Dao động điều hòa: Chu kì. Tần số. Tần số góc. Vận tốc và gia tốc của vật dao động điều hòa

Fjfnơ Rjfjf
3 Dec 202004:35

Summary

TLDRIn this lesson, students explore the relationship between simple harmonic motion and uniform circular motion. The teacher uses a model of circular motion and its shadow to introduce key concepts such as amplitude, frequency, period, velocity, and acceleration. The lesson covers how the period is the time for a complete oscillation, the inverse relationship between period and frequency, and how angular velocity (omega) relates to harmonic motion. Students learn the formulas for velocity and acceleration in oscillatory motion, recognizing that acceleration always points toward equilibrium, even as velocity changes direction during the motion.

Takeaways

  • 📚 The lesson explores the connection between harmonic oscillation and uniform circular motion.
  • 🔄 A full oscillation is completed when the shadow of a uniformly moving object returns to its original position.
  • ⏱️ The period of oscillation is defined as the time taken for one complete oscillation or one full rotation in circular motion.
  • 🔢 The frequency is the inverse of the period, indicating the number of oscillations in a unit of time.
  • 🔧 Frequency is measured in hertz (Hz), representing oscillations per second.
  • 🌀 Angular velocity (omega) is the rate of change of angular displacement during uniform circular motion.
  • 🧮 In harmonic motion, angular velocity is known as angular frequency and is involved in the oscillation equation.
  • 🚀 Velocity changes with position: it's zero at the extremities and maximum at the equilibrium position.
  • ⚖️ Acceleration is always directed toward the equilibrium position and is proportional to the displacement.
  • 📊 The relationship between acceleration and displacement is represented by a = -ω²x, showing acceleration as a restoring force.

Q & A

  • What is the relationship between uniform circular motion and harmonic oscillation as introduced in the lesson?

    -The relationship between uniform circular motion and harmonic oscillation is demonstrated through the model where the shadow of an object in uniform circular motion creates a harmonic oscillation. The key quantities involved include amplitude and initial phase.

  • What is the definition of the period (T) in harmonic oscillation?

    -The period (T) is defined as the time taken for an object to complete one full oscillation and return to its initial position and direction. In terms of uniform circular motion, it is the time taken for the object to complete one full revolution.

  • How is the period of oscillation calculated if the object completes 'n' full oscillations in a given time?

    -The period (T) is calculated by dividing the time (Δt) by the number of full oscillations (n): T = Δt / n.

  • What is the frequency (f) of oscillation, and how is it related to the period?

    -The frequency (f) of oscillation represents the number of oscillations per unit of time and is calculated as the inverse of the period: f = 1/T. It is measured in Hertz (Hz), which is equivalent to oscillations per second.

  • What is angular velocity (ω) in uniform circular motion, and how is it connected to harmonic oscillation?

    -Angular velocity (ω) is the rate of change of the angle swept by an object in uniform circular motion and is given by ω = 2π/T. In harmonic oscillation, ω is referred to as angular frequency and plays a key role in the oscillation equation X = A cos(ωt + φ).

  • How is the velocity of an object in harmonic oscillation related to its displacement?

    -The velocity of the object in harmonic oscillation is the time derivative of displacement (x). At the extremes (amplitude), velocity is zero, and at the equilibrium position, velocity is at its maximum (v = ωA).

  • How does acceleration behave in harmonic oscillation?

    -The acceleration of the object in harmonic oscillation is the second derivative of displacement and is proportional to displacement but in the opposite direction. The equation is a = -ω²x, meaning acceleration always points towards the equilibrium position.

  • How do velocity and acceleration vectors behave in harmonic oscillation?

    -In harmonic oscillation, the velocity vector is always directed along the direction of motion. In contrast, the acceleration vector always points towards the equilibrium position, even when the object is moving away from it.

  • What happens to the velocity and acceleration when the object moves from the amplitude position towards the equilibrium?

    -As the object moves from the amplitude (extreme) position towards the equilibrium, its velocity increases, and both velocity and acceleration point towards the equilibrium position.

  • What changes occur in the velocity and acceleration when the object moves from the equilibrium to the amplitude position?

    -When the object moves from the equilibrium to the amplitude position, the velocity decreases, and while the velocity vector points towards the amplitude, the acceleration vector still points towards the equilibrium position.

