Điểm ¼ trong chuyển động tròn đều

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ I. Lí do chọn đề tài. Có lẽ với tên của đề tài “Điểm ¼ trong chuyển động tròn đều” sẽ gây không ít sự tò mò cho các thầy (cô). Không ít người đã hỏi tôi “điểm ¼” là điểm như thế nào, trong chuyển động tròn đều điểm này nằm ở đâu, ý nghĩa vật lí và ứng dụng của điểm đó thế nào? Sau khi các thầy (cô) đọc xong đề tài này, các thầy (cô) sẽ hiểu đó chỉ là một điểm do cá nhân tác giả định nghĩa trong quá trình nghiên cứu. Với mục đích đem lại sự mới mẻ, khác lạ và đơn giản trong việc ứng dụng sự liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều. Ứng dụng của hình chiếu chuyển động tròn đều vào dao động điều hòa là một công cụ rất mạnh trong các dạng bài toán liên quan đến quãng đường và thời gian trong dao động điều hòa. Không chỉ giới hạn trong phạm vi của chương Dao động cơ học mà ở các chương về Dao dộng điện từ hay Dòng điện xoay chiều chúng ta cũng sẽ gặp lại ứng dụng của nó. Và việc hiểu để áp dụng được là một yêu cầu cần thiết và giúp chúng ta giải quyết nhanh các bài toán. Thực tế, để giải bài toán tìm quãng đường trong dao động điều hòa có khá nhiều cách giải khác nhau. Nhưng, có cách chỉ áp dụng cho trường hợp riêng nào đó, có cách áp dụng được với mọi bài toán thì xuất hiện nhiều điều kiện giàng buộc dẫn đến độ phức tạp cao, khó nhớ khi vận dụng. Vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài này để nghiên cứu với mong muốn tìm ra cách giải tối ưu cho loại bài toán này. II. Mục đích của đề tài. Đề tài đươc xây dựng với mục đích đưa ra một hướng nghiên cứu nhằm tiếp cận và ứng dụng các đặc điểm liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều. Kết quả là tìm ra cách giải cho bài toán về tìm quãng đường đi được trong dao động điều hòa. III. Giới hạn, phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào sự liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều. Dựa vào đặc điểm trong chuyển động tròn đều suy ra các đặc điểm trong dao động điều hòa. Kết hợp với phương pháp toán học để đưa ra phương pháp giải cho bài toán: tính quãng đường đi được trong dao động điều hòa. IV. Điểm mới trong kết quả nghiên cứu. “Chia để Trị” đó là một phương pháp được áp dụng để giải các bài toán lớn, phức tạp. Kỹ thuật này sẽ chia bài toán hiện thời thành N bài toán nhỏ hơn, thực hiện lời giải cho từng bài toán nhỏ này và từ đó tổng hợp xây dựng lời giải cho bài toán lớn. Trong đề tài, bài toán tác giả đề cập đến không hẳn là quá phức tạp, nhưng có vận dụng với phương pháp tương tự. Kết hợp với phương pháp toán học, tính tuần hoàn của các hàm số lượng giác, kết quả của bài toán thu được cũng có tính tuần hoàn đáng lưu tâm. PHẦN II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Kiến thức liên quan 1. Liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều: “Điểm P dao động điều hòa trên một đoạn thẳng luôn luôn có thể được coi là hình chiếu của một điểm M chuyển động tròn đều lên đường kính là đoạn thẳng đó” 0 1 2 3 O x ¼ lẻ ¼ lẻ ¼ chẵn ¼ chẵn 2. Khái niệm “điểm ¼” Điểm P dao động điều hòa với phương trình được coi là hình chiếu của điểm M chuyển động tròn đều, ngược chiều kim đồng hồ, với vận tốc góc w, bán kính quỹ đạo A, lên trục Ox nằm ngang (O là tâm