Một con lắc lò xo, lò xo có khối lượng không đáng kể, độ cứng \(120N/m\), vật nặng \(M = 300g\) có thể trượt không ma sát trên mặt phẳng nằm ngang. Hệ đang ở trạng thái cân bằng, dùng một vật \(m = 100g\) bắn vào M theo phương nằm ngang với vận tốc \(1,5\left( {m/s} \right)\). Va chạm là hoàn toàn đàn hồi. Sau khi va chạm vật M dao động điều hòa theo phương ngang với cơ năng là:
Trả lời bởi giáo viên
Ta có:
Va chạm đàn hồi: \(\left\{ \begin{array}{l}m{v_0} = mv + MV\\\dfrac{1}{2}mv_0^2 = \dfrac{1}{2}m{v^2} + \dfrac{1}{2}M{V^2}\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}V = \dfrac{2}{{1 + \dfrac{M}{m}}}{v_0}\\v = \dfrac{{1 - \dfrac{M}{m}}}{{1 + \dfrac{M}{m}}}{v_0}\end{array} \right.\)
V: vận tốc của M ở vị trí cân bằng
Sau va chạm M dao động điều hòa: \(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{M}} ,A = \dfrac{V}{\omega }\)
Ta có: \(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{M}} = \sqrt {\dfrac{{120}}{{0,3}}} = 20\left( {rad/s} \right)\)
\(V = \dfrac{{2m{v_0}}}{{m + M}} = \dfrac{{2.0,1.1,5}}{{0,1 + 0,3}} = 0,75m/s\)
Biên độ dao động điều hòa: \(A = \dfrac{V}{\omega } = \dfrac{{0,75}}{{20}} = 0,0375m\)
=> Cơ năng của vật: \({\rm{W}} = \dfrac{1}{2}k{A^2} = \dfrac{1}{2}120.{\left( {0,0375} \right)^2} \approx 0,0844J\)
Hướng dẫn giải:
+ Vận dụng các công thức trong va chạm đàn hồi của con lắc lò xo nằm ngang:
Va chạm đàn hồi: \(\left\{ \begin{array}{l}m{v_0} = mv + MV\\\dfrac{1}{2}mv_0^2 = \dfrac{1}{2}m{v^2} + \dfrac{1}{2}M{V^2}\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}V = \dfrac{2}{{1 + \dfrac{M}{m}}}{v_0}\\v = \dfrac{{1 - \dfrac{M}{m}}}{{1 + \dfrac{M}{m}}}{v_0}\end{array} \right.\)
V: vận tốc của M ở vị trí cân bằng
Sau va chạm M dao động điều hòa: \(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{M}} ,A = \dfrac{V}{\omega }\)
+ Sử dụng biểu thức tính cơ năng: \({\rm{W}} = \dfrac{1}{2}k{A^2}\)