Cách viết phương trình dao động của Con lắc lò xo hay, chi tiết



A. Phương pháp & Ví dụ

1. Phương pháp

Phương trình dao động của con lắc lò xo có dạng x = Acos(ωt + Φ), tìm A, ω, Φ là ta viết được phương trình dao động của con lắc.

Sử dụng:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

( lấy nghiệm “ – “ khi v > 0 ; lấy nghiệm “+” khi v < 0), với xo, vo là li độ và vận tốc tại thời điểm t = 0.

2. Ví dụ

Ví dụ 1: Một con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm 1 lò xo nhẹ có độ cứng k = 40 N/m, vật năng m = 100g. Từ VTCB kéo vật xuống 1 đoạn để lò xo giãn 7,5 cm rồi buông cho vật DĐĐH. Lấy g = 10 m/s2. Chọn trục tọa độ Ox trùng với trục lò xo, gốc tọa độ O tại VTCB, chiều dương hướng xuống, gốc thời gian là lúc vật qua VTCB lần đầu tiên. Viết phương trình dao động của vật?

Hướng dẫn:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Ví dụ 2: Con lắc lò xo dao dộng điều hòa theo phương thắng đứng với tần số 4,5 Hz.Trong quá trình dao động,chiều dài lò xo biến đổi từ 4040 cm đến 56 cm. Chọn trục 0x thắng đứng hướng lên, gốc 0 tại vị trí cân bằng, lúc t = 0 lò xo dài 52 cm và vật đi ra xa vị trí cân bằng. Phương trình dao động của vật là?

Hướng dẫn:

Ta có ω = 2πf = 9π rad/s.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Chọn trục Ox thẳng đứng có chiều dương hướng lên, gốc tại vtcb.

Lúc t = 0, lò xo dài 52 cm và vật đi ra xa vtcb tức là vật đang ở vị trí x = -A/2 = -4 cm và chuyển động theo chiều âm → Φ = 2π/3.

→ Phương trình x = 8cos(9πt + 2π /3) cm.

B. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1. Một con lắc lò xo gồm một lò xo nhẹ có độ cứng k và một vật nhỏ có khối lượng m = 100 g, được treo thẳng đứng vào một giá cố định. Tại vị trí cân bằng O của vật, lò xo giãn 2,5 cm. Kéo vật dọc theo trục của lò xo xuống dưới cách O một đoạn 2 cm rồi truyền cho nó vận tốc 40√3 cm/s theo phương thẳng đứng hướng xuống dưới. Chọn trục toạ độ Ox theo phương thẳng đứng, gốc tại O, chiều dương hướng lên trên; gốc thời gian là lúc vật bắt đầu dao động. Lấy g = 10 m/s2. Phương trình dao động của vật nặng.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Ta có:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Biên độ dao động: Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Pha ban đầu của dao động:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vậy phương trình dao động của vật: x = 4cos(20t + 2π/3) cm. Chọn D

Câu 2. Một lò xo đầu trên cố định, đầu dưới treo vật m. Vật dao động theo phương thẳng đứng với tần số góc ω = 10π (rad/s). Trong quá trình dao động độ dài lò xo thay đổi từ 18 cm đến 22 cm. Chọn gố tọa độ tại VTCB. chiều dương hướng xuống, gốc thời gian lúc lò xo có độ dài nhỏ nhất. Phương trình dao động của vật là :

A. x = 2cos(10πt + π)cm

B. x = 2cos(0,4πt)cm

C. x = 4cos(10πt + π)cm

D. x = 4cos(10πt + π)cm

Câu 2. ω = 10π (rad/s) và A = (lmax-lmin)/2 = 2 cm ⇒ loại B

t = 0 : x0 = 2 cm, v0 = 0 : Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

chọn φ = π

⇒ x = 2cos(10πt + π) cm. Chọn : A

Câu 3. Một con lắc lò xo có khối lượng m = 50 g, dao động điều hòa trên trục Ox với chu kì T = 0,2 s và chiều dài quỹ đạo là L = 40 cm. Chọn gốc thời gian lúc con lắc qua vị trí cân bằng theo chiều âm. Phương trình dao động của con lắc.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Chu kỳ dao động của vật:

ω = 2π/T = 2π/0,2 = 10π rad/s

Biên độ dao động: A = L/2 = 20 cm

Pha ban đầu của dao động:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vậy phương trình dao động của vật: x = 20cos(10πt + π/2) cm. Chọn B

Câu 4. Một con lắc lò xo treo thẳng đứng gồm vật nặng m = 1 kg, lò xo nhẹ có độ cứng k = 100 N/m. Đặt giá B nằm ngang đỡ vật m để lò xo có chiều dài tự nhiên. Cho giá B chuyển động đi xuống với gia tốc a = 2 m/s2 không vận tốc đầu. Chọn trục tọa độ thẳng đứng, chiều dương trên xuống, gốc tọa độ ở VTCB của vật, gốc thời gian lúc vật rời giá B. Phương trình dao động của vật là:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Khi ở VTCB lò xo giản:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Δl = mg/k = (1.10)/100 = 0,1 m = 10 cm

Tần số dao động: Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vật m: P + N + F = m a      (1)

Chiếu (1) lên trục Ox đã chọn ta có: mg - N - kΔl = ma

Khi vật rời giá N = 0, gia tốc của vật a = 2 m/s2. Suy ra: Δl = m(g-a)/k      (1)

Trong khoảng thời gian đó vật đi được quãng đường Δl được tính Δl = (at2)/2     (2)

Từ (1) và (2) ta có:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Quãng đường vật đi được đến khi rời giá:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Tọa độ ban đầu của vật: x0 = 0,08 - 0,1 = - 0,02 m = - 2 cm

Vận tốc của vật khi rời giá có giá trị: v0 = at = 40√2 cm/s

Biên độ dao động là: Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Tại t = 0 thì 6cosφ = -2 ⇒ φ = 1,91 rad/s.

