Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chương 3: Con lắc đơn - Chu Văn Biên

Nội dung text: Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chương 3: Con lắc đơn - Chu Văn Biên

1. MỤC LỤC Chủ đề 3. CON LẮC ĐƠN 230 A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 230 1. Phương trình chuyển động của con lắc đơn 230 2. Năng lượng của con lắc đơn 230 B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 230 Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN CÔNG THỨC TÍNH ω, f, T 230 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 234 Dạng 2. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG 237 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 240 DẠNG 3. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN VẬN TỐC CỦA VẬT, LỰC CĂNG SỢI DÂY, GIA TỐC 243 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 249 Dạng 4. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐÉN VA CHẠM CON LẮC ĐƠN 252 1. VẬT VA CHẠM VỚI CON LẮC TẠI VỊ TRÍ CÂN BẰNG 253 2. CON LẮC VA CHẠM TỚI VẬT TẠI VỊ TRÍ CÂN BẰNG 253 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 258 Dạng 5. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN THAY ĐỔI CHU KÌ 259 1. CHU KÌ THAY ĐỒI LỚN 259 2. CHU KỲ THAY ĐỔI NHỎ 260 3. ĐỒNG HỒ QUẢ LẮC 263 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 266 DẠNG 6. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN DAO ĐỘNG CON LẮC ĐƠN CÓ THÊM TRƯỜNG LỰC 270 3. Khi F có phương xiên 285 BÀI TẬP TỰ LUYỆN 289 Dạng 7. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN HỆ CON LẮC VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT SAU KHI DÂY ĐỨT 295 1. Hệ con lắc thay đổi: 295 2. Chuyển động của vật sau khi dây đứt 299
2. Chủ đề 3. CON LẮC ĐƠN A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 1. Phương trình chuyển động của con lắc đơn + Con lắc đơn gồm một vật nặng treo vào sợi dây không dãn, vật nặng kích thước không đáng kể so với chiều dài sợi dây, sợi dây khối lượng không đáng kể so với khối lượng của vật nặng.  max  + Khi dao động nhỏ ( sin (rad)), con lắc đơn dao R động điều hòa với phương trình: s A cos t hoặc A s A h S B max t ; Với ; max s    O P1 A   + Chu kỳ, tần số, tần số góc: max P n  1 g g h  1 cos  T 2 ;f ; P g 2   hmax  1 cos max mg + Lực kéo vê khi biên độ góc nhỏ: F s.  4 2  + Xác định gia tốc rơi tự do nhờ con lắc đơn : g T 2 + Chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc độ cao, vĩ độ địa lí và nhiệt độ môi trường. 2. Năng lượng của con lắc đơn 1 2 + Động năng : Wđ = mv . 2 1 2 0 + Thế năng: Wt = mg 1 cos  10 0,17 rad ; rad . 2 1 + Cơ năng: W W W mg 1 cos mg 2 . d t max 2 max Cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn nếu bỏ qua ma sát. B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 1. Bài toán liên quan đến công thức tính ω, f, T. 2. Bài toán liên quan đến cơ năng dao động. 3. Bài toán liên quan đến vận tốc vật, lực căng sợi dây và gia tốc. 4. Bài toán liên quan đến va chạm con lắc đơn. 5. Bài toán liên quan đên thay đôi chu là. 6. Bài toán liên quan đến dao động của con lắc đơn có thêm trường lực. 7. Bài toán liên quan đến hệ con lắc và chuyển động của vật sau khi dây đứt. Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN CÔNG THỨC TÍNH ω, f, T Phương pháp giải  t1 1  2 T1 2 T1 2 ;T2 2 2 2 2 g n1 g g T T1 T2 ; 2 2 2   t     T T1 T2 T 2 2 T 2 1 2 ;T _ 2 1 2 2 2 g n2 g g Ví dụ 1: Khi chiều dài dây treo tăng 20% thì chu kỳ dao động điều hòa của con lắc đơn 230
3. A. giảm 9,54%. B. tăng 20%. C. tăng 9,54%. D. giảm 20%. Hướng dẫn  0,2 2 T g 2 1,2 1,0954 1 0,00954 100% 9,54% Chọn C. T  1 2 g Ví dụ 2 : Một con lắc đơn, trong khoảng thời gian Δt nó thực hiện 12 dao động. Khi giảm độ dài của nó bớt 16cm, trong cùng khoảng thời gian Δt như trên, con lắc thực hiện 20 dao động. Tính độ dài ban đầu. A. 60 cm. B. 50 cm. C. 40 cm. D. 25 cm. Hướng dẫn  t T1 2 g 12  0,16 12  0,25 m Chọn D.  0,16 t  20 T 2 2 g 20 Ví dụ 3: Một con lắc đơn, trong khoảng thời gian Δt = 10 phút nó thực hiện 299 dao động. Khi giảm độ dài của nó bớt 40 cm, trong cùng khoảng thời gian Δt như trên, con lắc thực hiện 386 dao động. Gia tốc rơi tự do tại nơi thí nghiệm là A. 9,80 m/s2. B. 9,81 m/s2. C. 9,82 m/s2. D. 9,83 m/s2. Hướng dẫn  600  0,4 600 T 2 ;T 2 1 g 299 2 g 386 2 2 2 0,4 2 2 2 2 T1` T2 4 . 600 299 386 g 9,8 m / s Chọn A. g Chú ý: Công thức độc lập với thời gian của con lắc đơn có thể suy ra từ công thức đối với con A  max v2 lắc lò xo: A2 x2 x s  2 2 g /  Ví dụ 4: Một con lắc đơn gồm sợi dây có chiều dài 20 cm treo tại một điểm cố định. Kéo con lắc khỏi phương thẳng đứng một góc bằng 0,1 (rad) về phía bên phải, rồi truyền cho con lắc một tốc độ bằng 14 3 (cm/s) theo phương vuông góc với với dày. Coi con lắc dao động điều hoà. Cho gia tốc trọng trường 9,8 (m/s2). Biên độ dài của con lắc là A. 3,2 cm. B. 2,8 cm. C. 4 cm. D. 6 cm. Hướng dẫn 2 2 2 v 2 v  2 0,14 .3.0,2 A x2  0,2.0,1 0,04 m Chọn C 2 max g 9,8 Ví dụ 5: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 0,1 rad ở một nơi có gia tốc trọng trường g = 10 m/s2. Vào thời điểm ban đầu vật đi qua vị trí có li độ dài 8 cm và có vận tốc 20 3 cm/s. Tốc độ cực đại của vật dao động là: A. 0,8 m/s. B. 0,2 m/s. C. 0,4 m/s. D. 1 m/s. Hướng dẫn 231
4. 2 2 v 2 v 2 .0,04.3 A2 x2  s2 .0,1 0,082  1,6 m 2 max g 10 g v A . 0,4 m / s Chọn C. max  max Chú ý: Công thức độc lập thời gian: x s a 2 2 2 q 2 2 v x v A A max 2 A x 2 1  v A 1 q  A A x s  2 Với con lắc đơn lực kéo về cũng được tính Fkv m x g 2  Ví dụ 6: Vật treo của con lắc đơn dao động điều hòa theo cung tròn MN quanh vị trí cân bằng O. Gọi P và Q lần lượt là trung điểm của cung MO và cung MP. Biết vật có tốc độ cực đại 8 m/s, tìm tốc độ của vật khi đi qua Q? A. 6 m/s. B. 5,29 m/s. C. 3,46 m/s. D. 8 m/s. Hướng dẫn 2 2 x 3 q x v A 4 2 A 7 8 7 1  v A 1 q 5,29 m / s A A 4 4 Ví dụ 7: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 100 (g), tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s2. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc 0,1 rad rồi thả nhẹ. Khi vật qua vị trí có tốc độ bằng nửa tốc độ cực đại thì lực kéo về có độ lớn là A. 0,087 N. B. 0,1 N. C. 0,025 N. D. 0,05 N. Hướng dẫn v 3 g 3 v max max F m  mg max 0,087 N Chọn A. 2 2 kv  2 Ví dụ 8: (THPTQG - 2017) Ở một nơi trên Trái Đất, hai con lắc đơn có cùng chiều dài đang dao động điều hòa với cùng biên độ. Gọi m1, F1 và m2, F2 lần lượt là khối lượng, độ lớn lực kéo về cực đại của con lắc thứ nhất và của con lắc thứ hai. Biết m 1 + m2 =1,2 kg và 2F2 = 3F1. Giá trị của m1 là A. 720 g. B. 400 g. C. 480 g. D. 600 g. Hướng dẫn 2 2F1 3F2 m1 m2 1,2 ·Từ Fmax kA m A  2m1 3m2  m1 0,72 kg Chọn A. Ví dụ 9: (THPTQG - 2017) Ở một nơi trên Trái Đất, hai con lắc đơn có cùng khối lượng đang dao động điều hòa. Gọi 1;s01,F1 và  2 ;s02 ;F2 lần lượt là chiều dài, biên độ, độ lớn lực kéo về cực đại của con lắc thứ nhất và của con lắc thứ hai. Biết 3 2 21;2s02 3s01 . Tỉ sổ F1/F2 bằng: A. 4/9. B. 3/2. C. 9/4. D. 2/3 Hướng dẫn 2 g F1  2 A1 2 2 4 * Từ Fmax kA m A m A . Chọn A.  F2 1 A2 3 3 9 Ví dụ 10: Một con lắc đơn dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng, chọn trục Ox nằm ngang gốc O trùng với vị trí cân bằng chiều dương hướng từ trái sang phải. Ở thời điểm ban đầu vật ở bên hái vị trí cân bằng và dây heo họp với phương thẳng đứng một góc 0,01 rad, vật được truyền 232
5. tốc độ π cm/s với chiều từ phải sang trái. Biết năng lượng dao động của con lắc là 0,1 (mJ), khối lượng của vật là 100 g, lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2 và π2 = 10. Viết phương trình dao động của vật A. s = 2 cos(πt + 3π/4) cm B. s = 2 cos(πt - π/4) cm C. s = 4cos(2πt + 3π/4) cm D. s = 4cos(2πt - π/4) cm Hướng dẫn mg mv2 0,1.10 0,1.0,03142 W 2 10 4 0,012 2 2 2 2 g  1 m  rad / s  s A cos pt s A cos  0,01 m t 0 0  v s' Asin t v Asin 3,14.10 2 m / s 0 3 3 4 s 0,01 2 cos t m Chọn A. 4 A 0,01 2 m Chú ý: Nếu con lắc đơn gồm một dây kim loại nhẹ, dao động điều hoà trong một từ trường đều mà cảm ứng từ có hướng vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc thì trong dây d dẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng:  O d B B 2 d BdS B2 d dS e 2 dt dt dt 2 dt BI2   max cos t  e max sin t 2 Ví dụ 11 : Một con lắc đơn gồm một dây kim loại nhẹ dài 1 m, dao động điều hoà với biên độ góc 0,2 rad trong một từ trường đều mà cảm ứng từ có hướng vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc và có độ lớn 1 T. Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Tính suất điện động cực đại xuất hiện trên thanh treo con lắc A. 0,45 V. B. 0,63 V. C. 0,32 V. D. 0,22 V. Hướng dẫn B2 1 g E max B2 0,32 V Chọn C. 0 2 2  max Ví dụ 12: Trong bài thực hành đo gia tốc trọng trường của Trái đất tại phòng thí nghiệm. Một học sinh đo chiều dài con lắc đơn được kết quả  = (0,8 0,001) m, thì chu kì dao động T = (1,79 0,01) s. Lấy π2 = 3,14. Gia tốc trọng trường tại đó là A. g = (9,857 0,035) m/s2. B. g = (9,801 ± 0,0035) m/s2. C. g = (9,857 ± 0,122) m/s2. D. g = (9,801 ± 0,122) m/s2. Hướng dẫn  4 2 Từ công thức: T 2 g T2 Lấy vi phân hai vế: g 2 2 2 T d 2Tdt 4  dt dT d dT dg 4 4 2 2 g 2 T T  T  T 233
6.  T g g 2  T 2  2 0,8 2 g 4 4 . 2 9,857 m / s T2 1,79  T 0,001 0,01 g g. 2 9,857 2. 0,122 m / s2  T 0,8 1,79 g 9,857 0,122 m / s2 Chọn C Ví dụ 13: (THPTQG - 2017) Tiến hành thí nghiệm đo gia tốc trọng trưởng bằng con tắc đơn, một học sinh đo được chiều dài con lắc là 119 ± 1 (cm), chu kì dao động nhỏ của nó là 2,20 ± 0,01 (s), Lấy π2 = 9,87 và bỏ qua sai số của số π. Gia tốc trọng trường đo học sinh đo được tại nơi làm thí nghiệm là A. g = 9,7 ± 0,1 (m/s2). B. g = 9,8 ± 0,1 (m/s2). C. g = 9,7 ± 0,2 (m/s2) D. g = 9,8 ± 0,2 (m/s2). Hướng dẫn 4 2  4.9,87.1,19 g 9,7 2 2 2  4  T 2,2 * Từ T 2 g g T2 g  T 1 2.0.01 2 g 0,2 g  T 119 2,2 g g g 9,7 0,2 m / s2 Chọn C. BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Tại một nơi, chu kì dao động điều hòa của một con lắc đơn là 2,2 s. Sau khi giảm chiều dài của con lắc 21 cm thì chu kì dao động điều hòa của nó là 2,0 s. Chiều dài ban đầu của con lắc này là A. 100 cm. B. 99 cm. C. 98 cm. D. 121 cm. Bài 2: Để chu kì dao động điều hòa của con lắc đơn tăng thêm 5% thì phải tăng chiều dài nó A. 5,75%. B. 2,25%. C. 10,25 %. D. 25%. Bài 3: Tìm chiều dài của con lắc đơn có chu kì 1 s ở nơi có gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2. A. 101 cm. B. 173 cm. C. 98 cm. D. 25 cm. Bài 4: Ở nơi mà con lắc đơn đếm giây (tức là chu kì 2 s) có độ dài 1 m thì con lắc đơn có độ dài 3 m dao động với chu kì bằng bao nhiêu? A. 2,5 s. B. 3,5 s. C. 3,8 s. D. 3,9 s. Bài 5: Có hai con lắc đơn mà độ dài của chúng khác nhau 22 cm, dao động ở cùng một nơi. Trong cùng một khoảng thời gian, con lắc thứ nhất thực hiện được 30 dao động toàn phần, con lắc thứ hai thực hiện được 36 dao động toàn phần. Độ dài của các con lắc nhận giá trị nào sau đây: A. 1 − 88 cm;  2 = 110 cm. B. 1 = 78 cm;  2 =110 cm. C. 1 = 72 cm ;  2 = 50 cm. D. 1 = 50 cm;  2 = 72 cm. Bài 6: Có hai con lắc đơn có dây treo dài không bằng nhau, hiệu số độ dài của chúng là 28 cm. Trong khoảng thời gian mà con lắc thứ nhất thực hiện được 6 chu kì dao động thì con lắc thứ hai thực hiện được 8 chu kì dao đông. Tính độ dài của mỗi con lắc. A. 64 cm; 36 cm. B. 99 cm; 36 cm. C. 98 cm; 36 cm. D. 36 cm; 64 cm. 234
7. Bài 7: Tại một nơi con lắc đơn có độ dài  dao động điều hòa với chu kỳ T 1 = 5 (s), con lắc đơn có độ dài h dao động điều hòa với chu kỳ T 2 = 4 (s). Tại đó, con lắc đơn có độ dài  1  2 sẽ dao động điều hòa với chu kỳ A. T = 1 (s). B. T = 5 (s). C. T = 3 (s). D. T = 7/12 (s). Bài 8: Tại cùng một vị trí địa lý, hai con lắc đơn có chu kỳ dao động riêng lần lượt là 2,0s và l,5s, chu kỳ dao động riêng của con lắc thứ ba có chiều dài bằng tổng chiều dài của hai con lắc nói trên là A. 5,0 s. B. 3,5 s. C. 2,5 s. D. 4,0 s. Bài 9: Con lắc đơn dao động điều hòa với chu kì 2 s thì trong 24 h nó thực hiện được bao nhiêu dao động? A. 43200. B. 86400. C. 3600. D. 6400. Bài 10: Một con lắc đơn, ương khoảng thời gian Δt nó thực hiện 40 dao động. Khi tăng độ dài của nó 7,9 cm, frong cùng khoảng thời gian Δt như trên, con lắc thực hiện 39 dao động. Độ dài ban đầu của con lắc là A. 1,521m. B. 1,532m. C. 1,583 