Hệ vật "Quả cầu - Lò xo - Trái Đất" là hệ cô lập, do không chịu tác dụng các ngoại lực (lực ma sát, lực cản), chỉ có các nội lực tương tác (trọng lực, phản lực, lực đàn hồi), nên cơ năng của hệ vật bảo toàn.

Chọn vị trí cân bằng của hệ vật làm gốc tính thế năng đàn hồi, chiều lò xo bị kéo dãn là chiều dương.

- Tại vị trí ban đầu : quả cầu có vận tốc v 0  = 0 và lò xo bị kéo dãn một đoạn ∆ l 0  > 0 cm, nên cơ năng của hệ vật:

W 0  = k( ∆ l 0 )2/2

- Tại vị trí cân bằng: quả cầu có vận tốc v ≠ 0 và lò xo không bị biến dạng ( ∆  = 0), nên cơ năng của hệ vật :

W = m v 2 /2

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho chuyển động của hệ vật:

W =  W 0  ⇒ m v 2 /2 = k( ∆ l 0 )2/2

Suy ra vận tốc của quả cầu khi nó về tới vị trí cân bằng:

v =  ∆ l 0 k / m = 3. 10 - 2 100 / 40 . 10 - 3 = 1,5(m/s)

Hệ vật ta xét gồm "Quả cầu - Lò xo - Trái Đất" là hệ cô lập.

Cơ năng W của hệ vật này có giá trị bằng tổng của động năng ( W đ ), thế năng trọng trường ( W t ) và thế năng đàn hồi ( W đ h ) :

W =  W đ  +  W t  +  W đ h

Chọn gốc toạ độ là vị trí cân bằng của hệ vật (quả cầu đứng yên) và chiều dương là chiều lò xo bị kéo dãn. Do đó ta có :

- Tại vị trí ban đầu : hệ vật có  W đ  = 0 ( v 0  = 0) lò xo bị dãn một đoạn Δ so với vị trí cân bằng, nên  W t   ≠ 0,  W đ h   ≠  0 và cơ năng của hệ vật bằng :

W 0  = 0 + mg ∆ l + k ∆ l + ∆ l 0 2 /2

- Khi về tới vị trí cân bằng : quả cầu có  W đ   ≠  0 (v ≠ 0) và  W t = 0 (trùng với gốc tính thế năng đàn hồi), đồng thời lò xo bị dãn một đoạn Δ0, nên cơ năng của hệ vật bằng :

W = m v 2 /2 + 0 + k ∆ l 0 2 /2

Chú ý : Hệ vật này được treo thẳng đứng nên tại vị trí cân bằng của nó, lò xo đã bị dãn một đoạn ∆ 0  thoả mãn điều kiện :

mg + k  ∆ 0  = 0 ⇒ mg = -k  ∆ 0

với P = mg là trọng lực và F đ h  = k ∆ là lực đàn hồi tác dụng lên hệ vật

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho hệ vật, ta có :

W =  W 0  ⇒ mg ∆ l + k ∆ l + ∆ l 0 2 /2 = m v 2 /2 + k ∆ l 0 2 /2

⇒ mg ∆ l + k ∆ l 2 /2 + k ∆ l ∆ l 0 /2 + k ∆ l 0 2 /2 = m v 2 /2 + k ∆ l 0 2 /2

Vì mg = -k ∆ 0 , nên sau khi rút gọn hai vế của phương trình, ta được

k ∆ l 2 /2 = m v 2 /2

Từ đó suy ra vận tốc của quả cầu khi nó về tới vị trí cân bằng:

a/  \(W=\dfrac{1}{2}kx^2+\dfrac{1}{2}mv^2=\dfrac{1}{2}k\Delta l^2\)

\(\Leftrightarrow kx^2+mv^2=k\Delta l^2\Leftrightarrow v=\sqrt{\dfrac{k\Delta l^2-kx^2}{m}}=\sqrt{\dfrac{40.0,02^2-40x^2}{0,4}}\left(m/s\right)\)

b/ \(v_{max}\Leftrightarrow\dfrac{40.0,02^2-40x^2}{0,4}\left(max\right)\Leftrightarrow x=0\) => khi nó ở VTCB

\(\Rightarrow v_{max}=\dfrac{40.0,02^2}{0,4}\left(m/s\right)\)

Hệ vật "Lò xo — Vật trượt -Trái Đất" là hệ cô lập (do không chịu ngoại lực tác dụng) nên cơ năng của hệ vật bảo toàn.

Chọn mặt phẳng ngang làm mốc thế năng trọng trường ( W t = 0) và chọn vị trí cân bằng của vật tại điểm O làm mốc thế năng đàn hồi ( W đ h  = 0). Vì hệ vật chuyển động trên cùng mặt phẳng ngang, nên cơ năng của hệ vật tại vị trí bất kì có giá trị bằng tổng của thế năng đàn hồi và động năng :

W = W đ h  +  W đ  = k ∆ l 2 /2 + m v 2 /2

Khi hệ vật nằm cân bằng tại vị trí O: lò xo không biến dạng ( ∆ l = 0 ) nên thế năng đàn hồi  W đ h (O) = 0 và cơ năng của hệ vật có giá trị đúng bằng động năng của vật trượt :

W(O) =  W đ (O) = m v 0 2 /2 = 3,6 J

Từ đó suy ra vận tốc của vật tại vị trí O :

Đáp án A

Vận tốc của hệ hai vật sau khi va chạm

= 0,4 m/s

Quá trình va chạm không làm thay đổi vị trí cân bằng của hệ

→ v = v m a x

→ Biên độ dao động mới

= 5cm

Chọn A