Vậy phương trình dao động của vật: x = 6cos(10t - 1,91) cm. Chọn C

Câu 5. Ba con lắc lò xo 1, 2, 3 đặt thẳng đứng cách đều nhau theo thứ tự 1, 2, 3. Ở vị trí cân bằng ba vật có cùng độ cao. Con lắc thứ nhất dao động có phương trình x1 = 3cos(20πt + π/2) cm, con lắc thứ hai dao động có phương trình x2 = 1,5cos(20πt) cm. Hỏi con lắc thứ ba dao động có phương trình nào thì ba vật luôn luôn nằm trên một đường thẳng?

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án
Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Để ba vật luôn nằm trên một đường thẳng thì x2 = (x1 + x3)/2 hay x3 = 2x2 – x1

Suy ra dao động của m3 là tổng hợp của 2 dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số.

Dùng phương pháp giản đồ Fre-nen: A3 = 2A2 + (- A1)

Từ giản đồ suy ra:Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Dễ thấy φ3 = -π/4 rad

Vậy phương trình dao động của vật: x3 = 3√2cos(20πt - π/4) cm. Chọn A

Câu 6. Một con lắc lò xo gồm vật nặng khối lượng 0,4 kg gắn vào đầu lò xo có độ cứng 40 N/m. Người ta kéo quả nặng ra khỏi VTCB một đoạn 4 cm rồi thả nhẹ cho nó dao động. Phương trình dao động của vật nặng là

A. x = 4cos(10t) cm

B. x = 4cos(10t - π/2 ) cm

C. x = 4cos(10πt - π/2 ) cm

D. x = 4cos(10πt + π/2 ) cm

Chọn A. Vật dao động theo phương trình tổng quát x = Acos(ωt + φ). Tần số góc ω = √(k/m) = 10 rad/s

Từ cách kích thích ban đầu để tạo nên dao động ta có Acosφ = 4 cm và Asinφ = 0, từ đó tính được A = 4 cm, φ = 0. Thay vào phương trình tổng quát ta được x = 4cos(10t) cm

Câu 7. Một con lắc lò xo gồm một quả nặng có khối lượng m = 400g và một lò xo có độ cứng k = 40 N/m. Người ta kéo quả nặng ra khỏi VTCB một đoạn bằng 8cm và thả cho nó dao động. Phương trình dao động của quả nặng là

A. x = 8cos0,1t (cm)

B. x = 8cos0,1πt (cm)

C. x = 8cos10πt (cm)

D. x = 8cos10t (cm)

Chọn D.

Câu 8. Một con lắc lò xo gồm quả nặng khối lượng 1kg và một lò xo có độ cứng 1600 N/m. Khi quả nặng ở VTCB, người ta truyền cho nó vận tốc ban đầu bằng 2 m/s theo chiều dương trục toạ độ. Phương trình li độ dao động của quả nặng là

A. x = 5cos (40t - π/2) m

B. x = 0,5cos (40t + π/2) m

C. x = 5cos (40t - π/2) cm

D. x = 0,5cos (40t) cm

Chọn C. Vật dao động theo phương trình tổng quát x = Acos(ωt + φ)

Tần số góc ω = √(k/m) = 40 rad/s

Từ cách kích thích ban đầu để tạo nên dao động ta có Acosφ = 0 cm và - Asinφ = 200 cm/s, từ đó tính được A = 5 cm, φ = - π/2

Thay vào phương trình tổng quát ta được x = 5cos(40t - π/2) cm

Câu 9. Vật có khối lượng m = 160 g được gắn vào lò xo có độ cứng k = 64 N/m đặt thẳng đứng, vật ở dưới. Từ vị trí cân bằng, ấn vật xuống theo phương thẳng đứng đoạn 2,5 cm và buông nhẹ. Chọn trục Ox hướng lên, gốc tại vị trí cân bằng, gốc thời gian lúc buông vật. Phương trình dao động của vật là :

A. x = 2,5cos(20t + π)(mm)

B. x = 2,5cos(20t + π/2) (cm)

C. x = 2,5cos(20t + π) (cm)

D. x = 5cos(20t + π) (cm)

Chọn C. Phương trình dao động: x = Acos(ωt + φ); với ω = √(k/m) = 20 rad/s. Từ VTCB x = A và buông nhẹ ⇒ A = 2,5 cm

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Câu 10. Một con lắc lò xo có độ cứng k = 100 N/m dao động điều hòa phương trình x = Acos(ωt + φ). Biểu thức thế năng là: Et = 0,1cos(4πt + π/2) + 1J. Phương trình li độ là:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Chọn C.

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Đồng nhất 2 vế 2 phương trình:

Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án Vật Lí lớp 12 | Lý thuyết và Bài tập Vật Lí 12 có đáp án

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí lớp 12 có trong đề thi THPT Quốc gia khác:

Ngân hàng trắc nghiệm miễn phí ôn thi THPT Quốc Gia tại khoahoc.vietjack.com

KHÓA HỌC GIÚP TEEN 2002 ĐẠT 9-10 THI THPT QUỐC GIA

Tổng hợp các video dạy học từ các giáo viên giỏi nhất - CHỈ TỪ 399K tại khoahoc.vietjack.com


con-lac-lo-xo.jsp


Các loạt bài lớp 12 khác
Khóa học 12