Outlines

00:00

🔍 Introduction to Circular Motion and Harmonic Oscillation

This paragraph introduces the concept of harmonic oscillation and its connection to uniform circular motion. Using the model of a circular moving object and its shadow, students are familiarized with terms such as amplitude (A) and phase (phi). The lesson aims to further explore other important quantities like frequency, period, velocity, and acceleration.

🌀 Understanding the Period of Oscillation

This section explains how a full oscillation corresponds to one full rotation in uniform circular motion, bringing the object back to its original position. The time taken for one full oscillation is referred to as the period. The period can also be calculated if the object performs multiple oscillations in a given time interval (Delta T), according to a specific formula.

⏳ Calculating Frequency and Its Relationship with Period

Here, the concept of frequency is introduced as the inverse of the period. Frequency, which tells how many oscillations occur in a unit of time, is measured in hertz (Hz), defined as 'per second.' The paragraph emphasizes that frequency and period are inversely related quantities.

⚡ Angular Velocity in Circular Motion

This part explains how during one period of circular motion, the object sweeps through an angle, denoted as 'theta' (θ), which helps define the concept of angular velocity (omega). This angular velocity is also found in the equation for harmonic motion: X = A cos (omega t + phi), where omega is termed the angular frequency, a key parameter in both circular and harmonic motions.

🚀 Observing the Speed of Oscillating Motion

Students are encouraged to observe the speed of the shadow in the model. The shadow accelerates as it approaches the equilibrium position and decelerates after passing through it, with the motion reversing after reaching the extreme points (amplitude). This introduces the concept of varying velocity in harmonic motion.

📝 Deriving Velocity in Harmonic Motion

In this paragraph, the instantaneous velocity in harmonic motion is derived as the derivative of displacement. At the extremes, the velocity becomes zero, while at the equilibrium position, it reaches its maximum value, which is omega times the amplitude (A). These results align with observations made earlier.

⚖️ Exploring Acceleration in Harmonic Motion

By differentiating the velocity equation, the formula for acceleration is obtained. The paragraph highlights the direct relationship between acceleration and displacement, where acceleration is proportional to the negative displacement and is expressed as a = -omega^2 * X. This introduces the interplay between velocity, acceleration, and displacement in harmonic oscillation.

🎯 Understanding the Direction of Velocity and Acceleration

This section explains the direction of velocity and acceleration during oscillatory motion. When the object moves toward the equilibrium position, both velocity and acceleration point toward the center. Conversely, when moving away from the equilibrium, velocity and acceleration have opposite directions.

📚 Recap of Key Concepts in Harmonic Motion

The final paragraph summarizes the key quantities students have learned in the lesson, including amplitude, initial phase, period, frequency, angular frequency, velocity, and acceleration. Students are encouraged to thoroughly understand and memorize the definitions and equations of these fundamental properties in harmonic motion.

Mindmap

Keywords

💡Oscillatory Motion

Oscillatory motion refers to the repeated back-and-forth movement of an object between two points. In the video, this is exemplified through the periodic movement of the shadow of an object moving in uniform circular motion. The concept is crucial to understanding how certain parameters like amplitude, period, and frequency govern such motion.

💡Uniform Circular Motion

Uniform circular motion describes the motion of an object traveling in a circular path at constant speed. In the video, the model used shows how the shadow of a uniformly rotating object helps to visualize oscillatory motion, highlighting the connection between these two types of movements.

💡Amplitude (A)

Amplitude is the maximum displacement of an oscillating object from its equilibrium position. It represents the 'extent' of the oscillation. The video emphasizes amplitude as one of the key parameters of oscillatory motion, represented as 'A' in the equations of motion.

💡Period (T)

The period is the time it takes for an oscillating object to complete one full cycle of motion. In the context of the video, the period is related to the time required for the shadow of an object in uniform circular motion to return to its original position after one full oscillation.

💡Frequency (f)

Frequency refers to the number of oscillations that occur in a unit of time, typically measured in Hertz (Hz). The video defines frequency as the reciprocal of the period, explaining that it tells us how many complete oscillations occur per second.

💡Angular Velocity (ω)

Angular velocity, denoted as 'ω', measures the rate at which an object rotates around a circular path. In the video, it is introduced in the context of both circular and oscillatory motion. It also appears in the equation for oscillatory motion, where it relates to how quickly the angle changes in time.

💡Instantaneous Velocity

Instantaneous velocity refers to the speed and direction of an object at a specific moment in time. In the video, it is derived as the derivative of displacement with respect to time, showing how velocity changes as the object moves from the extreme positions toward equilibrium.