quỹ đạo). Quỹ đạo chuyển động tròn của M được chia thành 4 phần bằng nhau bởi các điểm gọi là “điểm ¼” . Khi đó vị trí các “điểm ¼” xác định bởi tọa độ góc: (với k nguyên) và được gọi kèm theo tính chẵn, lẻ của k. Các điểm ứng với k=là “điểm ¼” chẵn, các điểm ứng với k=là “điểm ¼” lẻ. 3. Đặc điểm của dao động điều hòa tại các “điểm ¼” Phương trình dao động của điểm P: , Điểm M chuyển động qua các “điểm ¼” thì pha dao động của P thỏa mãn: (với k nguyên) M chuyển động từ một “điểm ¼” đến “điểm ¼” liền sau thì P đi được quãng đường bằng A và mất thời gian là T/4. M qua “điểm ¼” chẵn (k = ) thì P ở vị trí biên, vận tốc tức thời của P nhỏ nhất v=0 (vận tốc đổi dấu, vật dao động điều hòa đổi chiều chuyển động) M qua “điểm ¼” lẻ (k = ) thì P ở VTCB, vận tốc tức thời của P lớn nhất v = w.A (gia tốc đổi chiều, lực kéo về đổi chiều) Lưu ý: Các nội dung viết ngay sau đây sẽ quy ước: M qua “điểm ¼” ta có thể nói P cũng qua “điểm ¼” II. Vận dụng “điểm 1/4” tính quãng đường vật dao động điều hòa đi được từ thời điểm t1 đến t2 1. Phương pháp “Điểm ¼” Cơ sở: dựa vào đặc điểm: Vật dao động điều hòa từ một “điểm ¼” đến “điểm ¼” liền sau được quãng đường bằng A Thời điểm vật qua các “điểm ¼” thỏa mãn (với k nguyên) Các bước giải: Bước 1: Tính Bước 2: Tìm trong khoảng thời gian t1 à t2 vật đi qua bao nhiêu “điểm ¼” dựa vào bất phương trình: Lấy phần nguyên . Khi đó: Số điểm ¼ vật đi qua là số giá trị nguyên của k, là: k= k2 – k1, k1 là điểm ¼ đầu tiên vật đi qua; k2 là điểm ¼ cuối cùng vật đi qua. Bước 3: Ta tưởng tượng kéo quãng đường vật đi được thành một đoạn thẳng và được chia nhỏ bởi các “điểm ¼” (hình vẽ) Điểm ¼ Điểm ¼ Điểm ¼ Điểm ¼ Vị trí tại thời điểm t1 Vị trí tại thời điểm t2 Điểm ¼ đầu tiên k1 Điểm ¼ cuối cùng k2 Số “điểm ¼” vật đi qua là k = k2-k1 Với: s1 là quãng đường vật đi được từ thời điểm t1 đến “điểm 1/4” đầu tiên k1. Được tính theo 1 trong 2 trường hợp: 0 1 2 3 O x Điểm ¼ k1 chẵn Thời điểm t1 0 1 2 3 O x Thời điểm t1 Điểm ¼ k1 lẻ nếu k1 lẻ nếu k1 chẵn Vậy s2 là quãng đường đi được từ “điểm 1/4” cuối cùng k2 đến thời điểm t2 . Được tính theo 1 trong 2 trường hợp: 0 1 2 3 O x Điểm ¼ k2 chẵn Thời điểm t2 0 1 2 3 O x Thời điểm t1 Điểm ¼ k2 lẻ nếu k2 chẵn nếu k2 lẻ Vậy Bước 4: Khi đó quãng đường vật đi được từ t1 à t2 được tính bằng: Kết luận: Tóm tắt các bước tính: Bước 1: Tính: Bước 2: Tính (lấy phần nguyên): Bước 3: Tính s1 và s2 theo : nếu ki chẵn nếu ki lẻ (với i=1,2) Bước 4: Quãng đường đi được: 2. So sánh với phương pháp thông thường: Bước 1 : Xác định : (v1 và v2 chỉ cần xác định dấu) Bước 2 : Phân tích : t = t2 – t1 = nT + Dt (n ÎN; 0 ≤ Dt < T) Quãng đường đi được trong thời gian nT là S1 = 4nA, Quãng đường trong thời gian Dt là S2 * Nếu v1.v2 ≥ 0 Þ * Nếu v1.v2 < 0 Þ Bước 3: Quãng đường tổng cộng là S = S1 + S2 3. Bài tập minh họa Bài 1. Một con lắc lò xo dao động điều hòa với phương trình . Quãng đường vật đi được trong khoảng thời gian , kể từ thời điểm gốc (t=0) là: A. 6cm B. 90cm C. 102cm D. 54cm. Trả lời: Đáp án C Giải: Tính quãng đường vật đi từ thời điểm t1=0(s) đến Cách 1: Dựa vào “điểm ¼” ; (Lẻ) (Lẻ) Tính Tính cm (vì k1 lẻ); (vì k2 lẻ) Kết quả cuối: Cách 2: Cách giải thông thường: Tại t1 = 0 : Tại thời điểm t2 = π/12(s) : Số chu kì dao động : N = = = = 