Vật lí 12- phần con lắc đơn

1 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN-CON LẮC VẬT LÝ I.TÓM TẮT LÝ THUYẾT: A.con lắc đơn: 1. Tần số góc: g l ω = ; chu kỳ: 2 2 l T g π π ω = = ; tần số: 1 1 2 2 g f T l ω π π = = = Điều kiện dao động điều hoà: Bỏ qua ma sát, lực cản và α 0 << 1 rad hay S 0 << l 2. Lực hồi phục 2 sin s F mg mg mg m s l α α ω = − = − = − = − Lưu ý: + Với con lắc đơn lực hồi phục tỉ lệ thuận với khối lượng. + Với con lắc lò xo lực hồi phục không phụ thuộc vào khối lượng. 3. Phương trình dao động: s = S 0 cos(ωt + ϕ) hoặc α = α 0 cos(ωt + ϕ) với s = αl, S 0 = α 0 l ⇒ v = s’ = -ωS 0 sin(ωt + ϕ) = -ωlα 0 sin(ωt + ϕ) ⇒ a = v’ = -ω 2 S 0 cos(ωt + ϕ) = -ω 2 lα 0 cos(ωt + ϕ) = -ω 2 s = -ω 2 αl Lưu ý: S 0 đóng vai trò như A còn s đóng vai trò như x 4. Hệ thức độc lập: * a = -ω 2 s = -ω 2 αl; * 2 2 2 0 ( ) v S s ω = + ; * 2 2 2 0 v gl α α = + 5. Cơ năng: 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 1 1 1 1 W 2 2 2 2 ω α ω α = = = = mg m S S mgl m l l 6. Tại cùng một nơi con lắc đơn chiều dài l 1 có chu kỳ T 1 , con lắc đơn chiều dài l 2 có chu kỳ T 2 , con lắc đơn chiều dài l 1 + l 2 có chu kỳ T 2 ,con lắc đơn chiều dài l 1 - l 2 (l 1 >l 2 ) có chu kỳ T 4 .Thì ta có: 2 2 2 3 1 2 T T T= + và 2 2 2 4 1 2 T T T= − 7. Khi con lắc đơn dao động với α 0 bất kỳ. Cơ năng, vận tốc và lực căng của sợi dây con lắc đơn W = mgl(1-cosα 0 ); v 2 = 2gl(cosα – cosα 0 ) và T C = mg(3cosα – 2cosα 0 ) Lưu ý: - Các công thức này áp dụng đúng cho cả khi α 0 có giá trị lớn - Khi con lắc đơn dao động điều hoà (α 0 << 1rad) thì: 2 2 2 2 0 0 1 W= ; ( ) 2 mgl v gl α α α = − (đã có ở trên) 2 2 0 (1 1,5 ) C T mg α α = − + 8. Con lắc đơn có chu kỳ đúng T ở độ cao h 1 , nhiệt độ t 1 . Khi đưa tới độ cao h 2 , nhiệt độ t 2 thì ta có: 2 T h t T R λ ∆ ∆ ∆ = + Với R = 6400km là bán kính Trái Đât, còn λ là hệ số nở dài của thanh con lắc. 9. Con lắc đơn có chu kỳ đúng T ở độ sâu d 1 , nhiệt độ t 1 . Khi đưa tới độ sâu d 2 , nhiệt độ t 2 thì ta có: 2 2 T d t T R λ ∆ ∆ ∆ = + Lưu ý: * Nếu ∆T > 0 thì đồng hồ chạy chậm (đồng hồ đếm giây sử dụng con lắc đơn) * Nếu ∆T < 0 thì đồng hồ chạy nhanh * Nếu ∆T = 0 thì đồng hồ chạy đúng * Thời gian chạy sai mỗi ngày (24h = 86400s): 86400( ) T s T ∆ θ = 10. Khi con lắc đơn chịu thêm tác dụng của lực phụ không đổi: Lực phụ không đổi thường là: * Lực quán tính: F ma= − ur r , độ lớn F = ma ( F a↑↓ ur r ) Lưu ý: + Chuyển động nhanh dần đều a v↑↑ r r ( v r có hướng chuyển động) TRƯỜNG THPT HƯỚNG HÓA-GIÁO VIÊN:LÊ CAO(lecaoly@gmail.com) 2 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN-CON LẮC VẬT LÝ + Chuyển động chậm dần đều a v↑↓ r r * Lực điện trường: F qE= ur ur , độ lớn F = |q|E (Nếu q > 0 ⇒ F E↑↑ ur ur ; còn nếu q < 0 ⇒ F E↑↓ ur ur ) * Lực đẩy Ácsimét: F = DgV ( F ur luông thẳng đứng hướng lên) Trong đó: D là