💡Acceleration

Acceleration describes how the velocity of an object changes over time. In the context of oscillatory motion, the video explains that acceleration is proportional to the displacement of the object but in the opposite direction, governed by the equation a = -ω²x, where ω is the angular velocity and x is the displacement.

💡Phase (Φ)

Phase refers to the specific point in the oscillation cycle that an object is at a given time. The video uses phase in the context of the equation for simple harmonic motion (x = A cos(ωt + Φ)), where it helps to determine the position of the oscillating object at any given moment.

💡Harmonic Oscillation

Harmonic oscillation is a type of oscillatory motion where the restoring force is directly proportional to displacement, resulting in a sinusoidal motion. In the video, the shadow of the object in uniform circular motion is shown to perform harmonic oscillation, demonstrating this principle.

Highlights

Introduction to the relationship between simple harmonic motion and circular motion through the model of a uniformly rotating object and its shadow.

Understanding amplitude and angular velocity through the shadow model.

Exploration of new quantities such as frequency, period, velocity, and acceleration.

Observation that the shadow on a horizontal plane completes a full oscillation when the object completes one circular motion.

Definition of the period of oscillation as the time taken for one complete oscillation.

Explanation of how the period is calculated using the formula for the number of complete oscillations.

Introduction to the concept of frequency as the number of oscillations per unit time.

Inverse relationship between frequency and period explained.

Discussion on how an object sweeps an angle during uniform circular motion.

Introduction to angular velocity as a characteristic quantity for the rate of change of the angle.

Angular velocity is also present in the oscillation equation X = A cos(Omega t + Phi).

Demonstration of how the shadow's speed changes as it moves from the boundary to the equilibrium position.

Explanation of how velocity is maximum at the equilibrium position and decreases as it moves away.

Derivation of the instantaneous velocity formula using the definition of velocity as the derivative of displacement.

Introduction to the concept of centripetal acceleration and its relationship with displacement.

Observation that velocity and acceleration have the same direction when moving towards the equilibrium position and opposite directions when moving away.

Vector nature of velocity and acceleration, with velocity following the direction of motion and acceleration always pointing towards the equilibrium position.

Summary of the basic quantities of simple harmonic motion learned, including amplitude, initial phase, period, angular velocity, velocity, and acceleration.

Emphasis on memorizing the definitions and formulas for calculating these quantities.

Conclusion and farewell, encouraging students to study the material carefully.

