Một con lắc lò xo gồm lò xo nhẹ có độ cứng k = 50 N/m, vật nhỏ có khối lượng

* Hướng dẫn giải

Phương pháp: 

Độ biến dạng của lò xo khi ở vị trí cân bằng: \(\Delta l = \frac{{mg}}{k}\)

Tần số góc của con lắc lò xo: $\omega \mathrm{ }=\sqrt{\frac{k}{m}}$

Tốc độ của vật ở vịt rí cân bằng: \({v_{\max }} = \omega A\)

Công thức độc lập với thời gian: \({v^2} = \omega \sqrt {{A^2} - {x^2}} \)

Thời gian chuyển động ném thẳng đứng lên: \(t = \frac{v}{g}\)

Độ cao vật đạt được trong chuyển động ném thẳng đứng hướng lên:  \({h_{\max }} = \frac{{{v^2}}}{{2g}}\)

Sử dụng vòng tròn lượng giác và công thức: \(\Delta t = \frac{{\Delta \varphi }}{\omega }\)

Tốc độ trung bình: \({v_\phi } = \frac{S}{t}\)

Cách giải: 

Tần số góc của con lắc là: $\omega \mathrm{ }=\sqrt{\frac{k}{m}}\mathrm{ }=\sqrt{\frac{50}{0,25}}\mathrm{ }=10\sqrt{2}(\mathrm{rad}/\mathrm{s})$

Độ biến dạng của lò xo khi ở vị trí cân bằng là:

\(\Delta l = \frac{{mg}}{k} = \frac{{0,25.10}}{{50}} = 0,05(\;{\rm{m}}) = 5(\;{\rm{cm}})\)

Nhận xét: con lắc dao động khi lực đàn hồi có độ lớn bằng 0, dây bị chùng, hệ chuyển động với gia tốc trọng  trường g 

→ Từ thời điểm vật đạt li độ -5 cm đến khi nó đạt độ cao cực đại lần thứ nhất, vật chuyển động giống như  chuyển động ném thẳng đứng lên với vận tốc v 

Ta có vòng tròn lượng giác:

Vật dao động điều hòa trong khoảng thời gian từ thời điểm đầu đến thời điểm đầu tiên lò xo không biến  dạng (x = -5 cm), vecto quay được góc là: 

$\mathrm{\Delta }\phi \mathrm{ }=\frac{3\pi }{2}-\frac{\pi }{3}=\frac{7\pi }{6}\left(\mathrm{rad}\right)\Rightarrow t_1=\frac{\mathrm{\Delta }\phi }{\omega }=\frac{\frac{7\pi }{6}}{10\sqrt{2}}=\frac{7\pi }{60\sqrt{2}}\left(s\right)$

Quãng đường vật dao động điều hòa là: 

\({s_1} = 2A + (A - \Delta l) = 3A - \Delta l = 3.10 - 5 = 25(\;{\rm{cm}})\)

Ở li độ x = -5 cm, áp dụng công thức độc lập với thời gian, ta có vận tốc của vật là:

$v=\omega \sqrt{A^2-x^2}\mathrm{ }=10\sqrt{2}\mathrm{ }\cdot \sqrt{{10}^2-5^2}\mathrm{ }\Rightarrow v=50\sqrt{6}(\mathrm{cm}/\mathrm{s})=0,5\sqrt{6}(\mathrm{m}/\mathrm{s})$

Vật chuyển động ném lên, quãng đường vật chuyển động được đến khi dừng lại là:

\({s_2} = {h_{\max }} = \frac{{{v^2}}}{{2g}} = \frac{{{{(0,5\sqrt 6 )}^2}}}{{2.10}} = 0,075(\;{\rm{m}}) = 7,5(\;{\rm{cm}})\)

 Thời gian vật chuyển động ném lên là: \({t_2} = \frac{v}{g} = \frac{{0,5\sqrt 6 }}{{10}} = \frac{{\sqrt 6 }}{{20}}(s)\)

Tốc độ trung bình của vật là: 

\({v_{tb}} = \frac{{{s_1} + {s_2}}}{{{t_1} + {t_2}}} = \frac{{25 + 7,5}}{{\frac{{7\pi }}{{60\sqrt 2 }} + \frac{{\sqrt 6 }}{{20}}}} \approx 85,16(\;{\rm{cm}}/{\rm{s}})\)

Chọn D.