m. D. 1,424 m. Bài 11: Một con lắc đơn có chiều dài 72 cm, dao động điều hòa trong khoảng thời gian Δt thực hiện được 30 dao động. Nếu cắt ngắn chiều dài 22 cm thì trong khoảng thời gian Δt, số dao động thực hiện được là A. 36. B. 20. C. 32. D. 48. Bài 12: Một con lắc đơn dao động điều hòa, nếu cắt bớt dây treo một phần ba thì chu kì dao động là 3s. Nếu cắt tiếp dây treo một đoận bằng một nửa phần đã cắt thì chu kì dao động là A. 1,8 s. B. 2,6 s. C. 3,2 s. D. 1,5 s. Bài 13: Tại nơi có gia tốc trọng trường 9,8 m/s 2, một con lắc đơn và một con lắc lò xo nằm ngang dao động điều hòa với cùng tần số. Biết con lắc đơn có chiều dài 49 cm và lò xo có độ cứng 5 N/m. Khối lượng vật nhỏ của con lắc lò xo là A. 0,125 kg. B. 0,750 kg. C. 0,250kg. D. 0,500 kg. Bài 14: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 0,1 rad tại nơi có g = 10 m/s 2. Tại thời điểm ban đầu vật đi qua vị trí có li độ dài s = 8 3 cm với vận tốc v = 20 cm/s. Độ lớn gia tốc của vật khi nó đi qua vị trí có li độ dài 8 cm là A. 0,506 m/s2. B. 0,516 m/s2. C. 0,500m/s2. D. 0,07 m/s2. Bài 15: Trong bài thức hành đo gia tốc trọng trường của Trái đất tại phòng thí nghiệm. Một học sinh đo chiều dài con lắc đơn được kết quả l = (800 ± 1) mm, thì chu là dao động T = (1,78 ± 0,02) s. Lấy π = 3,14. Gia tốc trọng trường tại đó là A. g = (9,96 ± 0,24) m/s2. B. g − (10,2 ±0,24) m/s2, C. g = (9,98 ± 0,24) m/s2. D. g = (9,96 ± 0,21 ) m/s2. Bài 16: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 0,1 rad ở một nơi có gia tốc trọng trường 9,8 m/s2. Khi vật đi qua li độ dài 4 3 cm nó có tốc độ 14 cm/s. Chiều dài của con lắc đơn là: A. 0,8 m. B. 0,2 m. C. 0,4 m. D. 1 m. Bài 17: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 0,1 rad ở một nơi có gia tốc trọng trường g = 10 m/s2. Vào thời điểm ban đầu vật đi qua vị trí có li độ dài 8 cm và có vận tốc 20 3 cm/s. Chiều dài của con lắc đơn là: A. 0,8 m. B. 0,2 m. C. 1,6 m. D. 1 m. Bài 18: Một con lắc đơn sợi dây dài 61,25 cm, treo tại nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2. Đưa vật đến li độ dài một đoạn 3 cm rồi truyền cho nó một vận tốc bằng 16 cm/s theo phương vuông góc sợi dây. Coi con lắc dao động điều hòa. Tốc độ của vật khi qua vị trí cân bằng là 235
8. A. 20 cm/s. B. 30 cm/s. C. 40 cm/s. D. 50 cm/s. Bài 19: Vật treo của con lắc đơn dao động điều hòa theo cung tròn MN quanh vị trí cân bằng O. Biết vật có tốc độ cực đại 6,93 m/s, tìm tốc độ của vật khi đi qua vị trí P là trung điểm của cung tròn MO. A. vP = 6 m/s. B. vP = 0 m/s. C. vP = 3,46 m/s. D. vP = 8 m/s. Bài 20: Vật treo của con lắc đơn dao động điều hòa theo cung tròn MN quanh vị trí cân bằng O. Biết vật có tốc độ cực đại 6,93 m/s, tìm tốc độ của vật khi đi qua vị trí P có li độ bằng một phần ba biên độ. A. vP = 6,00 m/s. B. vP = 6,53 m/s. C. vP = 3,46 m/s. D. vP = 8 m/s. Bài 21: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 100 (g), tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s2. Kẻo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc 0,1 rad rồi thả nhẹ. Khi vật ở li độ bằng 1/4 biên độ thì lực kéo về có độ lớn là A I1N. B. 0,1 N C. 0,025N. D. 0,05N. Bài 22: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 100 (g), tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s2. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc 0,1 rad rồi thả nhẹ. Khi vật ở li độ bằng nửa biên độ thì lực kéo về có độ lớn là A. 1N. B. 0,1 N. C. 0,5 N. D. 0,05 N. Bài 23: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 200 (g) dây dài 0,5 m, tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s2. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc rồi thả nhẹ thì nó dao động điều hòa. Khi vật ở li độ bằng 3 cm thì lực kéo về có độ lớn là A. 2,12 N. B. 2N. C. 0,12 N. D. 2,06 N. Bài 24: Con lắc đơn có chiều dài của dây treo là 0,2 m. Kéo con lắc về phía phải một góc 0,15 rad so với phương thẳng đứng rồi buông nhẹ, lấy g = 9,8 m/s 2. Chọn gốc thời gian là lúc vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương. Phương trình dao động của vật là: A. s = 3sin(7t + π/2) cm. B. s = 3sin(7t − π/2) cm. C. s = 3cos(7t + π/2) cm. D. s = 3cos(7t – π/2) cm. Bài 25: Một con lắc đơn có chiều dài 1 m, dao động điều hòa ở nơi có g = π 2 m/s2. Lúc t = 0 con lắc đi qua vị trí cân bằng theo chiều dương với vận tốc 0,5 m/s. Lúc t = 2,25 s vận tốc của vật là A. 40 cm/s. B. 30 cm/s. C. 25/2 cm/s D. 25 cm/s. Bài 26: Con lắc đơn có chiều dài của dây treo là 2 m. Kéo con lắc về phía phải một góc 0,15 rad so với phương thẳng đứng rồi buông nhẹ, lấy g = 9,8 m/s 2. Chọn gốc tọa độ tại vị trí cân bằng, chiều dương hướng từ vị trí cân bằng sang phía phải, gốc thời gian là lúc vật đi qua vị trí cân bằng lần thứ hai. Phương trình dao động của con lắc : A. x = 30sin(2πt) cm. B. x = 30cos(2,2t + π) cm. C. x = 30sin(2,2t) cm. D. x = 30cos(2πt + π) cm. Bài 27: Một con lắc đơn dao động điều hòa cứ sau 1/8 s thì động năng lại bằng thế năng. Quãng đường vật đi được trong 0,5 s là 16 cm. Chọn gốc thời gian là lúc vật qua vị trí cân bằng theo chiều âm. Phương trình dao động của vật là: A. s = 8cos(2πt + π/2) cm. B. s = 8cos(2πt − π/2) cm. C. s = 4cos(4πt + π /2) cm. D. s = 4cos(4πt − π/2) cm. Bài 28: Một con lắc đơn sợi có dây treo không dãn có trọng lượng không đáng kể, chiều dài 10 cm được treo thẳng đứng ở điểm A. Truyền cho quả cầu động năng theo phương ngang để nó đến vị trí có li độ góc 0,075 (rad) thì có tốc độ 0,075 3 (m/s). Biết con lắc đơn dao động điều hòa theo phương hình ứng với li độ dài s = Asin(ωt + φ). Cho gia tốc trọng trường 10 (m/s 2). Chọn gốc thời gian là lúc quả cầu có li độ góc 0,075 (rad) theo chiều dương. Tính φ. A. π/6. B. 5π/6. C. −π/6. D. −5π/6. 236
9. Bài 29: Một con lắc đơn gồm một dây kim loại nhẹ dài 1 m, dao động điều hòa với biên độ góc 0,1 rad trong một từ trường đều mà cảm ứng từ có hướng vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc và có độ lớn 1 T. Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Tính suất điện động hiệu dụng xuất hiện trên thanh treo con lắc A 0,16 V B. 0,11V. C. 0,32 V. D. 0,22 V. Bài 30: Một con lắc đơn gồm một dây kim loại nhẹ có chiều dài x, dao động điều hòa với biên độ góc 0,17 rad trong một từ trường đều mà cảm ứng từ có hướng vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc và có độ lốn 1 T. Lấy gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Biết suất điện động cực đại xuất hiện trên thanh treo con lắc là 3,2 V. Tính x. A. 5,782 m. B. 1,512 m. C. 5,214 m. D. 1,000 m. 1.D 2.C 3.D 4.B 5.C 6.A 7.C 8.C 9.A 10.A 11.A 12.B 13.C 14.A 15.A 16.A 17.C 18.A 19.A 20.B 21.C 22.D 23.C 24.D 25.C 26.C 27.C 28.A 29.B 30.C Dạng 2. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG DAO ĐỘNG Phương pháp giải + Khi không có ma sát cơ năng bảo toàn, bằng tổng thế năng và động năng, bằng thế năng cực đại, bằng động năng cực đại:  max  mv2 R W mg 1 cos mg 1 cos 2 max A h B 2 Wt mgh mg 1 cos S mvmax s  2 O P1 2 mv  Wd A  max P 2 n h  1 cos  P hmax  1 cos max 2 2 2 + Khi con lắc đơn dao động bé thì 1 cos 2 sin 2 nên cơ năng dao 2 2 2 động: mg W 2 t 2 2 2 2 2 2 2 mg 2 mv mvmax 2 m A mgA mv W max Wd 2 2 2 2 2 2 A max  Ví dụ 1: Một con lắc đơn có chiều dài 1 m khối lượng 100 g dao động trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua điểm treo tại nơi có g = 10 m/s 2. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng.Bỏ qua mọi ma sát. Khi sợi dây treo họp với phương thẳng đứng một góc 30° thì tốc độ của vật nặng là 0,3 m/s. Cơ năng của con lắc đơn là A. 1 0,5 3. B. 0,13J C. 0,14J D. 0.5J. Hướng dẫn mv2 0,1.0,32 W mg 1 cos 0,1.10.1 1 cos300 0,14 J Chọn C 2 2 237