Transcripts

play00:00

Xin chào mừng các em đến với lớp học môn

play00:04

Vật Lí trong bài học trước các em để

play00:07

nhận thấy mối liên hệ giữa dao động điều

play00:08

hòa và chuyển động tròn đều thông qua mô

play00:10

hình Một vật chuyển động tròn đều và cái

play00:12

bóng của vật đó từ đó làm quen với các

play00:15

đại lượng như biên độ A và phá bắt đầu

play00:21

hôm nay chúng ta sẽ tiếp tục sử dụng mô

play00:23

hình này để tìm hiểu về những đại lượng

play00:25

khác gồm tần số chu kỳ vận tốc và gia

play00:29

tốc hãy cụ thể quan sát là lần nữa nha

play00:34

Một vật chuyển động tròn đều khi đi được

play00:37

một vòng thì cái bóng đèn của nó trên

play00:39

mặt phẳng nằm ngang cũng thực hiện được

play00:41

một dao động toàn phần và trở lại vị trí

play00:43

cũ theo hướng cũ khoảng thời gian để vật

play00:46

dao động thực hiện một dao động toàn

play00:48

phần được gọi là chu kì dao động quan

play00:51

sát mô hình của chúng ta các em cũng có

play00:53

thể nhận ra một chu kỳ cũng chính là

play00:55

khoảng thời gian để vật chuyển động tròn

play00:57

đều tương ứng hoàn thành một vòng quay à

play01:00

ở trong khoảng thời gian Denta t Nếu vật

play01:03

thực hiện được n dao động toàn phần thì

play01:05

chu kì dao động của vật được tính theo

play01:07

công thức Còn nếu ta lấy tỉ số ngược lại

play01:14

tức là lấy số dao động toàn phần n chia

play01:17

cho thời gian Denta T thì đại lượng thu

play01:19

được cho ta biết số dao động vật thực

play01:21

hiện được trong một đơn vị thời gian đại

play01:24

lượng này có tên gọi là tần số đơn vị

play01:26

của tần số là dây mũ trừ một gọi là hết

play01:29

như vậy tần số và chu kì là hai đại

play01:32

lượng nghịch đảo của nhau cũng trong một

play01:37

chu kì Vật chuyển động tròn đều quét

play01:39

được một góc là hay bị ra đi ăn lấy góc

play01:42

quét được này chỉ cho chu kì t ta có đại

play01:44

lượng đặc trưng cho tốc độ biến đổi cung

play01:46

cấp quét gọi là vận tốc của chuyển động

play01:48

tròn kí hiệu là Omega Omega cũng chính

play01:53

là đại lượng có mặt trong phương trình

play01:54

dao động X = A cos Omega t + Phi nhưng

play01:58

trong dao động điều hòa

play02:00

anh mới ra lại được gọi là tần số góc và

play02:02

cũng được tính bởi công thức đơn vị của

play02:05

Tần số góc là da đen cho dây thế sẽ làm

play02:11

chậm có bóng lại để các em quan sát kỹ

play02:13

hơn các em chú ý vào tốc độ di chuyển

play02:16

của các bóng đèn phía dưới nha xuất phát

play02:18

tại biên cái bóng di chuyển nhanh dần

play02:20

đến vị trí cân bằng Sau khi qua vị trí

play02:22

cân bằng vận tốc giảm xuống rồi vật sẽ

play02:24

dừng lại ở pin sau đó vật sẽ đổi chiều

play02:27

chuyển động và lại chuyển động nhanh dần

play02:29

về vị trí cân bằng như vậy là vận tốc

play02:32

của vật có sự thay đổi nhưng thay đổi

play02:34

theo quy luật như thế nào nhỉ để trả lời

play02:39

câu hỏi này các em sử dụng định nghĩa

play02:41

của vận tốc tức thời chính là đạo hàm

play02:44

của li độ ta được biểu thức như sau

play02:47

em dựa vào biểu thức đó cảm thấy ở hai

play02:49

biên vận tốc V = không còn tại vị trí

play02:52

cân bằng vận tốc có giá trị cực đại là V

play02:55

= Omega nhân a những kết quả này hoàn

play02:58

toàn phù hợp với quan sát của chúng ta

play02:59

Đúng không nào phí đạo hàm biểu thức

play03:04

tính vận tốc tức thời ta thu được biểu

play03:06

thức của gia tốc như sau vì X = A cos

play03:11

Omega t + Phi nên tại cũng chúc ra mối

play03:13

liên hệ giữa gia tốc và li độ là a = -

play03:16

Omega bình phương Nhân X Vậy thầy trò ta

play03:21

vừa lập được phương trình tính độ lớn

play03:23

của vận tốc gia tốc rồi còn hướng có các

play03:25

đại lượng này thì sau cùng quan sát lại

play03:27

thí nghiệm một lần nữa khi vật đi từ vị

play03:30

trí biên về vị trí cân bằng thì chuyển

play03:33

động của vật là ngắn dần do đó cả vẫn

play03:35

tốc và gia tốc đều cùng hướng về vị trí

play03:37

cân bằng Còn khi vật đi từ vị trí cân

play03:39

bằng ra vị trí biên thì chuyển động là

play03:41

chậm dần trong khi vận tốc hướng ra vị

play03:43

trí biên thì gia tốc vẫn hướng về vị trí

play03:45

cân bằng

play03:47

Ừ chắc em có nhận ra không Vectơ vận tốc

play03:49

hướng theo chiều chuyển động của vật cần

play03:51

phải tôi gia tốt lại luôn hướng về vị

play03:52

trí cân bằng qua bài học hôm nay các em

play04:08

đã được làm quen thêm các đại lượng cơ

play04:09

bản khác của dao động điều hòa rồi đó

play04:11

kết hợp với bài học trước thì những đại

play04:13

lượng và các em cần nhớ bao gồm biên độ

play04:16

và pha ban đầu chu kỳ tần số tần số góc

play04:20

vận tốc và gia tốt các em nhớ Học kỹ các

play04:24

định nghĩa và công thức tính chất của

play04:26

những đại lượng này nha Chào tạm biệt

play04:27

các em ạ

Rate This

5.0 / 5 (0 votes)

Etiquetas Relacionadas
Harmonic MotionCircular MotionPhysics LessonAmplitudeFrequencyAccelerationOscillationKinematicsScience ClassVelocity
¿Necesitas un resumen en inglés?