quả này bằng cách nào đó đơn giản hơn mà không cần biết các phương trình vi phân?

Bạn có thể thử thêm các rung động hài hòa bằng đồ họa. Hình 2 biểu diễn đồ thị của hai hàm số có cùng chu kỳ: y = 2cos(2t + π/3) và y = cos(2t + π/6). Từ hai đồ thị này, không hề rõ ràng rằng tổng y = 2cos(2t + π/3) + cos(2t + π/6) của chúng sẽ là một dao động điều hòa. Vì vậy, như chúng ta có thể thấy, điều này không thuận tiện lắm.

Cơm. 1.

45

Trong trường hợp ω1=ω2=ω\omega_1 = \omega_2 = \omega, việc minh họa phép cộng các dao động điều hòa bằng biểu đồ vectơ của chúng sẽ dễ dàng hơn nhiều. Hãy giải thích nó là gì.

Trước hết, các điều kiện để dao động điều hòa được viết là Acos⁡(ωt+φ)A \cos(\omega t + \varphi), trong đó A>0A > 0, ω>0\omega > 0 và φ∈[0,2π]\varphi \in [0, 2\pi]. Chúng ta có thể mang lại bất kỳ rung động hài hòa nào cho hình thức này. Bây giờ chúng ta hãy xem xét một số hệ tọa độ XOYXOY và lấy một đường tròn có bán kính AA với tâm OO ở gốc tọa độ (hãy nhớ rằng AA được chọn là dương). Giả sử rằng một điểm nhất định P(t)P(t) di chuyển ngược chiều kim đồng hồ dọc theo vòng tròn này - vị trí của nó phụ thuộc vào thời gian tt - sao cho vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) quay đều, vượt qua ω\omega radian trên một đơn vị thời gian (ω\omega được chọn dương). Giả sử rằng tại thời điểm ban đầu (t=0)(t = 0) vectơ OP⃗(0)\vec{OP}(0) tạo một góc φ\varphi (φ∈[0,2π]\varphi \in [0, 2\pi]) với hướng dương của trục OXOX, tức là tọa độ của điểm P(0)P(0) là (Acos⁡φ;Asin⁡φ)(A\cos\varphi; A\sin\varphi). Khi đó góc mà vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) tạo với hướng dương của trục OXOX tại thời điểm tt bằng ωt+φ\omega t + \varphi, nên tọa độ của vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) là (Acos⁡(ωt+φ);Asin⁡(ωt+φ))(A\cos(\omega t + \varphi); A\sin(\omega t + \varphi)), và ta thu được hình chiếu của điểm P(t)P(t) lên trục OXOX và hình chiếu của điểm P(t)P(t) trên trục OYOY thực hiện các dao động điều hòa có cùng biên độ và tần số! Do đó, dao động điều hòa của một điểm, chẳng hạn như trên trục OXOX, có thể được hiểu là dao động của hình chiếu của một vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) nào đó, quay đều quanh điểm OO, lên trục OXOX. Vị trí ban đầu của vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t), tức là OP⃗(0)\vec{OP}(0), xác định biên độ dao động (nó bằng độ dài của vectơ OP⃗(0)\vec{OP}(0)) và pha ban đầu φ=(OP⃗(0),OX⃗)\varphi = (\vec{OP}(0), \vec{OX}); - chỉ thiếu tần số. Vectơ OP⃗(0)\vec{OP}(0) được gọi là sơ đồ vectơ của dao động điều hòa có biên độ AA và pha ban đầu φ\varphi.

Bài toán 1. Vẽ sơ đồ vectơ của các dao động điều hòa sau:

a) −3cos⁡(2t+π3)-3\cos\left(2t + \frac{\pi}{3}\right); b) 3cos⁡(2t+4π3)3\cos\left(2t + \frac{4\pi}{3}\right); c) 3cos⁡(−2t+2π3)3\cos\left(-2t + \frac{2\pi}{3}\right); d) 3sin⁡(2t+π3)3\sin\left(2t + \frac{\pi}{3}\right); e) 3sin⁡(−2t+π3)3\sin\left(-2t + \frac{\pi}{3}\right).

Với sự trợ giúp của sơ đồ vectơ, người ta có thể dễ dàng hiểu được việc bổ sung các dao động điều hòa. Hãy vẽ sơ đồ vectơ của hai dao động điều hòa (có cùng tần số!): vectơ OP⃗1\vec{OP}_1 và OP⃗2\vec{OP}_2 (Hình 3). Khi đó sơ đồ vectơ của tổng các dao động này sẽ là vectơ OP⃗=OP⃗1+OP⃗2\vec{OP} = \vec{OP}_1 + \vec{OP}_2. Trong thực tế,

46

Cơm. 3.