khối lượng riêng của chất lỏng hay chất khí. g là gia tốc rơi tự do. V là thể tích của phần vật chìm trong chất lỏng hay chất khí đó. Khi đó: 'P P F= + uur ur ur gọi là trọng lực hiệu dụng hay trong lực biểu kiến (có vai trò như trọng lực P ur ) ' F g g m = + ur uur ur gọi là gia tốc trọng trường hiệu dụng hay gia tốc trọng trường biểu kiến. Chu kỳ dao động của con lắc đơn khi đó: ' 2 ' l T g π = Các trường hợp đặc biệt: * F ur có phương ngang: + Tại VTCB dây treo lệch với phương thẳng đứng một góc có: tan F P α = + 2 2 ' ( ) F g g m = + * Nếu F ur hướng xuống thì ' F g g m = + ; * Nếu F ur hướng lên thì ' F g g m = − B.Con lắc vật lý: Con lắc vật lý là một vật rắn quay được quanh một trục nằm ngang cố định.Phương trình dao động của con lắc vật lý là: α = α 0 cos(ωt + ϕ) . Trong đó mgd I ω = với m là khối lượng vật rắn;d là khoảng cách từ trục quay đến khối tâm.I là mô men quán tính của con lắc đối với trục quay. *Chu kỳ:T=2 I mgd π *Con lắc đơn đồng bộ với con lắc vật ý khi chu kỳ dao động của 2 con lắc ở cùng một nơi bằng nhau T 1 =T 2 I l I l mgd g md ⇔ = ⇒ = II.BÀI TẬP MẪU: DẠNG 1:CON LẮC ĐƠN:CHU KỲ DAO ĐỘNG,PT DAO ĐỘNG,VẬN TỐC,LỰC CĂNG DÂY. Bài 1:Trong 2 phút một con lắc đơn thực hiện 120 dao động.Nếu tăng chiều dài con lắc thêm 74,7cm thì trong 2 phút con lắc thực hiện 60 dao động.Tính chiều dài của con lắc và gia tốc trọng trường tại nơi con lắc dao động. A:24,9cm và 9,82m/s 2 ; B:21cm và 9,82m/s 2 ; C:29cm và 9,82m/s 2 ; D:20cm và 9,82m/s 2 . Bài 2:Hai con lắc đơn dao động cùng một nơi,trong cùng một đơn vị thời gian,con lắc đơn thực hiện 30 dao động,con lắc 2 thực hiện 40dao động.Hiệu số chiều dài của 2 con lắc là 28cm.Tìm chiều dài mỗi con lắc. A:l 1 =64cm,l 2 =36cm; B: l 1 =36cm,l 2 =64cm; C: l 1 =34cm,l 2 =16cm; D: l 1 =16cm,l 2 =34cm. Bài 3:Một con lắc đơn có chiều dài 1m,một đầu day cố định,đầu kia có gắn quả cầu nhỏ dao động trên quỹ đạo dài 6cm.viết phương trình dao động.chọn gốc thời gian là lúc quả cầu qua vị trí cân bằng theo chiều dương.Lấy 2 π =10m/s 2 . A:3cos( t π - π /2)cm; B: 3cos t π cm; C: 3cos( t π - π /3)cm; D: 3cos(2 t π - π /2)cm. Bài 4:Con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ,chu kỳ dao động T=2s. Lấy 2 π =10m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: Câu 1:Tính chiều dài con lắc: A:1m; B:2m; C:1,5m D:2,5m. TRƯỜNG THPT HƯỚNG HÓA-GIÁO VIÊN:LÊ CAO(lecaoly@gmail.com) 3 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN-CON LẮC VẬT LÝ Câu 2:Biên độ góc 0 α =0,1 rad,viết phương trình dao động của con lắc,chọn gốc thời gian là lúc con lắc có biên độ góc + 0 α . A: α =0,1cos t π rad; B: α =0,1cos( t π - π /2)rad; C: α =0,1cos( t π - π /3)rad; D: α =0,1cos(2 t π - π /2)rad. Câu 3:Tính thời gian để con lắc đi từ vị trí có tọa độ 1 α =0,05Rad đến vị trí 0 α A:1/3s; B:1/2s; C:1,5s; D:1s. Bài 