Một con lắc lò xo thẳng đứng gồm lò xo nhẹ có độ cứng \(k\text{ }=25N/\text{ }m\) một đầu được gắn với hòn bi nhỏ có khối lượng\(m\text{ }=100g\). Khi vật đang ở vị trí cân bằng, tại thời điểm \(t=0\) người ta thả cho con lắc rơi tự do sao cho trục lò xo luôn nằm theo phương thẳng đứng và vật nặng ở phía dưới lò xo. Đến thời điểm \({{t}_{1}}=0,02\sqrt{15}s\) thì điểm chính giữa của lò xo đột ngột bị giữ lại cố định. Lấy \(g=10~\text{m}/{{\text{s}}^{2}};{{\pi }^{2}}=10\). Bỏ qua ma sát, lực cản. Tốc độ của hòn bi tại thời điểm \({{t}_{2}}={{t}_{1}}-0,07s\) có độ lớn gần nhất với giá trị nào sau đây?
A. 75cm /s
B. 60 cm/s
C. 90 cm/s
D. 120 cm/s
Lời giải của giáo viên
ToanVN.com
Độ biến dạng của lò xo tại VTCB: \(\Delta {{l}_{0}}=\frac{mg}{k}=\frac{0,1.10}{25}=4cm\)
Quá trình chuyển động của vật được chia làm hai giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Vật rơi tự do xuống dưới. Chọn HQC gắn với điểm treo lò xo trục Ox thẳng đứng chiều dương hướng xuống dưới, gốc O tại vị trí cân bằng.
Vật nặng chịu tác dụng của các lực trọng lực, lực đàn hồi của lò xo, lực quán tính \(\left( {{F}_{qt}}=P \right)\).
Tại vị trí cân bằng và trong quá trình rơi, vật dao động điều hòa quanh vị trí lò xo không biến dạng với biên độ \(A=\Delta {{l}_{0}}\).
Thời điểm t = 0, con lắc bắt đầu rơi thì vật đang ở biên dưới.
Tần số góc của dao động: \(\omega =\sqrt{\frac{k}{m}}=5\pi (\text{rad}/\text{s})\Rightarrow T=\frac{2\pi }{\omega }=0,4s\)
Sau khoảng thời gian \({{t}_{1}}=0,02\sqrt{15}=\frac{\sqrt{15}}{20}T\) ứng với góc quét \(\varphi =\omega {{t}_{1}}={{69}^{0}}\)
.png)
Khi đó li độ của vật là: \({{x}_{1}}=A\cdot \cos {{69}^{0}}=1,4~\text{cm}\)
Khi đó vật có vận tốc là: \(v=-\omega \cdot \sqrt{{{A}^{2}}-{{x}^{2}}}=-58,93(~\text{cm}/\text{s})\)
+ Giai đoạn 2: Khi lò xo bị giữ ở chính giữa.
Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất, vật chịu tác dụng của 2 lực: Trọng lực và lực đàn hồi.
Độ cứng \({{k}^{\prime }}=2k\Rightarrow \text{VTCB}\) mới ở cách vị trí cân bằng cũ 2cm , là vị trí lò xo dãn \(\Delta l=\frac{mg}{{{k}^{\prime }}}=2cm\)
Sau thời gian t1 , vận tốc của vật nặng so với mặt đất là: \(\overrightarrow{{{v}_{13}}}=\overrightarrow{{{v}_{12}}}+\overrightarrow{{{v}_{23}}}\Rightarrow {{v}_{13}}=-58,93+gt=18,53~\text{cm}/\text{s}\)
Li độ của vật tại thời điểm t1 trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất là: \({{x}_{13}}=-1,4-2=3,4cm\)
Khi đó tần số góc: \({{\omega }^{\prime }}=\sqrt{\frac{{{k}^{\prime }}}{m}}=\sqrt{2}\omega =5\sqrt{2}\pi (\text{rad}/\text{s})\)
Khi đó vật dao động quanh vị trí \({{O}^{'}}\) với biên độ: \({{A}^{\prime }}=\sqrt{x_{13}^{2}+{{\left( \frac{{{v}_{13}}}{{{\omega }^{\prime }}} \right)}^{2}}}\approx 3,5~\text{cm}\)
Sau thời gian \(\Delta t=0,07s\)
Vị trí ban đầu \(\alpha =\operatorname{acr}\cos \frac{3,4}{3,5}=13,{{8}^{0}}\)
Góc quét được \(\varphi =\omega \Delta t=5\sqrt{2}\pi .0,07={{89}^{0}}\)
Li độ lúc đó là \(x=A\cdot \sin \left( \alpha +\varphi -{{90}^{0}} \right)=0,77~\text{cm}\)
Vận tốc lúc đó là \(v={{\omega }^{\prime }}\sqrt{{{A}^{\prime 2}}-{{x}^{2}}}=75,8~\text{cm}/\text{s}\)
CÂU HỎI CÙNG CHỦ ĐỀ
Khi nói về sự điều tiết của mắt, phát biểu nào sau đây là đúng?
Cho hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số, có biên độ là A1 và A2. Biên độ dao động tổng hợp của hai dao động trên có giá trị lớn nhất bằng
Mạch dao động điện từ điều hòa gồm cuộn cảm L và tụ điện C, khi tăng điện dung của tụ điện lên 4 lần thì chu kì dao động của mạch:
Dòng điện \(i=2\sqrt{2},\cos (100\pi t)(A)\) có giá trị hiệu dụng bằng:
Nhận định nào dưới đây về dao động cưỡng bức là không đúng?
Trong hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước, khoảng cách giữa hai cực đại liên tiếp nằm trên đường nối hai tâm sóng bằng bao nhiêu?
Đoạn mạch điện xoay chiều AB chỉ chứa một trong các phần tử: điện trở thuần, cuộn dây hoặc tụ điện. Khi đặt điện áp \(u={{U}_{0}}\cos \left( \omega t-\frac{\pi }{6} \right)V\) lên hai đầu A và B thì dòng điện trong mạch có biểu thức \(i={{I}_{0}}\cos \left( \omega t+\frac{\pi }{3} \right)A\). Đoạn mạch AB chứa:
Đồ thị của hai dao động điều hòa cùng tần số được cho như hình vẽ. Phương trình dao động tổng hợp của chúng là :
.png)
Một chất điểm dao động điều hòa với phương trình li độ \(x=2\cos \left( 2\pi t+\frac{\pi }{2} \right)\) (x tính bằng cm, t tính bằng s). Tại thời điểm \(t=0,25~\text{s}\), chất điểm có li độ bằng:
Để so sánh độ bền vững của các hạt nhân người ta dùng đại lượng
Chu kì bán rã của hai chất phóng xạ A và B là TA và \({{T}_{B}}=2{{T}_{A}}.\) Ban đầu hai khối chất A và B có số hạt nhân như nhau. Sau thời gian \(t=4{{T}_{A}}\) , thì tỉ số giữa số hạt nhân A và B đã phóng xạ là.
Giới hạn quang điện của một kim loại là 300nm. Lấy \(h=6,{{625.10}^{-34}}J.s;c={{3.10}^{8}}~\text{m}/\text{s}\). Công thoát electron của kim loại này là:
Một mạng điện xoay chiều \(220~\text{V}-50~\text{Hz}\), khi chọn pha ban đầu của điện áp bằng không thì biểu thức của điện áp có dạng