Hai con lắc lò xo đặt trên mặt nằm ngang không ma sát, hai đầu gắn hai vật nặng khối lượng \({m_1} = {\rm{ }}{m_2}\), hai đầu lò xo còn lại gắn cố định vào hai tường thẳng đứng đối diện sao cho trục chính của chúng trùng nhau. Độ cứng tương ứng của mỗi lò xo lần lượt là \({k_1} = {\rm{ }}100{\rm{ }}N/m,{\rm{ }}{k_2} = {\rm{ }}400{\rm{ }}N/m\). Vật \({m_1}\) đặt bên trái, \({m_2}\) đặt bên phải. Kéo \(m_1\) về bên trái và \({m_2}\) về bên phải rồi buông nhẹ hai vật cùng thời điểm cho chúng dao động điều hòa cùng cơ năng \(0,125{\rm{ }}J\). Khi hai vật ở vị trí cân bằng chúng cách nhau \(10{\rm{ }}cm\). Khoảng cách ngắn nhất giữa hai vật trong quá trình dao động là:
Trả lời bởi giáo viên
Biên độ dao động của các vật tính từ công thức \({\rm{W}} = \dfrac{{{k_1}A_1^2}}{2} = \dfrac{{{k_2}A_2^2}}{2}\)
\( \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}{A_1} = \sqrt {\dfrac{{2W}}{{{k_1}}}} = 0,05(m) = 5(cm)\\{A_2} = \sqrt {\dfrac{{2W}}{{{k_2}}}} = 0,025(m) = 2,5(cm)\end{array} \right.\)
Khoảng cách lúc đầu giữa hai vật: \({O_1}{O_2} = {\rm{ }}10{\rm{ }}cm\)
Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu dao động, chọn gốc tọa độ trùng với $O_1$ thì phương trình dao động của các vật lần lượt là: \({x_1} = - 5\cos \omega t\,\,cm,\,{x_2} = 10 + 2,5\cos 2\omega t = 5{\cos ^2}\omega t + 7,5\,\,cm,\) với \(\omega \) là tần số góc của con lắc thứ nhất.
Khoảng cách giữa hai vật: \(y = {x_2} - {x_1} = 5{\cos ^2}\omega t + 5\cos \omega t + 7,5\,\,\left( {cm} \right).\)
Ta thấy y là tam thức bậc \(2\) đối với \(cos\omega t\) và \({y_{min}}\) khi \(cos\omega t{\rm{ }} = {\rm{ }} - 0,5\)
Thay \(cos\omega t = - 0,5\) và biểu thức \(y\) ta tính được \({y_{min}} = {\rm{ }}6,25{\rm{ }}cm\)
Hướng dẫn giải:
+ Vận dụng biểu thức tính năng lượng dao động của CLLX: \({\rm{W}} = \dfrac{1}{2}k{A^2}\)
+ Dùng tam thức bậc 2 để nhận xét giá trị nhỏ nhất