5:một con lắc đơn gồm quả cầu nhỏ khối lượng50g treo vào một đầu dây mảnh dài 1m.lấy g=9,8m/s 2 .kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng một góc 0 α =60 0 rồi buông ra để con lắc chuyển động với vận tốc ban đầu bằng không. a.Tính vận tốc và lực căng dây tại vị trí biên và vị trí cân bằng b.Tính vận tốc và lực căng dây tai vị trí α =30 0 . Bài 6:Một con lắc đơn dao động tại nơi có gia tốc trọng trường g=9,8m/s 2 .Nếu chiều dài con lắc giảm 1/4 thì tại nơi đó chu kỳ dao động của con lắc 0,268s.Chiều dài con lắc là: A:1,204m; B:1,142m; C:0,994m D:0,875m. Bài 7:Một con lắc đơn có chiều dài l=1m dao động với biên độ nhỏ tại nơi có g ≈ 2 π m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: Câu 1:Tần số góc dao động của con lắc là bao nhiêu? A:2 π rad/s; B: π rad/s; C:0,318rad/s; D:2rad. Câu 2:Độ lơn vận tốc của con lắc khi đi qua vị trí cân bằng là bao nhiêu,Biêt rằng con lắc có thể lên đến vị trí cao hơn vị trí cân bằng 2cm. A:6,28m/s; B:1,57m/s; C:1,2m/s; D:0,628m/s. Câu 3:Biên độ góc của con lắc là bao nhiêu. A: 0 α =0,2rad; B: 0 α =0,15rad; C: 0 α =0,1rad; D: 0 α =0,02rad Bài 8:Một con lắc đơn có chiều dài 1m,vật nặng có khối lượng 0,5kg.con lắc dao động với biên độ góc 0 α =0,17rad.Lấy g=10m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: Câu 1:Cơ năng con lắc là bao nhiêu? A:0,722J; B:0,272J; C: 0,072J; D:0,097J. Câu 2:Độ lơn vận tốc khi con lắc qua vị trí cân bằng là bao nhiêu? A:0,572m/s; B:0,537m/s; C0,672m/s; D:0,772m/s. Bài 9:Tại một nơi chu kỳ dao động của con lắc là 2s.sau khi tăng chiều dài con lắc thêm 21cm thì chu kỳ dao động của nó là 2,2s.Chiều dài ban đầu của con lắc này là: A:101cm; B:99cm; C:98cm D:100cm. Bài10:Một con lắc đơn có chiều dài l m dao động điều hoà với chu kỳ T 1 .Khi đi qua vị trí cân bằng dây treo con lắc bị vướng vào một chiếc đinh tại trung điểm của nó.Chu kỳ dao động mới tính theo chu kỳ T 1 ban đầu là bao nhiêu? A:         + 2 1 1 2 1 T ; B:T 1 (1+ 2 ); C:T 1 / 2 ; D:T 1 . 2 . DẠNG II:BIẾN THIÊN CHU KỲ DAO ĐỘNG CON LẮC ĐƠN THEO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ CAO.THỜI GIAN NHANH CHẬM CỦA ĐỒNG HỒ QUẢ LẮC. Bài 1:Một con lắc đơn dao động với chu kỳ 2s ở 20 0 C.Tính chu kỳ dao động của con lắc ở 30 0 C.Cho biết hệ số nở dài của dây treôcn lắc là α =2.10 -5 K -1 . A:2s; B:2,002s; C:1,5s; D:2,1s. Bài 2:Một con lắc đồng hồ chạy đúng ở 20 0 C,thực hiện 10 dao động trong 20s.Trả lời các câu hỏi sau: Câu 1:tính chu kỳ dao độngcủa con lắc. A:2s; B:2,2s; C:1,5s; D:2,6s. TRƯỜNG THPT HƯỚNG HÓA-GIÁO VIÊN:LÊ CAO(lecaoly@gmail.com) 4 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN-CON LẮC VẬT LÝ Câu 2:Tăng nhiệt độ lên đến 35 0 C thì đồng hồ chạy nhanh hay chậm bao nhiêu trong một ngày đêm.Cho α =2.10 -5 K -1 . A:Chậm 12,96s; B:Nhanh 12,96s C: Chậm 2,96s; D:Nhanh 