2 + Þ t = 2T + = 2T + s. Với : T = = = s Vậy thời gian vật dao động là 2T và Δt = π/300(s) Quãng đường tổng cộng vật đi được là : St = S1 + S2 Với : S1 = 4A.2 = 4.12.2 = 96m. Vì Þ S2 = = 6 - 0 = 6cm Vậy : St = S1 + S2 = 96 + 6 = 102cm. Nhận xét: Phương pháp “điểm ¼” có ưu điểm hơn: Không phải chia ra thành nhiều trường hợp, độ phức tạp nhỏ hơn. Số phép toán phải tính ít hơn, thời gian tính toán nhanh hơn. Các phép toán có sự lặp lại giống nhau nên dễ nhớ và dễ vận dụng. Bài 2. Một vật dao động điều hòa với phương trình . Tính quãng đường vật đi được trong 2,25 giây đầu tiên. Giải: Tính quãng đường vật đi từ thời điểm t1=0s đến t2=2,25s Cách 1: Dựa vào “điểm ¼” ; (Lẻ) (Lẻ) Tính Tính cm (vì k1 lẻ) , (vì k2 lẻ) Kết quả cuối: Cách 2: Cách giải thông thường khác: Ta có chu kỳ Phân tích Quãng đường vật đi được trong 2s đầu tiên Tính li độ và dấu vận tốc tại thời điểm t1=2s Tính li độ và dấu vận tốc tại thời điểm t2=2,25s Ta thấy trong 0,25 giây cuối vật không đổi chiều chuyển động nên quãng đường đi trong 0,25s cuối là Kết quả cuối: 3. Bài tập vận dụng Bài 3. Một vật nhỏ dao động điều hòa với biên độ A, chu kỳ dao động T. Ở thời điểm ban đầu t=0 vật đang ở VTCB hoặc VT biên. Quãng đường mà vật đi được từ thời điểm ban đầu đến thời điểm T/4 là: A. A/2 B. 2A C. A D. A/4 Bài 4. Một con lắc lò xo dao động với phương trình . Quãng đường vật đi được trong khoảng thời gian , kể từ lúc bắt đầu dao động là: A. 6cm B. 90 cm C. 102 cm D. 54cm Bài 5. Một vật dao động với phương trình . Quãng đường vật đi từ thời điểm đến là: A. 84,4cm B. 333,8cm C. 331,4cm D. 337,5cm Bài 6. (CĐ 2007): Một vật nhỏ dao động điều hòa có biên độ A, chu kì dao động T , ở thời điểm ban đầu to = 0 vật đang ở vị trí biên. Quãng đường mà vật đi được từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t = T/4 là: A/2 . B. 2A . C. A/4 . D. A. Bài 7. Một vật dao động điều hòa với phương trình . Tính quãng đường vật đi được trong 1,1 giây đầu tiên. Đ/A: 44cm PHẦN III. KẾT LUẬN Liên hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa được ứng dụng vào giải nhiều bài toán về dao động. Vận dụng “điểm ¼” trong việc giải bài toán tìm quãng đường đi được trong khoảng thời gian cho trước là một cách khai thác ứng dụng đó. Với hướng khai thác tương tự, phương pháp này có thể cho đáp án của các bài toán liên quan đến những đặc điểm gắn với “điểm ¼”, như: - Trong khoảng thời gian t1 đến t2 vật dao động đạt vận tốc cực đại (hay cực tiểu) bao nhiêu lần, - Trong khoảng thời gian t1 đến t2 vật dao động đổi chiều bao nhiêu lần… Hay có thể vận dụng để trả lời các bài toán khác, với thời gian giải ngắn, có phương pháp giải rõ ràng, dễ vận dụng. Đó là vấn đề mà tác giả muốn các quý thầy (cô) góp ý để cho đề tài được hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi hơn. Hơn thế nữa, việc chia bài toán lớn thành nhiều bài toán nhỏ, mỗi bài toán nhỏ có tính tuần hoàn và phương pháp giải chung là một cách để giải những bài toán phức tạp, không chỉ áp dụng riêng cho các dạng toán đề cập đến trong đề tài này, mà có thể vận dụng tìm kiếm lời giải cho các bài toán khác, thuộc phần kiến thức khác hay môn học khác. Do kiến thức cá nhân còn nhiều hạn chế rất mong sự nhận xét, đóng góp ý kiến của các thầy (cô) cho đề tài này.