Dao động là những chuyển động qua lại quanh một VTCB
VTCB là vị trí mà tổng hợp lực tác dụng lên vật bằng không
- Dao động tuần hoàn là dao động mà trạng thái dao động
được lặp lại như cũ sau một khoảng thời gian xác định.
Giai đoạn ngắn nhất mà trạng thái được lặp lại như cũ gọi là
một dao động toàn phần hay một chu trình.
- Thời gian thực hiện một dao động là chu kì
Tần số là số dao động thực hiện trên một đơn vị thời gian
Tóm tắt lý thuyêt Vật lý 12 – Biên soạn: Hoàng Công Viêng SĐT: 01698.073575 I. DAO ĐỘNG CƠ 1. Đại cương về dao động a) Định nghĩa - Dao động là những chuyển động qua lại quanh một VTCB VTCB là vị trí mà tổng hợp lực tác dụng lên vật bằng không - Dao động tuần hoàn là dao động mà trạng thái dao động được lặp lại như cũ sau một khoảng thời gian xác định. Giai đoạn ngắn nhất mà trạng thái được lặp lại như cũ gọi là một dao động toàn phần hay một chu trình. - Thời gian thực hiện một dao động là chu kì Tần số là số dao động thực hiện trên một đơn vị thời gian b) Dao động điều hòa - Là dao động mà li độ của vật được mô tả bằng định luật dạng sin hoặc cosin: ( )ϕω += tAx cos Li độ là giá trị đại số so của vị trí vật với VTCB. - Biên độ là li độ cực đại của vật, luôn dương, phụ thuộc và kích thích ban đầu. - Pha ban đầu phụ thuộc vào việc chọn mốc thời gian t = 0. - Vận tốc: bằng đạo hàm bậc nhất của li độ, nhanh pha 2/pi so với li độ. Ở vị trí biên thì vận tốc của vật bằng 0 Vận tốc vật có độ lớn cực đại khi qua VTCB. Có giá trị cực đại khi qua VTCB theo chiều dương, giá trị cực tiểu khi qua VTCB theo chiều âm. - Gia tốc: bằng đạo hàm bậc nhất của vận tốc, bậc hai của li độ Gia tốc nhanh pha 2/pi so với vận tốc và ngược pha với li độ, vecto gia tốc luôn hướng về VTCB. - Lực hồi phục (lực kéo về): luôn hướng về VTCB (trái dấu với li độ), ngược pha với li độ, cùng pha với gia tốc. - Hình chiếu của một chuyển động tròn đều trên một phương đi qua tâm của đường tròn được xem là một dao động điều hòa. 2. Con lắc lò xo Điều kiện dao động điều hòa: bỏ qua ma sát và vật dao động với biên độ nhỏ (lò xo nằm trong giới hạn đàn hồi) a) Con lắc lò xo nằm ngang: lực đàn hồi đóng vai trò lực hồi phục VTCB là vị trí mà lò xo không biến dạng b) Con lắc lò xo thẳng đứng: Lực hồi phục là tổng hợp của lực đàn hồi và trọng lực Tại VTCB là xo đã biến dạng 3. Con lắc đơn Bỏ qua lực cản không khí, vật dao động với biên độ bé thì vật dao động điều hòa. VTCB là vị trí thấp nhất của vật Tần số góc không phụ thuộc vào khối lượng của vât mà phụ thuộc vào chiều dài dây và gia tốc trọng trường. Lực căng dây đạt cực đại tại VTCB và cực tiểu tại vị trí biên. 4. Năng lượng trong dao động điều hòa - Cơ năng dao động của vật bằng động năng cộng thế năng, và bảo toàn trong quá trình dao động và tỉ lệ với bình phương biên độ. Cơ năng bằng động năng cực đại hoặc bằng thế năng cực đại. - Động năng và thế năng biến thiên điều hòa cùng tần số 2f (f là tần số dao động của vật), ngược pha. Động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại, động năng bằng không thì thế năng cực đại và ngược lại. - Thế năng của con lắc lò xo là thế năng đàn hồi, của con lắc đơn là thế năng trọng trường. 