Một con lắc lò xo treo thẳng gồm vật nhỏ khối lượng \(m{\rm{ }} = {\rm{ }}1{\rm{ }}kg\), lò xo nhẹ có độ cứng \(k{\rm{ }} = {\rm{ }}100{\rm{ }}N/m\). Đặt một giá nằm ngang đỡ vật m để lò xo có chiều dài tự nhiên rồi cho giá đỡ chuyển động thẳng đứng xuống nhanh dần đều không vận tốc đầu với gia tốc \(a{\rm{ }} = {\rm{ }}2{\rm{ }}m/{s^2}\). Lấy \(g{\rm{ }} = {\rm{ }}10{\rm{ }}m/{s^2}\). Sau khi rời giá đỡ thì vật m dao động điều hòa với biên độ:
Trả lời bởi giáo viên
+ Khi cho giá đỡ chuyển động thì các lực tác dụng vào vật nặng của con lắc
Trọng lực, lực đàn hồi, phản lực do giá đỡ tác dụng lên vật
Theo định luật II Niu-tơn ta có: \(\overrightarrow P + \overrightarrow N + \overrightarrow {{F_{dh}}} = m\overrightarrow a \)
Chiếu lên chiều dương là chiều chuyển động đi xuống của vật ta có: \(P - N - {F_{dh}} = ma \Rightarrow N = P - {F_{dh}} - ma\)
+ Giá đỡ rời vật khi \(N{\rm{ }} = {\rm{ }}0\) \( \Rightarrow P - {F_{dh}} - ma =0\Rightarrow {F_{dh}} = P - ma \Leftrightarrow \Delta l = \dfrac{{m(g - a)}}{k} = 0,08(m)\)
Hay giá đỡ rời vật khi lò xo giãn đoạn \(8{\rm{ }}cm\) , mà độ giãn của lò xo ở VTCB \(\Delta {l_0} = \dfrac{{mg}}{k} = 10cm\)
=> Vật đang ở vị trí có li độ \(x{\rm{ }} = {\rm{ }} - {\rm{ }}2{\rm{ }}cm\)
+ Vận tốc của vật tại vị trí đó là \(v = \sqrt {2as} = \sqrt {2a\Delta l} = 40\sqrt 2 (cm/s)\)
+ Tần số góc \(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{m}} = 10(rad/s)\)
=> Vật sẽ dao động với biên độ \(A = \sqrt {{x^2} + \dfrac{{{v^2}}}{{{\omega ^2}}}} = \sqrt {{{( - 2)}^2} + \dfrac{{{{40}^2}.2}}{{{{10}^2}}}} = 6(cm)\)
Hướng dẫn giải:
+ Vận dụng biểu thức định luật II – Niuton: \(\overrightarrow F = m\overrightarrow a \)
+ Sử dụng biểu thức tính độ dãn của con lắc lò xo treo thẳng đứng: \(\Delta l = \dfrac{{mg}}{k}\)
+ Sử dụng biểu thức tính tần số góc: \(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{m}} \)
+ Sử dụng hệ thức độc lập A – x – v: \({A^2} = {x^2} + \dfrac{{{v^2}}}{{{\omega ^2}}}\)