2,96s. Bài 3:Con lắc đơn dao động trên mặt đất với chu kỳ 2s.Nếu đưa con lắc lên cao 320m thì chu kỳ của nó tăng hay giảm bao nhiêu,giã sử nhiệt độ không đổi.Bán kính trái đất là R=6400km. A:0,2s; B:0,0001s; C:0,001s; D:0,1s. Bài 4:Một đồng hồ quả lắc chạy đúng tại một nơi trên mặt biển.Nếu đưa đồng hồ lên cao 200m thì đồng hồ chạy nhanh hay chậm bao nhiêu trong một ngày đêm.Giả sử nhiệt độ không đổi,bán kính trái đất là R=6400km. A: 2s; B:1s; C:2,7s; D:11s. Bài 5:Một con lắc đơn dao động trên mặt đất ở 30 0 C.Nếu đưa con lắc lên cao 1,6km thì nhiệt độ ở đó phải bằng bao nhiêu để chu kỳ dao động của con lắc không đổi.Bán kính trái đất là 6400km. Cho α =2.10 -5 K -1 . A: 2 0 C; B:5 0 C; C:20 0 C D:11 0 C. Bài 6:Một con lắc đơn đếm giây có chu kỳ bằng 2s ở nhiệt độ 0 0 C và ở nơi có gia tốc trọng trường là 9,81m/s 2 .biết hệ số nở dài của dây treo con lắc là 1,8.10 -5 K -1 .Độ dài của con lắc ở 0 0 C và chu kỳ của con lắc ở cùng vị trí nhưng ở nhiệt độ 30 0 C là bao nhiêu? A:0,95m và 2,05s; B:1,05m và 2,1s; C:0,994m và 2,0003s; D:0,956m và 2,0005s. Bài 7:Mặt trăng có khối lượng bằng 1/81 khối lượng trái đất và có bán kính bằng 1/3,7 bán kính trái đất.Chu kỳ dao động của con lắc thay đổi như thế nào khi chuyển từ trái đất lên mặt trăng? A:Tăng 1,57 lần; B:Giảm 2,43 lần; C:Tăng 2,43 lần; D:giảm 2,41 lần. Bài 8:Gia tốc rơi tự do ở mặt trăng bằng 0,169 gia tốc rơi tự do ở mặt đất.Nếu muốn giữ nguyên chu kỳ như ở trái đất thì khi lên mặt trăng phải thay đổi độ dài con lắc đơn có độ lớn : A:l 1 =0,369l; B:l 1 =0,269l; C:l 1 =1,169l; D:l 1 =0,169l. DẠNG III:BIẾN THIÊN CHU KỲ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN KHI CHỊU THÊM LỰC KHÔNG ĐỔI TÁC DỤNG Bài 1:Một con lắc đơn gồm một quả cầu khối lượng 0,1Kg được tích điện q=10 -5 C treo vào một daay mảnh dài 20cm,đầu kia của dây cố định tại O trong vùng điện trường đều E  hướng xuống theo phương thẳng đứng,E=2.10 4 V/m.Tính chiu kỳ dao động của con lắc.Lấy g=9,8m/s 2 . A:0,822s; B:10s; C:2s; D:0,5s. Bài 2:Con lắc đơn gồm dây mảnh dài 10cm,quả cầu kim loại nhỏ khối lượng m=10g được tích điện q=10 -4 C Con lắc được treo trong vùng điện trường đều E  có phương nằm ngang,E=400V/m.Lấy g=10m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: Câu 1:Xác định vị trí cân bằng mới của con lắc. A: α ≈ 0,3805Rad; B: α ≈ 0,805Rad; C: α ≈ 0,5Rad; D: α ≈ 3,805Rad. Câu 2:Con lắc dao động với biên độ nhỏ,tính chu kỳ dao động. A:0,822s; B:0,605s; C:1,2s; D:0,5s. Bài 3:Chu kỳ dao động của con lắc trên mặt đất T 0 =2s.Treo con lắc này vào buồng một htang máy.Lấy g=9,8m/s 2 .Tính chu kỳ dao động của con lắc trong các trường hợp sau a.Thang máy chuyển động đều. b.Thang máy đi lên nhanh dần đều với độ lớn gia tốc a=1m/s 2 . c.Thang máy đi lên chậm dần đều với độ lớn gia tốc a=1m/s 2 . Bài 4:Con lắc đơn gồm dây