10. Ví dụ 2: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 400 (g) và sợi dây treo không dãn có trọng lượng không đáng kể, chiều dài 0,1 (m) được treo thẳng đứng ở điểm A. Biết con lắc đơn dao động điều hoà, tại vị trí có li độ góc 0,075 (rad) thì có vận tốc 0,075 3 (m/s). Cho gia tốc trọng trường 10 (m/s2). Tính cơ năng dao động. A. 4,7 mJ. B. 4,4 mJ. C. 4,5 mJ. D. 4,8mJ Hướng dẫn 2 mg mv2 0,4.10.0,1 0,075 3 W 2 .0,0752 0,4. 4,5.10 3 J 2 2 2 2 Chọn C. Ví dụ 3: Một con lắc đơn gồm vật nặng có khối lượng 1 kg, độ dài dây treo 2 m, góc lệch cực đại của dây so với đường thẳng đứng 0,175 rad. Chọn mốc thế năng trọng trường ngang với vị trí thấp nhất, g = 9,8 m/s2. Cơ năng và tốc độ của vật nặng khi nó ở vị trí thấp nhất là lần lượt là A. 2 J và 2 m/s. B. 0,30 J và 0,77 m/s. C. 0,30 J và 7,7 m/s. D. 3 J và 7,7 m/s. Hướng dẫn mg 1.9,8.2 W 2 .0,1752 0,30 J 2 max 2 g v A . 0,77 m / s max  max Chọn B. Ví dụ 4: Một con lắc đơn có khối lượng 2 kg và có độ dài 4 m, dao động điều hòa ở nơi có gia tốc trọng trường 9,8 m/s2. Cơ năng dao động của con lắc là 0,2205 J. Biên độ góc của con lắc bằng A. 0,75 rad. B. 4,3°. C. 0,3 rad. D. 0,075°. Hướng dẫn mg 2W 2.0,2205 W 2 0,075 rad 4,30 Chọn B. 2 max max mg 2.9,8.4 Ví dụ 5: Một con lắc đơn gồm một viên bi nhỏ khối lượng 100 (g) được treo ở đầu một sợi dây dài 1,57 (m) tại địa điểm có gia tốc trọng trường 9,81 m/s 2. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc 0,1 (rad) rồi thả cho nó dao động điều hoà không có vận tốc ban đầu. Tính động năng viên bi chỉ góc lệch của nó là 0,05 (rad). A. Wđ = 0,00195 J. B. Wđ = 0,00585 J C. Wđ = 0,00591 J. D. Wđ = 0,00577 J. Hướng dẫn mg mg W W W 2 2 0,00577 J Chọn D. d 2 max 2 Ví dụ 6: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 0 . Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Ở vị trí con lắc có động năng gấp đôi thế năng thì li độ góc của nó bằng? A. 0 / 3 B. 0 / 2 C. 0 / 2 D. 0 / 3 Hướng dẫn 2 2 1 1 mg 1 mg 0 0 Wt Wd W ' Chọn A. 2 3 2 3 2 3 Ví dụ 7: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo bằng 40 cm, dao động với biên độ góc 0,1 rad tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10m/s 2. Vận tốc của vật nặng ở vị trí thế năng bằng ba lần động năng là A. ±0,3 m/s. B. ±0,2 m/s. C. ±0,1 m/s. D. ±0,4 m/s. 238
11. Hướng dẫn W mv2 1 mg 2 W 3W W max v max g 0,1 m / s t d d 4 2 4 2 2 Chọn C. Chú ý: Nhớ lại khoảng thời gian trong dao động điều hòa x1 x1 A O A 1 x 1 x arcsin 1 arccos 1  A  A A A A 3 0 2 2 2 A T T T T 12 24 24 12 Ví dụ 8: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo 1 m dao động điều hòa với biên độ góc π/20 rad tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10 m/s 2. Lấy π2 = 10. Thời gian ngắn nhất để con lắc đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có li độ góc 2 / 40 rad là? A. 1/3s. B. 1/4s. C. 3s. D. 3 2s Hướng dẫn 2 Thời gian ngắn nhất để con lắc đi từ α = 0 đến vị trí có max là: 2 1 1  1 1 1 T T 2 2 s Chọn B, 8 8 g 8 10 4 Ví dụ 9: Một con lắc đơn dao động điều hòa tại nơi có gia tốc trọng trường 9,86 m/s 2. Tốc độ của vật khi qua vị trí cân bằng là 6,28 cm/s và thời gian đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có li độ góc bằng nửa biên độ góc là là 1/6 s. Chiều dài của dây treo con lắc và biên độ dài lần lượt là A. 0,8 m và 0,1 m. B. 0,2 m và 0,1 m. C. 1 m và 2cm. D. 1 m và 2,5m. Hướng dẫn T 1  Thời gian ngắn nhất đi từ α = 0 đến α = 0,5αmax là: T 2 s 2  1 m 12 6 g 2 2 v A A 6,28 A A 2 cm Chọn C. max T 2 Chú ý: - Chuyển động đi từ hai biên về VTCB là chuyển động nhanh dần. - Chuyển động đi từ VTCB ra 2 biên là chuyển động chậm dần. Ví dụ 10: (ĐH-2010) Tại nơi có gia tốc trọng trường g, một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc αmax nhỏ. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Khi con lắc chuyển động nhanh dần theo chiều dương đến vị trí có động năng bằng thế năng thì li độ góc α của con lắc bằng A. max / 3. B. max / 2 C . max / 2 D. max / 3. Hướng dẫn 239
