Hai con lắc lò xo đặt đồng trục trên mặt phẳng ngang không ma sát như hình vẽ. Mỗi lò xo có một đầu cố định và đầu còn lại gắn với vật nặng khối lượng m. Ban đầu, hai vật nặng ở các vị trí cân bằng O1, O2 cách nhau 10 cm. Độ cứng các lò xo lần lượt là k1 = 100 N/m và k2 = 400 N/m. Kích thích cho hai vật dao động điều hòa bằng cách: vật thứ nhất bị đẩy về bên trái còn vật thứ hai bị đẩy về bên phải rồi đồng thời buông nhẹ. Biết động năng cực đại của hai vật bằng nhau và bằng 0,125 J. Kể từ lúc thả các vật, khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật có giá trị là
.JPG)
Suy nghĩ trả lời câu hỏi trước khi xem đáp án
Lời giải:
Báo saiTần số góc của hai con lắc là:
\(\left\{ \begin{align} & {{\omega }_{1}}=\sqrt{\frac{{{k}_{1}}}{m}} \\ & {{\omega }_{2}}=\sqrt{\frac{{{k}_{2}}}{m}} \\ \end{align} \right.\Rightarrow \frac{{{\omega }_{2}}}{{{\omega }_{1}}}=\sqrt{\frac{{{k}_{2}}}{{{k}_{1}}}}=\sqrt{\frac{400}{100}}=2\Rightarrow {{\omega }_{2}}=2{{\omega }_{1}}=2\omega \)
Cơ năng của hai con lắc là:
\(\left\{ \begin{align} & {{\text{W}}_{1}}=\frac{1}{2}{{k}_{1}}A_{1}^{2}\Rightarrow 0,125=\frac{1}{2}.100.A_{1}^{2}\Rightarrow {{A}_{1}}=0,05\left( m \right)=5\left( cm \right) \\ & {{\text{W}}_{2}}=\frac{1}{2}{{k}_{2}}A_{2}^{2}\Rightarrow 0,125=\frac{1}{2}.400.A_{2}^{2}\Rightarrow {{A}_{2}}=0,025\left( m \right)=2,5\left( cm \right) \\ \end{align} \right.\)
Tại thời điểm ban đầu, con lắc thứ nhất ở biên âm, con lắc thứ 2 ở biên dương
\(\to \) hai con lắc dao động ngược pha.
Gọi phương trình dao động của hai con lắc là:
\(\left\{ \begin{align} & {{x}_{1}}=5\cos \left( \omega t+\pi \right) \\ & {{x}_{2}}=2,5\cos \left( 2\pi t \right) \\ \end{align} \right.\)
Khoảng cách giữa hai vật trong quá trình dao động là:
\(\ell ={{O}_{1}}{{O}_{2}}+\left( {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right)=10+2,5\cos \left( 2\omega t \right)-5\cos \left( \omega t+\pi \right)\)
\(\Rightarrow \ell =10+2,5.\left( 2{{\cos }^{2}}\omega t-1 \right)+5\cos \left( \omega t \right)\)
\(\Rightarrow \ell =5{{\cos }^{2}}\omega t+5\cos \omega t+7,5\)
Đặt \(x=cos\omega t\Rightarrow f\left( x \right)=5{{x}^{2}}+5x+7,5\)
Xét \(f'\left( x \right)=10x+5=0\Rightarrow x=-\frac{1}{2}\Rightarrow {{f}_{\left( x \right)\min }}={{\ell }_{\min }}=6,25\left( cm \right)\)
Đề thi thử THPT QG năm 2021 môn Vật Lý
Trường THPT Tân Thành
