giải thích vì sao đúng/sai giúp mình với ạ!!!
Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có k…
Một con lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng là m = 100 g và lò xo có độ cứng là k = 50N / m trên mặt phẳng nhẵn nằm ngang. Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng 5 cm rồi thả nhẹ. Chọn gốc tọa độ trùng vị trí cân bằng, chiều dương cùng chiều kéo vật ban đầu, gốc thời gian là lúc thả vật. Lấy pi ^ 2 = 10 dao động của con lắc của biểu thức là
b) Tần số dao động của con lắc là 5 Hz.
c) Phương trình dao động của vật là x = 5cos(20t + pi/2) cm
d) Khoảng thời gian ngắn nhất vật chuyển động từ vị trí x_{1} = 2, 5 cm đến x_{2} = – 2, 5sqrt(2) cm là 1/24s
Tóm tắt dữ kiện đề bài:
- Khối lượng vật nhỏ: \(m = 100 \text{ g} = 0.1 \text{ kg}\)
- Độ cứng lò xo: \(k = 50 \text{ N/m}\)
- Mặt phẳng nhẵn nằm ngang (bỏ qua ma sát)
- Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng \(5 \text{ cm}\) rồi thả nhẹ:
- Biên độ dao động: \(A = 5 \text{ cm} = 0.05 \text{ m}\)
- Vận tốc ban đầu: \(v_0 = 0\) (thả nhẹ)
- Gốc tọa độ trùng vị trí cân bằng (\(x=0\) tại VTCB)
- Chiều dương cùng chiều kéo vật ban đầu
- Gốc thời gian (\(t=0\)) là lúc thả vật
- Giá trị xấp xỉ: \(\pi^2 = 10\)
Trước hết, chúng ta cần tính các đại lượng cơ bản của dao động điều hòa:
1. Tần số góc (\(\omega\)):
Công thức tính tần số góc của con lắc lò xo là: \(\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}\)
Thay số vào, ta có: \(\omega = \sqrt{\frac{50 \text{ N/m}}{0.1 \text{ kg}}} = \sqrt{500} \text{ rad/s}\)
Để làm việc với \(\pi^2 = 10\), ta có thể viết lại \(\omega\) như sau: \(\omega = \sqrt{50 \times 10} = \sqrt{50 \times \pi^2} = \pi\sqrt{50} = 5\pi\sqrt{2} \text{ rad/s}\)
Hoặc nếu không dùng \(\pi^2=10\) ngay, ta có \(\omega = 10\sqrt{5} \text{ rad/s}\). Cả hai cách biểu diễn đều đúng về mặt giá trị.
2. Chu kỳ (\(T\)):
\(T = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{5\pi\sqrt{2}} = \frac{2}{5\sqrt{2}} = \frac{2\sqrt{2}}{10} = \frac{\sqrt{2}}{5} \text{ s}\)
3. Tần số (\(f\)):
\(f = \frac{1}{T} = \frac{5}{\sqrt{2}} = \frac{5\sqrt{2}}{2} \text{ Hz}\)
Giá trị xấp xỉ: \(f \approx \frac{5 \times 1.414}{2} \approx 3.535 \text{ Hz}\)
4. Xác định pha ban đầu (\(\phi\)):
Phương trình dao động tổng quát: \(x(t) = A \cos(\omega t + \phi)\)
Tại gốc thời gian \(t=0\), vật đang ở vị trí \(x_0 = A = 5 \text{ cm}\) (kéo lệch \(5 \text{ cm}\) theo chiều dương rồi thả).
Vận tốc ban đầu \(v_0 = 0\) (thả nhẹ).
Ta có:
- \(x(0) = A \cos(\phi) = A \Rightarrow \cos(\phi) = 1\)
- \(v(0) = -\omega A \sin(\phi) = 0 \Rightarrow \sin(\phi) = 0\)
Từ hai điều kiện trên, ta chọn \(\phi = 0\).
Vậy, phương trình dao động đúng của vật là: \(x(t) = 5 \cos(5\pi\sqrt{2} t) \text{ cm}\)
Bây giờ chúng ta sẽ xét từng ý trong đề bài:
b) Tần số dao động của con lắc là 5 Hz.
Như chúng ta đã tính ở trên, tần số dao động của con lắc là: \(f = \frac{5\sqrt{2}}{2} \text{ Hz} \approx 3.535 \text{ Hz}\).
Rõ ràng, giá trị này KHÔNG bằng \(5 \text{ Hz}\).
Kết luận: Ý b) là SAI.
c) Phương trình dao động của vật là \(x = 5\cos(20t + \frac{\pi}{2}) \text{ cm}\).
Chúng ta so sánh phương trình này với phương trình dao động chuẩn \(x(t) = A \cos(\omega t + \phi)\):
- Biên độ \(A\): Từ đề bài, \(A = 5 \text{ cm}\). Phương trình cho là \(A = 5 \text{ cm}\). Điều này đúng.
- Tần số góc \(\omega\): Từ phương trình cho, \(\omega = 20 \text{ rad/s}\).
Tuy nhiên, chúng ta đã tính được \(\omega = 5\pi\sqrt{2} \text{ rad/s}\) (hoặc \(10\sqrt{5} \text{ rad/s}\)).
Dễ thấy \(20 \neq 5\pi\sqrt{2}\) (vì \(5\pi\sqrt{2} \approx 5 \times 3.14 \times 1.414 \approx 22.2 \text{ rad/s}\)). Vì vậy, tần số góc trong phương trình đã cho là sai. - Pha ban đầu \(\phi\): Từ phương trình cho, \(\phi = \frac{\pi}{2}\).