mảnh dài l=1m,có gắn quả cầu nhỏ m=50g được treo vào trần một toa xe đang chuyển động nhanh dần đều trên đường nằm ngang với gia tốc a=3m/s 2 .lấy g=10m/s 2 . a.Xác định vị trí cân bằng của con lắc . b.Tính chu kỳ dao động của con lắc. Bài 5:Treo con lắc đơn có chiều dài l=0,5m vào tần của toa xe.Toa xe đi xuống dốc nhanh dần đều,dốc hợp với mặt phẳng ngang góc α =15 0 a.Chứng minh rằng ở vị trí cân bằng,dây treo con lắc vuông góc với mặt đường dốc. b.Tính chu kỳ dao động của con lắc. TRƯỜNG THPT HƯỚNG HÓA-GIÁO VIÊN:LÊ CAO(lecaoly@gmail.com) 5 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN-CON LẮC VẬT LÝ Bài 6:Con lắc đơn dao động với chu kỳ 2s khi treo vào thang máy đứng yên,lấy g=10m/s 2 .Khi thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc có độ lớn 0,5m/s 2 thì chu kỳ dao động của con lắc là bao nhiêu? A:1,95; B:1,98s; C:2,03s; D:2,15s. DẠNG IV:CON LẮC VẬT LÝ. Bài 1:Một vật rắn có khối lượng 1,5 kg.Có thể dao động qaunh trục nằm ngang dưới tác dụng của trọng lực với chu kỳ 1,4s.Mô men quán tính của vật rắn đối với trục quay là 0,075 kg.m 2 .Lấy g=10m/s 2 .Tính khoảng cách từ trục quay đến khối tâm của vật rắn. A:150cm; B:100cm; C:15cm; D:10cm. Bài 2:Một thanh cứng OA dài 30cm,khối lượng phân phối đều có thể quay xung quanh trục nằm ngang qua O.Lấy g= 2 π m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: a)Tính chu kỳ dao động nhỏ của OA. A:0,89s; B:0,59s; C:2s; D:1,5s. Hướng dẫn: • Tính mô men của thanh OA đối với trục ( ∆ ) qua O: 2 2 1 12 4 l I ml m= + • Khoảng cách từ từ trục quay đến khối tâm G là l/2. • Sử dụng công thức T=2 I mgd π b)Gắn thêm vật kích thước nhỏ tại A,khối lượng bằng khối lượng thanh OA.Tính chu kỳ dao động nhỏ của hệ. A:0,9s; B:0,6s; C:1,2s; D:1,46s. Hướng dẫn: • Tính mô men của con lắc với trục ( ∆ ) qua O: 2 1 A I I m l= + • Khoảng cách từ từ trục quay đến khối tâm G là :d 1 = 2 2 l m ml m + • Sử dụng công thức T 1 =2 1 1 I mgd π Bài 3:Một thanh cứng OA dài l=0,6m;khối lượng không đáng kể có thể quay xung quanh trục nằm ngang qua O.Tại A và trung điểm B của OA có gắn các vật kích thước nhỏ khối lượng m A =m B =m=0,1kg. Lấy g= 2 π m/s 2 .Trả lời các câu hỏi sau: a)Tính mô men quán tính của hệ đối với trục quay qua O. A:0,045 kgm 2 ; B:0,059 kgm 2 ; C:0,02 kgm 2 ; D:1,005 kgm 2 . b)Cho con lắc dao động nhỏ.Tính chu kỳ dao động thanh. A:1s; B:1,41s; C:2s; D:1,5s. c)Tính chiều dài con lắc đơn đồng bộ với con lắc vật lý. A:0,1m; B:1m; C:1,2m; D:0,5m. TRƯỜNG THPT HƯỚNG HÓA-GIÁO VIÊN:LÊ CAO(lecaoly@gmail.com) . một nơi con lắc đơn chiều dài l 1 có chu kỳ T 1 , con lắc đơn chiều dài l 2 có chu kỳ T 2 , con lắc đơn chiều dài l 1 + l 2 có chu kỳ T 2 ,con lắc đơn chiều. 1 Ôn luyện vật lý khối 12 - DAO ĐỘNG CƠ VẤN ĐỀ CON LẮC ĐƠN -CON LẮC VẬT LÝ I.TÓM TẮT LÝ THUYẾT: A .con lắc đơn: 1. Tần số góc: g l ω = ;