hình chiếu của vectơ OP⃗1(t)\vec{OP}_1(t) và OP⃗2(t)\vec{OP}_2(t) lên trục OXOX được viết như sau:
x1=A1cos⁡(ωt+φ1),x_1 = A_1 \cos(\omega t + \varphi_1),
ở đâu A1=∣OP⃗1∣A_1 = |\vec{OP}_1|, φ1=(OP⃗1,OX⃗)\varphi_1 = (\vec{OP}_1, \vec{OX});
x2=A2cos⁡(ωt+φ2),x_2 = A_2 \cos(\omega t + \varphi_2),
ở đâu A2=∣OP⃗2∣A_2 = |\vec{OP}_2|, φ2=(OP⃗2,OX⃗)\varphi_2 = (\vec{OP}_2, \vec{OX}).
Hình chiếu lên trục OXOX của tổng OP⃗(t)=OP⃗1(t)+OP⃗2(t)\vec{OP}(t) = \vec{OP}_1(t) + \vec{OP}_2(t) của chúng bằng x1+x2x_1 + x_2, tức là A1cos⁡(ωt+φ1)+A2cos⁡(ωt+φ2)A_1 \cos(\omega t + \varphi_1) + A_2 \cos(\omega t + \varphi_2), vì vậy vectơ OP⃗\vec{OP} trên thực tế là sơ đồ vectơ biểu thị tổng các dao động điều hòa thấp nhất.

Bây giờ chúng ta lưu ý rằng vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) là đường chéo của hình bình hành tính từ các cạnh OP1(t)OP_1(t) và OP2(t)OP_2(t) (xem Hình 3). Vì vectơ OP⃗1(t)\vec{OP}_1(t) và OP⃗2(t)\vec{OP}_2(t) quay với cùng vận tốc góc nên toàn bộ hình bình hành quay như một hình cứng. Do đó, đường chéo của nó quay với cùng tốc độ góc ω\omega, sao cho hình chiếu của vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) lên trục OXOX (trục hoành của điểm P(t)P(t)) thực hiện một dao động điều hòa có cùng tần số ω\omega với hình chiếu của các vectơ OP⃗1(t)\vec{OP}_1(t) và OP⃗2(t)\vec{OP}_2(t) lên trục OXOX (abscissa của điểm P1(t)P_1(t) và P2(t)P_2(t)).

Rõ ràng cách tính biên độ và pha ban đầu của tổng này (biên độ là các đường chéo của hình bình hành và pha ban đầu là góc mà đường chéo này tạo với trục OXOX - xem bài toán Số 260 trên trang 59 của sách giáo khoa).

Nhiệm vụ 2. Vẽ sơ đồ vectơ của tổng các dao động aa và bb, d) và e) từ nhiệm vụ 1 và tìm biên độ cũng như pha ban đầu của chúng.

Bằng cách sử dụng sơ đồ vectơ, một phát biểu quan trọng hơn có thể được chứng minh, đó là, bất kỳ dao động điều hòa nào cũng có thể được biểu diễn bằng công thức f(t)=acos⁡ωt−bsin⁡ωtf(t) = a \cos \omega t - b \sin \omega t. Hãy xem xét điều này chi tiết hơn.

Giả sử chúng ta có một dao động điều hòa AA cos (ωt+φ)(\omega t + \varphi) với tần số ω\omega, và đặt OP⃗(0)=(Acos⁡φ;Asin⁡φ)\vec{OP}(0) = (A \cos \varphi; A \sin \varphi) là sơ đồ vectơ của nó trong hệ tọa độ XOYXOY. Cho i⃗\vec{i} và j⃗\vec{j} là các vectơ đơn vị vuông góc với nhau, cho hệ tọa độ XOYXOY (xem đoạn 70 § 14 của sách giáo khoa “Đại số và nguyên lý giải tích, 9”). Sau đó OP⃗(0)=Acos⁡φ⋅i⃗+Asin⁡φ⋅j⃗\vec{OP}(0) = A \cos \varphi \cdot \vec{i} + A \sin \varphi \cdot \vec{j}. Bây giờ chúng ta giả sử rằng các vectơ i⃗\vec{i} và j⃗\vec{j} quay đều và đồng thời với vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) quanh điểm OO với cùng vận tốc góc ω\omega như vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t). Sau đó i⃗(t)=(cos⁡ωt;sin⁡ωt),j⃗(t)=(−sin⁡ωt;cos⁡ωt)\vec{i}(t) = (\cos \omega t; \sin \omega t), \vec{j}(t) = (-\sin \omega t; \cos \omega t). Vì các vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t), i⃗(t)\vec{i}(t) và j⃗(t)\vec{j}(t) quay như một hình cứng và tại thời điểm ban đầu OP⃗(0)=a⋅i⃗+b⋅j⃗\vec{OP}(0) = a \cdot \vec{i} + b \cdot \vec{j} (a=Acos⁡φ,b=Asin⁡φa = A \cos \varphi, b = A \sin \varphi), nên tại thời điểm tt tọa độ thứ x, tức là số Acos⁡(ωt+φ)A \cos (\omega t + \varphi) của vectơ OP⃗(t)\vec{OP}(t) sẽ bằng tổng x−xx-x tọa độ của vectơ a⋅i⃗(t)a \cdot \vec{i}(t) và b⋅j⃗(t)b \cdot \vec{j}(t), tức là Acos⁡(ωt+φ)=acos⁡ωt−bsin⁡ωtA \cos (\omega t + \varphi) = a \cos \omega t - b \sin \omega t.

Vì vậy, chúng tôi đã trình bày dao động điều hòa AA cos (ωt+φ)(\omega t + \varphi) là tổng của hai dao động điều hòa có cùng tần số ω:acos⁡ωt−bsin⁡ωt\omega : a \cos \omega t - b \sin \omega t (xét cho cùng, đồ thị sin là đồ thị cosin lệch pha một phần tư chu kỳ.