5. Các loại dao động a) Dao động tự do: là dao động mà tần số dao động của hệ không phụ thuộc vào các tác động ngoài hệ mà chỉ phụ thuộc các đặc tính của hệ. VD: Hệ con lắc lò xo, con lắc đơn gắn với Trái Đất là dao động tự do. b) Dao động tắt dần: là dao động có biên độ (năng lượng) giảm dần theo thời gian - Là dao động chịu tác dụng của lực cản, lực cản sinh công âm. - Dao động tắt dần nhanh nếu môi trường càng nhớt. - Trong dao động tắt dần chậm chịu tác dụng của lực cản nhỏ thì vật dao động với chụ kì không đổi, biên độ giảm dần tới không. c) Dao động duy trì: là dao động mà sau một chu kì ta bù đắp thêm phần năng lượng bị mất do tắt dần - Vật dao động với chu kì riêng của hệ. - Vật sẽ dao động mãi mãi. d) Dao động cưỡng bức - Là dao động chịu tác dụng của một ngoại lực tuần hoàn tFF Ω= cos0 Gồm hai giai đoạn: + Giai đoạn chưa ổn định là giai đoạn biên độ tăng dần. + Giai đoạn ổn định là giai đoạn biên độ không tăng nữa. Đây gọi là dao động cưỡng bức - Tính chất: là dao động điều hòa với tần số của ngoại lực cưỡng bức Ω , biên độ dao động cưỡng bức tỉ lệ thuận với biên độ F0 của ngoại lực và phụ thuộc vào tần số của ngoại lực Ω . - Cộng hưởng: Khi tần số góc của ngoại lực băng tần số góc riêng của hệ 0ω Khi đó biên độ dao động của hệ đạt giá trị cực đại, giá trị cực đại của biên độ phụ thuộc vào ma sát (ma sát càng cao thì giá trị cực đại của biên độ càng giảm). Điều kiện xảy ra cộng hưởng là 0ω=Ω - Phân biệt dao động duy trì và dao động cưỡng bức: Đều dao động dưới tác dụng của ngoại lực nhưng dao động cưỡng bức thì dao động với tần số của ngoại lực còn dao động duy trì thì tần số ngoại lực bằng tần số riêng của hệ. Dao động cưỡng bức cộng hưởng và dao động duy trì đều dao động với tần số riêng của hệ nhưng vẫn có sụ khác nhau: dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lưc độc lập với hệ còn dao động duy trì thì ngoại lực được điều khiển bởi chính dao động ấy. 6. Tổng hợp dao động - Nếu hai dao động điều hòa cùng phương thì li độ tổng hợp bằng tổng các li độ thành phần - Biên độ dao động tổng hợp A phụ thuộc vào biên độ và pha ban đầu của các dao động tổng hợp. Tóm tắt lý thuyêt Vật lý 12 – Biên soạn: Hoàng Công Viêng SĐT: 01698.073575 Biên độ tổng hợp A có giá trị lớn nhất khi hai dao động cùng pha: A = A1 + A2 Biên độ tổng hợp A có giá trị nhỏ nhất khi hai dao động ngược pha: 21 A- A A = II. SÓNG CƠ 1. Các định nghĩa - Sóng cơ là những dao động cơ lan truyền trong một môi trường (rắn, lỏng, khí). - Sóng ngang: là sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng Sóng ngang chỉ truyền được trong chất rắn, khộng truyền được trong chất lỏng và khí (sóng trên mặt nước và trên dây là sóng ngang). - Sóng dọc: là sóng có phương dao động trùng với phương truyền sóng, sóng dọc truyền được trong rắn, lỏng, khí. 2. Các đại lượng đặc trưng của sóng a) Chu kì, tần số: Tất cả các phần tử của môi trường đều dao động với chu kì, tần số bằng chu kì tần số của nguồn sóng. b) Biên độ sóng: là biên độ tại mỗi điểm trong không gian sóng (coi biên độ sóng không đổi) c) Năng lượng sóng: là năng lượng dao động của các phần tử môi trường, tỉ lệ với bình phương biên độ sóng. Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng. d) Tốc độ truyền sóng: là tốc độ truyền pha dao động, tốc độ truyền đi của các đỉnh sóng. Khác với tốc độ dao động của các phần tử. e) Bước sóng: là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm trên một phương truyền sóng dao động cùng pha. Là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì sóng. 3. Phương trình truyền sóng: −= λ pi ω x tau 2 cos , là li độ dao động của phần tử cách gốc một khoảng x trên phương truyền sóng (sóng truyền cùng chiều Ox). - Sóng đến điểm nào trước thì điểm đó nhanh pha hơn (trên một phương truyền). - Sóng tuần hoàn theo thời gian với chu kì T, tuần hoàn theo không gian với chu kì λ . - Xét trên một phương truyền sóng: Cùng pha: λkd = , ngược pha: ( )λ2/1+= kd , vuông pha (lệch