12. Đi theo chiều dương về vị trí cân bằng 0 1 max max Wt Wd W Chọn C. 2 2 2 Chú ý: Nếu con lắc đơn đang dao động điều hòa đúng lúc đi qua vị trí cân bằng nếu làm thay đổi chiều dài thì cơ năng không đổi: m2A '2 mgA2 mg  2 ' W max max max 2 2 2 ' W ' W 2 2 2 m' A ' mgA ' mg' '2 ' W ' max A ' A 2 2' 2  Ví dụ 11: Một con lắc đơn lí tưởng đang dao động điều hòa, khi đi qua vị trí cân bằng thì điểm I của sợi dây được giữ lại và sau đó nó tiếp tục dao động điều hòa với chiều dài sợi dây chỉ bằng một phần tư lúc đầu thì A. biên độ góc dao động sau đó gấp đôi biên độ góc ban đầu. B. biên độ góc dao động sau đó gấp bốn biên độ góc ban đầu. C. biên độ dài dao động sau đó gấp đôi biên độ dài ban đầu. D. cơ năng dao động sau đó chi bằng một nửa cơ năng ban đầu. Hướng dẫn m2A '2 mgA2 ' A A ' A 2 2  2 W ' W Chọn A. mg' mg  '2 2 ' 2 2 max 2 max max max ' max BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Một con lắc đơn có chiều dài 1 m khối lượng 100 g dao động với biên độ góc 30° tại nơi có g = 10 m/s2. Bỏ qua mọi ma sát. Cơ năng của con lắc đơn là A 1− 0,5 3 J B. 5/36 J C. 125/9 J. D. 0,5 J. Bài 2: Một con lắc đơn có chiều dài 1 m khối lượng 100 g dao động với biên độ góc 60° tại nơi có g = 10 m/s2. Bỏ qua mọi ma sát. Cơ năng của con lắc đơn là A 1− 0,5 3 J B. 5/36J. C. 125/9 J. D. 0,5 J. Bài 3: Một con lắc đơn, sợi dây có chiều dài 10 cm, và quả cầu nhỏ có khối lượng 100 g, tại nơi có gia tốc trọng trường 10 (m/s 2). Nâng con lắc đến góc lệch 0,01 rad, rồi thả nhẹ cho nó dao động điều hoà. Cơ năng dao động là A. 3 μJ. B. 4 μJ. C. 5 μJ. D. 6 μJ. Bài 4: Một con lắc đơn mà quả cầu nhỏ có khối lượng 0,5 (kg) dao động nhỏ với chu kỳ 0,4n (s) tại nơi có gia tốc trọng trường hiệu dụng 10 (m/s2). Biết li độ góc cực đại là 0,15 rad. Tính cơ năng dao động A. 30 mJ. B. 4 mJ. C. 22,5 mJ. D. 25 mJ. Bài 5: Một con lắc đơn có khối lượng 5 kg và độ dài 1 m, dao động điều hòa tại nơi có gia tốc trọng trưởng 10 m/s2, với li độ góc cực đại 0,175 rad. Tính cơ năng của con lắc. A. 3,00 J. B. 2,14 J. C . 1,16 J. D. 0,765 J. Bài 6: Một con lắc đơn mà vật dao động có khối lượng 0,2 kg và độ dài dây treo 0,5 m, dao động điều hòa tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s 2. Vật dao động vạch ra một cung tròn có thể coi như một đoạn thẳng dài 4 cm. Tính cơ năng của con lắc. 240
13. A. 80 μJ. B. 8mJ. C. 0.04J. D. 0,8 mJ. Bài 7: Một con lắc đơn, sợi dây có chiều dài 10 cm, treo tại nơi có g = 10 (m/s2). Nâng con lắc đến góc lệch 0,01 rad, rồi thả nhẹ cho nó dao động điều hòa thì cơ năng dao động là 5 μJ. Khối lượng quả cầu nhỏ là A. 3 kg. B. 1 kg. C. 100 g. D. 200 g. Bài 8: Một con lắc đơn có khối lượng 2,5 kg và có độ dài 1,6 m, dao động điều hòa ở nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8m/s2. Cơ năng dao động của con lắc là 196 mJ. Li độ góc cực đại của dao động có giá trị bằng A. 0,01 rad. B. 5,7° C. 0,57 rad. D. 7,5°. Bài 9: Hai con lắc đơn, dao động điều hòa tại cùng một nơi trên Trái Đất, có năng lượng như nhau. Quả nặng của chúng có cùng khối lượng. Chiều dài dây treo con lắc thứ nhất dài gấp đôi chiều dài dây treo con lắc thứ hai. Tỉ số biên độ góc của con lắc thứ nhất và biên độ góc của con lắc thứ hai là A. 2. B. 0,5. C. 1/ 2 D. 2 Bài 10: Một con lắc đơn gồm quả cầu có khối lượng 500 (g) được treo ở nơi có gia tốc họng trường 10 (m/s2). Biết con lắc đơn dao động điều hoà, tại vị trí có li độ góc 0,15 (rad) thì có tốc độ 8,7 (cm/s). Nếu cơ năng dao động là 16 mJ thì chiều dài con lắc là A. 75 cm. B. 100 cm. C. 25 cm. D. 50 cm. Bài 11: Một con lắc đơn mà vật dao động có khối lượng 0,2 kg và độ dài dây treo 0,8 m, dao động điều hòa tại nơi có gia tốc trọng trường 10 m/s2 với cơ năng 0,32 mJ. Biên độ dài là A. 3 cm. B. 2 cm. C. 1,8 cm. D. 1,6 cm. Bài 12: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc là 9° và năng lượng dao động là 0,02 J. Động năng của con lắc khi li độ góc bằng 4,5° là A. 0,198 J. B. 0,027 J. C. 0,0151 D. 0,225 J. Bài 13: Một con lắc đơn gồm sợi dây có khối lượng không đáng kể, không dãn, có chiều dài l và viên bi nhỏ có khối lượng m. Kích thích cho con lắc dao động điều hòa ở nơi có gia tốc trọng trường g. Nếu chọn mốc thế năng tại vị trí cân bằng của viên bi thì thế năng của con lắc này ở li độ góc α có biểu thức là A. mgl(l − sin α). B. mgl(l − cos α). C. mgl(3 − 2cos α). D. mgl(l + cos α). Bài 14: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 2 . Động năng của quả cầu bằng một nửa cơ năng tại vị trí có li độ góc là: A / 3 . B. ± α /2. C. ± / 2 . D. ± α. Bài 15: Một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc 6°. Với góc lệch bằng bao nhiêu thì động năng của con lắc gấp 2 lần thế năng? A. ± 3,45°. B. ± 3,48°. C. ± 3,46°. D. ± 3,25°. Bài 16: Một con lắc đơn dao động nhỏ với biên độ 4 cm. Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp vận tốc của vật đạt giá trị cực đại là 0,05s. Khoảng thời gian ngắn nhất để nó đi từ vị trí có li độ S 1 = 2cm đến li độ S2 = 4 cm là: A. 1/60 s. B. 1/120 s. C. 1/80 s. D. 0,01 s. Bài 17: Một con lắc đơn có chiều dài dây treo 1 m dao động điều hòa với biên độ góc π/20 rad tại nơi có gia tốc trọng trường g = 10 m/s2. Lấy π2 = 10. Thời gian ngắn nhất để con lắc đi từ vị trí cân bằng đến vị trí có li độ góc π/40 rad là A. 1/3 s. B. 1/6 s. C. 3 s. D. 3 2 s Bài 18: Con lắc đơn sợi dây dài l dao động điều hòa tại nơi có gia tốc trọng trường g, biết g = 2 . Khoảng thời gian 2 lần liên tiếp động năng bằng không là A. 0,25 s B. 2 s. C. 1 s. D. 0,5 s. 241
14. Bài 19: Tại nơi có gia tốc trọng trường g, một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc α max nhỏ. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Khi con lắc chuyển động nhanh dần theo chiều dương đến vị trí có động năng bằng ba lần thế năng thì li độ góc α của con lắc bằng A. αmax /2. B. αmax/ 2 . C. − αmax / 2 . D. αmax /2. Bài 20: Tại nơi có gia tốc trọng trường g, một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc α max nhỏ. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Khi con lắc chuyển động chậm dần theo chiều dương đến vị trí có động năng bằng 1/3 lần thế năng thì li độ góc α của con lắc bằng A. − αmax /2. B. 0,5 αmax 3 . C. − 0,5 αmax 3 . D. αmax /2. Bài 21: Một vật nhỏ khối lượng m dao động điều hòa với biên độ A. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Khi vật chuyển động nhanh dần theo chiều dương đến vị trí có thế năng bằng ba lần động năng thì li độ x của nó bằng A. A / 3 . B. 0,5A 3 . C. −0,5A 3 . D. A/ 3 . Bài 22: Tại nơi có gia tốc họng trường g, một con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc α max nhỏ. Lấy mốc thế năng ở vị trí cân bằng. Khi con lắc chuyển động chậm dần theo chiều dương đến vị trí có động năng bằng thế năng thì li độ góc α của con lắc bằng A. αmax / 3 B. αmax / 2 . C. −αmax / 2 . D. αmax / 3 Bài 23: Một con lắc lò xo gồm lò xo có độ cứng 100 N/m và vật dao động nặng 0,1 kg. Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng 5 cm rồi buông nhẹ cho vật dao động điều hòa. Chọn mốc thời gian là lúc vật qua vị trí cân bằng theo chiều dương. Tìm thời điểm lần thứ hai vật qua vị trí có động năng bằng thế năng. A. 0,025 s. B. 0,05 s. C. 0,075 s. D. 1 s. Bài 24: Vật dao động điều hoà, lúc t = 0 vật cách vị trí cân bằng 2 cm về phía âm của trục tọa độ, đang có động năng bằng thế năng và đang tiến về vị trí cân bằng. Phương trình dao động của vật là A. x = 2cos(5πt − π/4) cm. B. x = 2cos(5πt – 3π/4) cm. C. x = cos(10πt + 3π/4) cm. D. x = 2cos(5πt + π/4) cm. Bài 25: Một vật nhỏ dao động điều hòa trên trục Ox quanh vị trí cân bằng O. Khi t = 0, vật có vận tốc 30 cm/s hướng theo chiều dương quỹ đạo và đến lúc vận tốc bằng 0 lần thứ nhất nó đi được quãng đường 5 cm. Biết rằng quãng đường vật đi được trong 3 chu kì dao động liên tiếp là 60 cm. Phương hình dao động của vật là A. x = 5cos(6t − π/2) cm. B. x = 5cos(6t + π/2) cm. C. x = 10cos(6t − π/2) cm. D. x = 10cos(6t − π/2) cm. Bài 26: Một con lắc đơn đang dao động điều hòa với biên độ dài A. Khi nó đi qua vị trí cân bằng thì điểm I của sợi dây được giữ lại và sau đó nó tiếp tục dao động điều hòa với chiều dài sợi dây chỉ bằng 1/3 lúc đầu. Biên độ dao động sau đó là A. 0,5A. B. A 2 . C. A/ 3 . D. 0,25A. Bài 27: Một con lắc đơn đang dao động điều hòa với biên độ dài A. Khi nó đi qua vị trí cân bằng thì điểm chính giữa của sợi dây được giữ lại và sau đó nó tiếp tục dao động điều hòa. Tính biên độ đó. A. 0,5A. B. A 2 C. A / 2 D. A 3 Bài 28: Một con lắc đơn đang dao động điều hòa với biên độ góc α max. Khi nó đi qua vị trí cân bằng thì điểm chính giữa của sợi dây được giữ lại và Sau đó nó tiếp tục dao động điều hòa. Tính biên độ góc đó. A. 0,5 αmax. B. αmax 2 . C. αmax / 2 D. αmax 3 242