Sợi dây chiều dài \(l\), được cắt ra làm hai đoạn \({l_1}\) và \({l_2}\) dùng làm con lắc đơn. Biết li độ của con lắc đơn có chiều dài \({l_1}\) khi có động năng bằng thế năng bằng li độ của con lắc đơn có chiều dài \({l_2}\) khi động năng bằng ba lần thế năng. Vận tốc cực đại của con lắc đơn \({l_1}\) bằng hai lần vận tốc cực đại của con lắc \({l_2}\). Tìm chiều dài \(l\) ban đầu:
Trả lời bởi giáo viên
Ta có:
Thế năng và cơ năng của con lắc: \({{\rm{W}}_t} = \frac{1}{2}mgl{\alpha ^2};{{\rm{W}}_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}mgl{\alpha _0}^2\)
+ Con lắc đơn có chiều dài \({l_1}\):
Khi \({{\rm{W}}_{\rm{d}}} = {{\rm{W}}_t} \to {\alpha _1} = \pm \frac{{{\alpha _{01}}}}{{\sqrt 2 }}\)
+ Con lắc đơn có chiều dài \({l_2}\):
Khi \({{\rm{W}}_{\rm{d}}} = 3{{\rm{W}}_t} \to {\alpha _2} = \pm \frac{{{\alpha _{02}}}}{2}\)
Theo đầu bài, ta có: \({\alpha _1} = {\alpha _2} \to \frac{{{\alpha _{01}}}}{{\sqrt 2 }} = \frac{{{\alpha _{02}}}}{2}\) (1)
Vận tốc cực đại của con lắc đơn: \({v_{{\rm{max}}}} = \omega {s_0} = \omega l{\alpha _0} = \sqrt {gl} {\alpha _0}\)
\({v_{{{\rm{1}}_{{\rm{max}}}}}} = 2{v_{{2_{{\rm{max}}}}}} \leftrightarrow \sqrt {g{l_1}} {\alpha _{01}} = 2\sqrt {g{l_2}} {\alpha _{02}}\) (2)
Từ (1) và (2), ta có:
\(\begin{array}{l}g{l_1}\alpha _{01}^2 = 4g{l_2}\alpha _{02}^2 \leftrightarrow {l_1}\alpha _{01}^2 = 4{l_2}\alpha _{02}^2\\ \leftrightarrow {l_1}\frac{2}{4}\alpha _{02}^2 = 4{l_2}\alpha _{02}^2\\ \to {l_1} = 8{l_2}\end{array}\)
=> Chiều dài \(l\) ban đầu: \(l = {l_1} + {l_2} = 9{l_2}\)
Hướng dẫn giải:
+ Vận dụng công thức tính thế năng và cơ năng của con lắc đơn: \({{\rm{W}}_t} = \frac{1}{2}mgl{\alpha ^2};{{\rm{W}}_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}mgl{\alpha _0}^2\)
+ Áp dụng công thức tính vận tốc cực đại của con lắc đơn: \({v_{{\rm{max}}}} = \omega {s_0} = \omega l{\alpha _0} = \sqrt {gl} {\alpha _0}\)