Tuy nhiên, chúng ta đã xác định pha ban đầu là \(\phi = 0\) dựa trên điều kiện ban đầu (thả nhẹ từ biên dương).
Nếu \(\phi = \frac{\pi}{2}\), thì tại \(t=0\), \(x(0) = 5\cos(\frac{\pi}{2}) = 0\), nghĩa là vật bắt đầu từ vị trí cân bằng, điều này mâu thuẫn với đề bài (kéo lệch \(5 \text{ cm}\) rồi thả).
Vì tần số góc và pha ban đầu đều sai, nên phương trình đã cho là không đúng.
Kết luận: Ý c) là SAI.
d) Khoảng thời gian ngắn nhất vật chuyển động từ vị trí \(x_{1} = 2, 5 \text{ cm}\) đến \(x_{2} = – 2, 5\sqrt{2} \text{ cm}\) là \(1/24 \text{ s}\).
Chúng ta sẽ sử dụng phương trình dao động đúng đã xác định: \(x(t) = 5 \cos(5\pi\sqrt{2} t) \text{ cm}\).
Để tìm khoảng thời gian ngắn nhất từ \(x_1\) đến \(x_2\), chúng ta cần tìm thời điểm mà vật đi qua các vị trí này.
1. Thời điểm vật qua vị trí \(x_1 = 2.5 \text{ cm}\):
\(2.5 = 5 \cos(5\pi\sqrt{2} t_1)\)
\(\cos(5\pi\sqrt{2} t_1) = \frac{2.5}{5} = \frac{1}{2}\)
Góc nhỏ nhất dương thỏa mãn điều kiện này là \(\frac{\pi}{3}\).
Vậy: \(5\pi\sqrt{2} t_1 = \frac{\pi}{3}\)
\(t_1 = \frac{\pi}{3 \times 5\pi\sqrt{2}} = \frac{1}{15\sqrt{2}} \text{ s}\)
2. Thời điểm vật qua vị trí \(x_2 = -2.5\sqrt{2} \text{ cm}\):
\(-2.5\sqrt{2} = 5 \cos(5\pi\sqrt{2} t_2)\)
\(\cos(5\pi\sqrt{2} t_2) = \frac{-2.5\sqrt{2}}{5} = -\frac{\sqrt{2}}{2}\)
Góc nhỏ nhất dương (sau \(\pi/3\)) thỏa mãn điều kiện này là \(\frac{3\pi}{4}\).
Vậy: \(5\pi\sqrt{2} t_2 = \frac{3\pi}{4}\)
\(t_2 = \frac{3\pi}{4 \times 5\pi\sqrt{2}} = \frac{3}{20\sqrt{2}} \text{ s}\)
3. Khoảng thời gian ngắn nhất từ \(x_1\) đến \(x_2\):
Do vật bắt đầu từ biên dương (\(x=A\)), nó sẽ đi qua \(x_1\) trước rồi mới đến \(x_2\). Do đó, khoảng thời gian ngắn nhất là \(\Delta t = t_2 – t_1\).
\(\Delta t = \frac{3}{20\sqrt{2}} – \frac{1}{15\sqrt{2}}\)
Để trừ hai phân số, ta quy đồng mẫu số (mẫu số chung nhỏ nhất của 20 và 15 là 60):
\(\Delta t = \frac{3 \times 3}{60\sqrt{2}} – \frac{1 \times 4}{60\sqrt{2}} = \frac{9}{60\sqrt{2}} – \frac{4}{60\sqrt{2}} = \frac{9 – 4}{60\sqrt{2}} = \frac{5}{60\sqrt{2}} = \frac{1}{12\sqrt{2}} \text{ s}\)
Để đơn giản hóa, ta nhân cả tử và mẫu với \(\sqrt{2}\):
\(\Delta t = \frac{1 \times \sqrt{2}}{12\sqrt{2} \times \sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{12 \times 2} = \frac{\sqrt{2}}{24} \text{ s}\)
So sánh với giá trị đề bài đưa ra là \(1/24 \text{ s}\).
Chúng ta thấy \(\frac{\sqrt{2}}{24} \text{ s} \neq \frac{1}{24} \text{ s}\) (vì \(\sqrt{2} \approx 1.414 \neq 1\)).
Kết luận: Ý d) là SAI.
Tóm lại, cả ba ý b), c), d) đều là SAI.
Hy vọng phần giải thích chi tiết này giúp các em hiểu rõ hơn về cách giải quyết bài toán dao động điều hòa nhé!
A= 5cm
ω = \(\frac{k}{m}\) = 10\(\sqrt{5}\) rad/s
b) Sai
f= \(\frac{1}{2\pi}\) .\(\sqrt{}\) \(\frac{k}{m}\) = \(\frac{5}{\sqrt{2}}\) Hz
c) Sai
Tại t = 0s , vật ở vị trí cân bằng nên: \(x_{0}\)=0 cm <=> \(x_{0}\) =A.cos(ω.0 + Ф) => Ф = \(cos^{-1}(\frac{x_0}{A})\) = ± \(\frac{\pi}{2}\) mà v>0 (đi theo chiều dương)
=> Ф = – \(\frac{\pi}{2}\)
=> Phương trình li độ x= 5.cos( 10\(\sqrt{5}\).t-\(\frac{\pi}{2}\) ) cm
d) Sai
T = \(\frac{2\pi}{ω}\) = \(\frac{\sqrt2}{5}\) s
Thời gian đi từ vị trí x= \(\frac{A}{2}\) đến -\(\frac{A}{2}\) là t = \(\frac{5T}{24}\) = \(\frac{5.\frac{\sqrt2}{5}}{24}\) ≈ 0,059s

Trợ Lý Xưởng In Thiên Nam
Add comment