pha 2/pi ): ( )λ4/1+= kd 4. Giao thoa sóng: Là hiện tượng hai hay nhiều sóng kết hợp gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn làm tăng cường hoặc làm yếu nhau. a) Điều kiện giao thoa: Sóng phải xuất phát từ hai nguồn sóng kết hợp, tức là hai nguồn có cùng tần số, cung phương dao động và có độ lệch pha không đổi. b) Phương trình giao thoa Phương trình hai nguồn: ( )tau ωcos1 = , ( )ϕω ∆+= tau cos2 Phương trình giao thoa: ( ) ( ) ∆ + + − ∆ − − = 2 cos 2 cos2 1212 ϕ λ pi ω ϕ λ pi dd t dd auM (hai nguồn lệch pha ϕ∆ ) - Biên độ giao thoa: ( ) ∆ − − = 2 cos2 12 ϕ λ pi dd aA Pha tại điểm M: ( ) 2 12 ϕ λ pi ∆ + + − dd c) Hình ảnh giao thoa: - Với hai nguồn cùng pha: Điểm cực đại: λkdd =− 12 (hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng số nguyên lần bước sóng) Điểm cực tiểu: ( ) ( ) 2/122/112 λλ +=+=− kkdd (hiệu khoảng cách đến hai nguồn bằng số lẻ nửa bước sóng). * Lưu ý: + Đường trung trực hai nguồn là đường cực đại (đường thẳng). + Hai bên là các đường hypebol cực đại và cực tiểu đan xen nhau. + Nếu hai nguồn cùng biên độ thì đường cực tiểu không dao động. + Trên đường nối hai nguồn khoảng cách hai điểm liên tiếp dao động cực đai hoặc cực tiêu bằng nhau và bằng 2/λ . - Khi hai nguồn lệch pha ϕ∆ thì trên đường cực đại k = 0 dịch một đoạn: pi ϕ 4 ∆ 5. Sự nhiễu xạ sóng: - Là hiện tượng khi gặp vât cản sóng đi lệch khỏi phương truyền thẳng và đi vòng qua vât cản. - Nếu sóng đi qua khe hẹp mà khoảng cách khe nhỏ hơn bước sóng thì khe trở thành một nguồn phát sóng thứ cấp. 6. Sóng dừng: là hiện tượng có những bụng và nút cố định trong không gian. Bụng là những điểm dao động với biên độ cực đại, còn nút là những điểm không dao động. a) Sự phản xạ sóng: - Sóng phản xạ cùng tần số và cùng bước sóng với sóng tới - Nếu đầu phản xạ cố định thì sóng phản xạ ngược pha với sóng tới, còn nếu đầu phản xạ tụ do thì sóng phản xạ cùng pha với sóng tới. b) Hiện tượng - Phươ trình sóng dừng trên dây có đầu phản xạ cố định: ( )2/cos2sin2 piω λ pi += t x au Biên độ: λ pix aA 2 sin2= - Là hiện tượng giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ - Điều kiện để có sóng dừng Dây có hai đầu cố định: 2/λnl = (chiều dài dây bằng số nguyên lần nửa bước sóng) Dây có đầu cố định, đầu tự do: ( ) 4/12 λ+= nl (chiều dài dây bằng số lẻ phần tư bước sóng) * Ứng dụng: Xác định vận tốc truyền sóng trên dây Tóm tắt lý thuyêt Vật lý 12 – Biên soạn: Hoàng Công Viêng SĐT: 01698.073575 7. Sóng âm: a) Định nghĩa: Sóng âm là những dao động cơ truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí. - Cảm giác về âm phụ thuộc vào nguồn âm và tai người nghe - Trong chất lỏng và khí thì sóng âm là sóng ngang vì lực đàn hồi xuất hiện chỉ khi có biến dạng nén, giãn. Trong chất rắn sóng âm có cả sóng ngang và sóng dọc vì lực đàn hồi xuất hiện cả khi có biến dạng lệch và biến dạng nén giãn. - Nhạc âm: là những âm có đường ghi âm là những đường cong tuần hoàn có tân số xác định Còn đường cong không tuần hoàn là những tạp âm. b) Các đặc trưng vật lý của âm: - Tần số âm: - Cường độ âm: là năng lượng sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị: W/m2 - Mức cường độ âm: 0 lg I I L = . Đơn vi: Ben (B) 212 0 /10 mWI −= là cường độ âm chuẩn Đơn vị thường dùng: dexiBen (dB): ( ) 0 lg10 I I dBL = - Đường ghi âm: là đường biểu diễn âm c) Các đặc trưng sinh lý âm Các đặc trưng sinh lý phụ thuộc vào các đặc trưng vật lý của âm - Độ cao: phụ thuộc vào tần số âm. Âm càng cao thì tần số càng lớn Âm cao (âm bổng), âm thấp (âm trầm) Tai người có thể cảm nhận được những âm có tần