Một lò xo nhẹ, có độ cứng k = 100 N / m được treo vào một điểm cố định, đầu dưới treo vật nhỏ khối lượng m = 400 g . Giữ vật ở vị trí lò xo không biến dạng rồi buông nhẹ để vật dao động điều hòa tự do dọc theo trục lò xo. Chọn trục tọa độ thẳng đứng chiều dương hướng xuống, chọn gốc thời gian là lúc buông vật. Tại thời điểm , một lực thẳng đứng, có cường độ biến thiên theo thời gian như đồ thị hình vẽ bên, tác dụng vào vật. Biết điểm treo chỉ chịu được lực kéo tối đa có độ lớn 20N. Tại thời điểm lò xo bắt đầu rời khỏi điểm treo, tốc độ của vật là:
A. 20 π 3 cm / s
B. 9 ( c m / s )
C. 20 π c m / s
D. 40 π c m / s
Đáp án A
Ta có: T = 2 m k = 0 , 4 s . Độ biến dạng của lò xo khi vật ở vị trí cân bằng là: ∆ l 0 = m g k = 0 , 04 m = 4 c m
Chọn gốc thời gian là lúc buông vật (t = 0 là lúc vật ở vị trí biên trên x = 4cm), thời điểm t = 0,2s thì vật ở vị trí biên dưới x = 4cm thì tác dụng lực F.
Do tác dụng của lực F = 4N thì vị trí cân bằng dịch chuyển một đoạn ∆ L = F k = 0 , 04 m = 4 c m . Tiếp tục tăng lực F lên một lượng thì vị trí cân bằng của vật dịch chuyển thêm một đoạn ∆ L = 4 k = 0 , 04 m = 4 c m . Vì điểm treo lúc này chỉ chịu được lực kéo tối đa là 20N nên lực kéo chỉ tăng đến F = 12N, lúc này vị trí cân bằng dịch chuyển một đoạn 12cm. Biên độ dao động của con lắc là 8cm (vị trí biên trên là vị trí con lắc bắt đầu chịu tác dụng của lực F, lúc này vật có vận tốc bằng 0); thời điểm lò xo bắt đầu rời khỏi điểm treo lực tác dụng vào điểm treo 20N, vật có tọa độ x = 4cm. Ta có:
STUDY TIP
Đồ thị dạng này là một dạng mới, không quen thuộc cần nhìn ra quy luật là có thể chỉ ra được một vài điểm đặc biệt để tính toán.