số từ 16Hz đến 20.000Hz Tần số lớn hơn 20.000Hz gọi là siêu âm, nhỏ hơn 16Hz là hạ âm. - Độ to âm: phụ thuộc vào cường độ âm Cường độ âm càng lớn thì âm càng to, nhưng độ to âm không tỉ lệ với cường độ âm. Để đo độ to âm ta dùng mức cường độ âm Âm mạnh nhất có mức cường độ âm là 130dB (gây đau nhức nhối cho tai) gọi là ngưỡng đau (ứng với mọi tần số) Ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm • Chú ý: Độ to của âm cũng phu thuộc vào tần số (vì cường độ âm phụ thuộc vào tần số) - Âm sắc: Phụ thuộc vào đường ghi âm. Đồ thị âm khác nhau thì âm sắc khác nhau d) Nguồn nhạc âm: - Dây đàn có hai đầu cố định Chiều dài dây 2/λnl = Âm cơ bản (2 nút và n = 1 bụng sóng), họa âm bậc 2, 3 ...(với n = 2, 3 ... bụng sóng). Tần số họa âm bằng số nguyên lần tần số âm cơ bản. Dây đàn kéo căng bằng lực cố định sẽ đồng thời phát ra âm cơ bản và một số họa âm. Tổng hợp các dao động đó được một dao động phức tạp có tần số của âm cơ bản. - Ống sáo (một đầu kín một đầu hở, đầu hở là bụng) Sẽ xảy ra sóng dừng trong ống nếu chiều dài ống bằng số lẻ lần một phần tư bước sóng ( ) 4/4/12 λλ mnl =+= ; n = 0, 1 ,2,...; m = 1, 3, 5,... Âm cơ bản (n = 0) có tần số: lvf 4/0 = Họa âm (m = 3, 5,...) có tần số: 03 f , 05 f ,... (bằng số lẻ lần tần số âm cơ bản). DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 1. Dao động điện từ a) Hiện tượng: Khi tích điện cho tụ đến một hđt thế và cho tự phóng điện vào mạch kín LC thì điện tích trên tụ, dòng điện trong mạch biến thiên điều hòa tương tự như dao động của con lắc đơn. - Điện tích biến thiên điều hòa: ( )ϕω += tQq cos0 với tần số góc: LC 1 =ω - Dòng điện: ( )2/cos0 piϕω ++=′= tIqi , 00 QI ω= - Hđt hai đầu tụ: ( )ϕω +== tU C q uC cos0 , CQI /00 = Vậy q, i, uC biến thiên điều hòa cùng tần số, u và q cùng pha với nhau, i nhanh pha 2/pi so với q và u. - Từ trường trong mạch luôn tỉ lệ với dòng điện trong mạch ( )2/cos0 piϕω ++= tBB q và i tương ứng như li độ x và vận tốc v trong dao động cơ. - Nếu không có tác động điện hoặc từ bên ngoài thì dao động của mạch là dao động điện từ tự do. b) Năng lượng dao động điện từ - Năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện C q CuWC 22 1 22 == - Năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm 2 2 1 LiWL = - Năng lượng điện từ của mạch: constLI C Q CULiCuWWW LC ====+=+= 2 0 2 02 0 22 2 1 22 1 2 1 2 1 CW và LW luôn chuyển hóa cho nhau, CW tăng thì LW giảm và ngược lại, nhưng tổng năng lượng điện W từ là không đổi. CW và LW biến thiên điều hòa cùng tần số góc ω2 , cùng chu kì T/2, cùng tần số 2f (ω , T, f là tần số góc, chu kì, tần số dao động riêng của mạch). Tóm tắt lý thuyêt Vật lý 12 – Biên soạn: Hoàng Công Viêng SĐT: 01698.073575 CW và LW biến thiên điều hòa ngược pha với nhau (giống với thế năng và động năng trong dđđh). c) Dao động điện từ tắt dần. Dao động duy trì + Khi trong mạch có điện trở thuần R thì mạch trở thành mạch dao động điện từ tắt dần, năng lượng điện từ của mạch giảm dần theo thời gian (hay biên độ dao động giảm dần). - Năng lượng giảm do tỏa nhiệt - R càng lớn thì sự tắt dần càng nhanh, R rất lớn thì không có dao động. + Muốn duy trì dao động điện từ trong mạch thì ta phải bù đúng phần năng lượng đã tiêu hao trong mỗi chu kì. Mạch trở thành dao động duy trì. - Để bù năng lượng thì ta dùng tranzito. - Dao động trong khung được duy trì bằng tần số dao động riêng của mạch LC 1 0 =ω . Gọi là một hệ tự dao động. d) Dao động cưỡng bức - Khi mắc mạch dao động LC vào một hđt biến thiên điều hòa tUu ωcos0= thì mạch dao động với tần số của hđt ngoài. Gọi là dao động cưỡng bức. - Biên độ dòng điện trong mạch phụ thuộc vào tần số góc ω . - Khi 0ωω = thì xảy ra sự cộng hưởng, biên độ cường độ dòng điện đạt cực đại. - Biên độ giá trị cực đại của dòng điện phụ thuộc điện trở thuần R của mạch LC, R càng lớn thì giá trị cực đại của biên độ dòng điện càng nhỏ. 2. Điện từ trường a) Hiện tượng - Khi có một thanh nam châm rơi qua một ống dây thì từ trường qua ống dây biến thiên, trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng hay xuất hiện một điện trường biến thiên. - Một điện tích dao động quanh một vị trí cân bằng tạo một điện trường biến thiên sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên. Vậy thanh nam châm hay điện tích điểm chuyển động sẽ xuất hiện một điện từ trường biến thiên. b) Mối kiên hệ điện trường và từ trường biến thiên. - Từ trường biên thiên theo thời gian xuất hiện điện trường xoáy. - Từ trường biến thiên theo thời gian sẽ xuất hiện từ trường. - Từ trường là trường xoáy, Điện trường ở đây là điện trường xoáy. - Trường xoáy là trường có các đường sức là các đường cong kín, tức là các đường không có điểm đầu và điểm cuối. Khác với điện trường tĩnh, đường sức từ có điểm đầu và điểm kết thúc. c) Điện từ trường Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên cùng tồn tại trong không gian, tạo thành điện từ trường. Không có sự tồn tại riêng biệt của điện trường hay từ trường. 3. Sóng điện từ - Sóng điện từ truyền được trong chân không với vận tốc c = 3.108 m/s. - Sóng điện từ là sóng ngang - Gồm hai thành phần E r và B r luôn vuông góc với phương truyền sóng và BE rr ⊥ E r và B r biến thiên tuần hoàn cùng tần số, cùng pha. - Tính chất sóng điện từ: Sóng điện từ lan truyền mang theo năng lượng Tuân theo quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ... 4. Sự truyền sóng a) Mạch dao động hở - Trong mạch LC: điện trường tập trung trên tụ, từ trường tập trung trên cuộn dây, điện từ trường không bức xạ ra ngoài. Gọi là mạch dao động kín. - Mạch dao động hở: điện từ không còn giới hạn trong mạch LC nữa mà lan tỏa vào không gian và đi rất xa. - Angten là một mạch dao động hở, để bức xạ và thu sóng điện từ - Sóng điện từ mang theo năng lượng, tần số càng cao thì năng lượng càng lớn và sóng truyền càng xa. b) Nguyên tắc truyền thông Quy trình chung: - Biến tín hiệu thành dao động điện có tần số thấp (gọi là tín hiệu âm tần) - Dùng các sóng điện từ tần số cao (cao tần) mang tín hiệu âm tần đi xa. - Dùng máy thu (angten thu) để thu sóng điện từ cao tần - Tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần rồi dùng loa để nghe âm và màn hình để xem hình ảnh + Hệ thống phát thanh: - Dao động cao tần: tạo ra dao động tần số cao - Ống nói: biến âm thanh thành dao động âm tần - Biến điệu: trộn dao động âm tần và cao tần thành dao động cao tần biến điệu - Khuếch đại cao tần: khuếch đại dao động cao tần biến điệu để đưa ra angten phát - Angten phát: phát sóng điện từ cao tần biến điệu ra không gian + Hệ thống thu thanh: - Angten thu: cảm ứng với nhiều sóng điện từ - Chọn sóng: chọn lọc sóng muốn thu bằng cộng hưởng - Tách sóng: lấy sóng âm tần từ sóng cao tần biến điệu - Khuếch đại âm tần: khuếch đại âm tần rồi đưa ra loa c) Sự truyền sóng - Tầng điện li ở độ cao km10080÷ có khả năng phản xạ sóng điện từ - Sóng dài ( m3000>λ ), sóng trung ( m2003000÷=λ ), sóng ngắn ( m50200÷=λ ) bị tầng điện ly phản xạ - Sóng cực ngắn ( m01,010 ÷=λ ) không bị phản xạ mà đi xuyên qua tầng điện ly, được dùng để truyền thông qua vệ tinh. - Ngoài ra sóng điện từ có thể truyền bằng cáp.
Tài liệu đính kèm: