Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 13 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
13
Dung lượng
341,54 KB
Nội dung
CHỦ ĐỀ 8: CHU KÌ, TẦN SỐ CON LẮC LỊ XO I LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Xét lắc lò xo nằm ngang gồm lị xo có độ cứng k, đầu gắn chặt, đầu cịn lại gắn vào vật nhỏ có khối lượng m Vật m trượt mặt phẳng nằm ngang khơng có ma sát Vị trí cân vật vị trí lị xo khơng biến dạng Đặt mua file Word link sau: https://tailieudoc.vn/chuyendely3khoi Kích thước cho vật dao động với biên độ A cách kéo đẩy vị trí cân đoạn nhỏ buông tay Tại thời điểm t bất kì, vật vi trí có li độ x hình vẽ Bỏ qua ma sát, theo phương thẳng đứng trọng lực P phản lực N mặt phẳng tác dụng vào vật nhau, phương ngang lực đàn hồi lò xo, lực tác dụng vào vật làm cho vật chuyển động với gia tốc a x '', theo định luật II Niutơn ta có phương trình : F kx ma mx '' x '' Đặt k x m k k , ta : x '' x x m m Phương trình có nghiệm : x Acos t x A sin t Do dao động vật lắc lò xo dao động điều hịa Tần số góc dao động Chu kì dao động : T 2 k m m tần số dao động f k 2 k m Các giá trị , T, f phu thuộc vào khối lượng độ cứng lò xo, khơng phụ thuộc vào cách kích thích việc chọn gốc thời gian, mà kích thích mạnh yếu khác làm thay đổi biên độ A, việc chọn gốc thời gian ảnh hưởng đến giá trị pha ban đầu Xét lắc lò xo treo thẳng đứng Độ biến dạng lò xo vị trí cân (VTCB) : Fdh mg k Tần số góc : 2 k m g k ;f 2 m g 2 g Xét lắc lị xo treo nằm góc α : 2 m 2 k g sin Với cb ( chiều dài tự nhiên lắc lị xo) Bài tốn : m2 2 m1 m +) Nếu k khơng đổi m 1 m1 f 2 m2 f1 CLLX có (k, m1) dao động với T1, f1 CLLX có (k, m2) dao động với T2, f2 Ta có : CLLX có k , m1 m2 2 12 22 ; 1 2 f f1 f Tổng quát : m m1 m2 2 12 22 +) Nếu m khơng đổi : k 1 f hay k f f f12 f 22 Nếu có : k k1 k2 1 2 1 22 II VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: [Trích đề thi THPT QG năm 2016] Một lắc lò xo dao động điều hòa theo phương nằm ngang Nếu biên độ dao động tăng gấp đơi tần số dao động điều hịa lắc A tăng lần B giảm lần C không đổi D tăng lần Lời giải : Tần số dao động lắc lò xo phụ thuộc vào khối lượng độ cứng lò xo Chọn C Ví dụ 2: Một lắc lị xo có vật nặng 400 g dao động điều hịa Vật thực 50 dao động thời gian 20 s Lấy 10 Độ cứng lò xo A 50 N/ m B 100 N/ m C 150 N/ m Lời giải : Ta có : 20 m 0, 0, 2 10 k 100 N/ m Chọn B 50 k k D 200 N/ m Ví dụ 3: Một lị xo có khối lượng khơng đáng kể, bố trí thẳng đứng, đầu cố định Khi gắn vật có khối lượng m1 200 g vào vật dao động với chu kì 1 s Khi thay vật có khối lượng m2 vào lị xo trên, chu kì dao động vật 2 1,5 s Khối lượng m2 A 100 g B 400 g C 800 g D 50 g Lời giải : Ta có : 1 m1 m m2 50 g Chọn D 2 m2 Ví dụ 4: [Trích đề thi đại học năm 2008] Một lắc lò xo gồm lị xo có độ cứng k = 20 N/ m vật nhỏ có khối lượng m = 0,2 kg Khi vật dao động điều hòa, thời điểm t, vận tốc gia tốc vật v = 20 cm / s a m / s2 Biên độ dao động vật B cm A cm C cm D cm Lời giải : Ta có : k 10 (rad / s) m 3.100 v 2 a 2 a2 v2 Lại có : a v 1 A 1002 vmax amax 202 42 Chọn A 100 Ví dụ 5: Khi gắn vật nặng có khối lượng m1 = 0,9 kg vào lị xo có khối lượng khơng đáng kể, hệ dao động điều hịa với chu kì 1 1,5 (s) Khi gắn vật khác có khối lượng m2 vào lị xo hệ dao động với chu kì 2 0,5 (s) Khối lượng m2 A m2 = 0,1 kg B m2 = 0,3 kg C m2 = 8,1 kg D m2 = 2,7 kg Lời giải : Ta có: 1 2 m1 1,5 m m2 0,1 kg Chọn A m2 0,5 Ví dụ 6: Con lắc lò xo gồm lò xo k vật m, dao động điều hòa với tần số f = 1,5 Hz Muốn tần số dao động lắc f 0, 75 Hz khối lượng vật m phải : A m 2m B m 3m C m 4m D m 5m Lời giải : Ta có : f f m m 4m Chọn C m Ví dụ 7: Trong dao động điều hòa lắc lò xo, giảm khối lượng vật nặng lần chu kì lắc lò xo : A tăng lần B tăng 16 lần C giảm lần Lời giải : D giảm 16 lần Ta có : 2 m m m Khi m ' ' 2 Chọn C k 4k Ví dụ 8: Một lắc lị xo có khối lượng m, lị xo có độ cứng k Nếu tăng độ cứng lò xo lên n1 lần đồng thời giảm khối lượng vật nặng n2 lần chu kì dao động vật : A tăng n1 lần n2 B giảm n1 lần n2 C giảm n1 n2 lần D tăng n1 n2 lần Lời giải : Ta có: 2 m m Khi k ' n1 k ; m ' n2 k m n2 k Suy ' 2 2 n1 k m n1 n2 n1 n2 Chọn C Ví dụ 9: Một lị xo có độ cứng ban đầu k, cầu khối lượng m Khi giảm độ cứng tăng lần tăng khối lượng vật lên lần chu kì A tăng lần B giảm lần C tăng lần D giảm lần Lời giải : Ta có : 2 m k Khi k ; m 2m k Suy 2 2m m 2 Chọn C k k Ví dụ 10: [Trích đề thi đại học năm 2007] Một lắc lò xo có khối lượng m, lị xo có độ cứng k dao động điều hòa Nếu tăng độ cứng lò xo lên lần đồng thời giảm khối lượng vật nặng lần tần số dao động vật sẽ: A giảm lần B giảm lần C tăng lần D tăng lần Lời giải : Ta có: f 2 k m Khi k k, m suy f m 2 2k m 2 k Chọn C m Ví dụ 11: Một lắc lị xo có khối lượng m, lị xo có độ cứng k dao động điều hòa.Trong khoảng thời thời gian t ,con lắc thực 80 dao động toàn phần, thay đổi khối lắc lượng m = 1,56 kg khoảng thời gian t thực 50 dao động toàn phần Khối lượng ban đầu lắc : A kg B 2,56 kg C 0,56 kg Lời giải : D kg Ta có : f Suy 80 t 2 f f k 50 ;f m t 2 k m m m m 1,56 1, m kg Chọn A m m Ví dụ 12: Một lắc lị xo có độ cứng k = 100 N/ m, dao động điều hòa Lần lượt treo vào lò xo hai cầu có khối lượng m1 m2 thời gian t lắc thực 15 30 dao động toàn phần Nếu treo đồng thời hai cầu vào lị xo chu kì dao động hệ s Giá trị m1 m2 là: A m1 = 0,8 kg, m2 = 0,4 kg B m1 = 0,9 kg, m2 = 0,1 kg C m1 = 1,6 kg, m2 = 0,4 kg D m1 = 0,8 kg, m2 = 0,2 kg Lời giải : t 1 15 2 Ta có: 2 t 30 m1 m1 4m2 m2 Chu kì lắc có vật nặng m1 m2 2 m1 m2 m1 m2 kg k m 0,8kg Do Chọn D m2 0, 2kg Ví dụ 13: Dụng cụ đo khối lượng tàu vũ trụ có cấu tạo gồm ghế có khối lượng m gắn vào đầu lị xo có độ cứng k = 480 N / m Để đo khối lượng nhà du hành nhà du hành phải ngồi vào ghế cho ghế dao động Người ta đo chu kì dao động ghế khơng có người s cịn có nhà du hành T = 2,5 s Khối lượng nhà du hành A 80 kg B 64 kg C 75 kg D 70 kg Lời giải : Khi chưa có người ngồi vào ghế ta có: 0 2 Khi có người ngồi vào ghế ta có: 2 Do 0 2,5 m k 1 m k 4 m mn 2,5 k m m k 2,52 n mn 2,52 1 63,8 kg Chọn B m mn m 4 Ví dụ 14: Một lị xo có độ cứng k Nếu gắn cầu khối lượng m kg vào lị xo thực 30 dao động thời gian t , gắn thêm vật có khối lượng m kg thực 15 dao động, cịn gắn thêm vật có khối lượng m +2 kg thực số dao động 12 khoảng thời gian t Giá trị m : A 0,89 kg B 1,2 kg C 1,5 kg D kg Lời giải : Ta có: f1 1 f 2 Lại có f1 f3 30 m m t m 1 m 3m 15 m m t m m m 4m 30 m 0,89 kg Chọn A m 12 Ví dụ 15: Một lắc lị xo có độ cứng k mắc với vật nặng m1 có chu kì dao động T1 = 0,1 s Nếu mắc lị xo với vật nặng m2 chu kì dao động T2 = 0,2 s Chu kì dao động gắn vật có khối lượng m = m1 +2m2 vào lò xo là: A T = 0,25 s B T = 0,22 s C T = 0,36 s D T = 0,3 s Lời giải : 2 m1 m1 m2 m1 2m2 k2 ; 2 2 ; 2 Ta có: 1 2 k k k 2 4 m2 k2 Suy 2 12 222 0,3 s Chọn D Ví dụ 16: Một lắc lị xo, gồm lị xo nhẹ có độ cứng 100 N / m, vật có khối lượng 0,25 kg, dao động điều hòa dọc theo trục Ox Tại thời điểm có gia tốc 20 m/s2 vận tốc m / s Xác định biên độ dao động vật ? A 15 cm B cm C 12 cm D 10 cm Lời giải : Ta có: k a 20 rad / s x 5cm m Khi A x v2 2 10cm Chọn D Ví dụ 17: Một lị xo có độ cứng k Lần lượt gắn vào lò xo vật m1, m2, m3 = m1 +2m2 m4 = m1 - m2 (2 m1 > m2) Ta thấy chu kì dao động vật T1,T2, T3 = s, T4 = s Khi T1,T2 có giá trị A T1 = 9,43 s; T2 = 6,25 s B T1 = 6,67 s; T2 = 1,56 s C T1 = 10,67 s; T2 = 10,15 s D T1 = 4,77 s; T2 = 4,54 s Lời giải : 2 m1 1 4 m1 m2 k ; 2 2 Ta có : 1 2 k k 2 4 m2 k2 Mặt khác : 3 2 m1 2m2 2m1 m2 ; 4 2 k k 12 222 32 64 12 22,8 1 4, 77 s Do Chọn D 2 21 2 4 25 2 20, 2 4,54 s Ví dụ 18: Một vật có khối lượng m1, treo vào lò xo độ cứng k chu kì dao động T1 = 1,5 s Thay vật m1 vật m2 chu kì dao động T2 = s Thay vật m2 vật có khối lượng m = 3m1 + 4m2 chu kì lắc A 2,5 s B 4,27 s C 4,77 s D 5,00 s Lời giải : Ta có : m 2 nên m 3m1 4m2 2 312 422 4, 77 s Chọn C Ví dụ 19: Một tàu thủy chưa chất hàng lên tàu dao dộng dập dềnh chỗ với chu kì T = 1,2 s Sau chất hàng lên tàu dao động dập dềnh chỗ với chu kì = 1,6 s Hãy tìm tỉ số khối lượng hàng khối lượng tàu : A B C D Lời giải : Ta có: Khi chưa chất hàng lên tàu chu kì dao động là: 2 Khi chất hàng lên tàu chu kì hệ là: 2 Khi m k m m k m m m 1, 16 m Chọn C m m m m 1, Ví dụ 20: Một vật có khối lượng m treo vào lị xo có độ cứng k1 cgu kì dao động T1 Thay lị xo có độ cứng k2 chu kì dao động T2 Thay lị xo khác có độ cứng k = 3k1 + 2k2 chu kì dao động T Khi A 1 2 1 2 B 2 1 2 C 2 312 222 Lời giải : Ta có: k nên k 3k1 2k2 Chọn B 1 2 D 1 2 31 22 Ví dụ 21: [Trích đề thi đại học 2012] Một lắc lị xo gồm lị xo nhẹ có độ cứng 100 N / m vật nhỏ có khối lượng m Con lắc dao động điều hòa theo phương ngang với chu kì T Biết thời điểm t vật có li độ cm, thời điểm t A 1,2 kg vật có vận tốc 50 cm / s Giá trị m B 0,8 kg C 1,0 kg D 0,5 kg Lời giải : Ta có: thời điểm t li độ vật x1 = Sau thời gian Lại có : x 2 2 vật có li độ x2 x12 x22 A ta có : t v22 A v22 A x22 x12 v2 50 10 x1 k m kg Chọn C m Ví dụ 22: [Trích đề thi đại học 2014] Một lắc lò xo dao động điều hòa theo phương nằm ngang với tần số góc Vật nhỏ lắc có khối lượng 100 g Tại thời điểm t = 0, vật nhỏ qua vị trí cân theo chiều dương Tại thời điểm t = 0,95 s vận tốc v li độ x vật nhỏ thỏa mãn v x lần thứ Lấy 10 , độ lò xo A 20 N / m B 85 N / m C 25 N / m D 37 N / m Lời giải : Ta có : v A x x x A x A A x v Như v x nên v x ngược dấu suy v x x A v Như chu kì có lần mà v x Do thời điểm lần thứ = +1 mà v x t = 0,95 s ta có : t 2 t 0A t A A 2 k 2 m 0,95 s 0, 2 k 4 m 25 N / m Chọn C 0, 42 Ví dụ 23: Vật nhỏ có khối lượng 200 g lắc lị xo dao động điều hịa với chu kì T biên độ cm Biết chu kì, khoảng thời gian để vật nhỏ có độ lớn gia tốc không nhỏ 500 cm / s2 Độ cứng lò xo A 20 N /m B 50 N /m C 40 N /m D 30 N /m Lời giải : Do a 500 x x0 x x x Ta có : .arccos ar cos cos x0 2 A 2 A Do a 500 2 10 k k 50 N / m Chọn B m Ví dụ 24: Một lắc lò xo cân mặt phẳng nghiêng góc 37 so với phương ngang Tăng góc thêm 16 cân lị xo dài thêm cm Bỏ qua ma sát, lấy g 10m / s Tấn số góc dao động riêng lắc A rad/s B 10 rad/s C 12,5 rad/s D 15 rad/s Lời giải : Tại VTCB F0 sin k mg sin Theo đề ta có: 2 1 mg sin k mg sin sin k k g sin sin 10 sin 37 16 sin 37 100 m 2 1 0, 02 k 10 rad/s Chọn B m BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM Câu 1: Mơt lắc lị xo, gồm lị xo nhẹ có độ cứng 50 N/m, vật có khối lượng kg, dao động điều hịa dọc Tại thời điểm vật có gia tốc 75 cm/s2 có vận tốc 15 Xác định biên độ dao động vật ? A cm B cm C cm D 10 cm Câu 2: Một lắc lò xo gồm vật nặng có khối lương 500 g treo vào đầu lị xo có độ cứng k = 2,5N/cm Kích thước cho vật dao động, vật có gia tốc cực đại m/s2 Biên độ dao động vật A cm B cm C cm D cm Câu 3: Một lắc lò xo dao động điều hòa, vật có khối lượng m = 0,2 kg Trong 20 (s) lắc thực 50 dao động Độ cứng lò xo A 60 N/m B 40 N/m C 50 N/m D 55 N/m Câu 4: Khi gắn vật nặng có khối lượng m1 = kg vào lị xo có khối lượng khơng đáng kể, hệ dao động điều hịa với chu kì T1 = (s) Khi gắn vật khác có khối lượng m2 vào lị xo hệ dao động với chu kì T2 = 0,5 (s) Khối lượng m2 A m2 = 0,5 kg B m2 = kg C m2 = kg D m2 = kg Câu 5: Con lắc lò xo gồm lò xo k vật m, dao động điều hòa với tần số f = Hz Muốn tần số dao động lắc f = 0,5 Hz khối lượng vật m phải A m 2m B m 3m C m 4m D m 5m Câu 6: Trong dao động điều hòa lắc lò xo, giảm khối lượng vật nặng 75% số lần dao động lắc đơn vị thời gian A tăng lần B tăng lần C giảm lần D giảm lần Câu 7: Một lắc lị xị có khối lượng m, lị xo có độ cứng k Nếu tăng độ cứng lò xo lên hai lần đồng thời giảm khối lượng vật nặng nửa chu kì dao động vật A tăng lần B giảm lần C giảm lần D tăng lần Câu 8: Một có khối lượng m = 10 (g) vật dao động điều hòa với biên độ A = 0,5 m tần số góc = 10 rad/s Lực hồi phục cực đại tác dụng lên vật A 25 N B 2,5 N C N D 0,5 N Câu 9: Con lắc lò xo có độ cứng k, khối lượng vật nặng m dao động điều hòa Nếu tăng khối lượng lắc lần số dao động tồn phần lắc thực giây thay đổi nào? A tăng lần B tăng lần C giảm lần D giảm lần Câu 10: Một vật có khối lượng m = 81 (g) treo vào lị xo thẳng đứng tần số dao động điều hòa vật 10 Hz Treo thêm vào lò xo vật có khối lượng m ' = 19 (g) tần số dao động hệ A f = 11,1 Hz B f = 12,4 Hz C f = Hz D f = 8,1 Hz Câu 11: Một lắc lò xo gồm cầu khối lượng m lò xo độ cứng k Khẳng định sau sai? A Khối lượng tăng lần chu kì tăng lần B Độ cứng giảm lần chu kì tăng lần C Khối lượng giảm lần đồng thời độ cứng tăng lần chu kì giảm lần D Độ cứng tăng lần lượng tăng lần Câu 12: Con lắc lò xo ngang dao động điều hòa, lực đàn hồi cực đại tác dụng vào vật Fmax = N, gia tốc cực đại vật amax = m/s2 Khối lượng vật A m = kg B m = kg C m = kg D m = kg Câu 13: Một lị xo có độ cứng k mắc với vật nặng m1 có chu kì dao động T1 = 1,8 (s) Nếu mắc lị xo với vật nặng m2 chu kì dao động T2 = 2,4 (s) Chu kì dao động ghép m1 m2 với lò xo nêu A T = 2,5 (s) B T = 2,8 (s) C T = 3,6 (s) D T = (s) Câu 14: Một lị xo có độ cứng ban đầu k, cầu khối lượng m Khi giảm độ cứng lần tăng khối lượng vật lên lần chu kì A tăng lần B giảm lần C không đổi D giảm lần Câu 15: Trong dao động điều hòa lắc lò xo, tăng khối lượng vật nặng thêm 50% chu kì dao động lắc A tăng 3/2 lần B giảm lần C tăng lần D giảm lần Câu 16: Trong dao động điều hòa lắc lò xo, giảm khối lượng vật nặng 20% số lần dao động lắc đơn vị thời gian A tăng lần B giảm lần C tăng lần D giảm lần Câu 17: Lần lượt treo hai vật m1 m2 vào lị xo có độ cứng k = 40 N/m kích thích chúng dao động Trong khoảng thời gian định, m1 thực 20 dao động m2 thực 10 dao động Nếu treo hai vật vào lị xo chu kì dao động hệ / (s) Khối lượng m1 m2 A m1 = 0,5 kg; m2 = kg B m1 = 0,5 kg; m2 = kg C m1 = kg; m2 = kg D m1 = kg; m2 = kg Câu 18: Con lắc lò xo có tần số f = Hz, khối lượng m = 100 (g), (lấy 10 ) Độ cứng lò xo A k = 16 N/m B k = 100 N/m C k = 160 N/m D k = 200 N/m Câu 19: Một lị xo có độ cứng k = 96 N/m, treo hai cầu khối lượng m1, m2 vào lị xo kích thích cho chúng dao động thấy khoảng thời gian m1 thực 10 dao động, m2 thực dao động Nếu treo hai cầu vào lò xo chu kì dao động hệ / (s) Giá trị m1, m2 A m1 = kg; m2 = kg B m1 = 4,8 kg; m2 = 1,2 kg C m1 = 1,2 kg; m2 = 4,8 kg D m1 = kg; m2 = kg Câu 20: Một lị xo có độ cứng k = 80 N/m Trong khoảng thời gian nhau, treo hai cầu khối lượng m1 thực 10 dao động, thay cầu khối lượng m2 số dao động giảm phân Khi treo m1 m2 tần số dao động f = / (Hz) Giá trị m1 m2 A m1 = kg; m2 = kg B m1 = kg; m2 = kg C m1 = kg; m2 = kg D m1 = kg; m2 = kg LỜI GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Ta có: Khi A x k a rad / s dó x 3 (cm) m v2 2 (cm) Chọn B Câu 2: Ta có k 250 N / m k 500 rad / s m Khi amax A 500m / s A 1 cm Chọn D Câu 3: 20 (s) lắc thực 50 dao động nên f k 5 k 25 m 50 N / m Chọn C m Khi Câu 4: 50 2 f 5 20 1 2 2 1 k m1 k m2 m1 m1 m2 kg Chọn C m2 0,5 m2 f 2 Câu 5: f 2 k m k m m m 4m Chọn C m f Câu 6: 2 f 2 k m k m m m m f f Chọn A 0, 25m m m m 2 Chọn C Câu 7: 2 k 2k k Câu 8: k k m 1N / m m Lực hồi phục cực đại tác dụng lên vật Fph k A 0,5 N / m Chọn D Câu 9: f 2 Câu 10: k k f Chọn C suy f 2 m 4m f f m 81 19 10 f Chọn C m 81 Câu 11: Ta có : 2 k khối lượng tăng chu kì tăng lần A đúng, tương tự B m m m Khi m ; k 4k 2 nên C Chọn D 4k Câu 12: Fmax k A; amax A Câu 13: 1 2 F k A max m m 1kg Chọn A m amax m1 m2 m1 m2 ; 2 2 12 2 k k k Suy 12 12 22 12 s Chọn D Câu 14: 2 2m m 2 6 Chọn A k k m 50%m 2 Câu 15: 2 k Câu 16: f 2 Câu 17: k 2 m f1 1 f 2 Lại có 2 f1 1 f 2 Lại có Câu 20: Mà f 2 f1 1 f 2 k k 2 Chọn A 80 m m 100 m2 m2 4m1 m1 m 0,5kg m1 m2 m1 m2 k 2,5 5m1 2,5 Chọn B k 16 m 2kg Câu 18: 2 f Câu 19: m Chọn C k 2 k 4 k m.16 16 N / m Chọn A m m2 m2 4m1 m1 m 1, 2kg m1 m2 m1 m2 k 5m1 1, Chọn C k 16 m 4,8kg m2 m2 4m1 m1 m 1kg k k 16 m1 m2 5m1 Chọn B 2 m1 m2 2 m1 m2 m 4kg ... 1,5 m m2 0,1 kg Chọn A m2 0,5 Ví dụ 6: Con lắc lị xo gồm lò xo k vật m, dao động điều hòa với tần số f = 1,5 Hz Muốn tần số dao động lắc f 0, 75 Hz khối lượng vật m phải : A m... với tần số f = Hz Muốn tần số dao động lắc f = 0,5 Hz khối lượng vật m phải A m 2m B m 3m C m 4m D m 5m Câu 6: Trong dao động điều hòa lắc lò xo, giảm khối lượng vật nặng 75% số. .. DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: [Trích đề thi THPT QG năm 2016] Một lắc lò xo dao động điều hòa theo phương nằm ngang Nếu biên độ dao động tăng gấp đơi tần số dao động điều hòa lắc A tăng lần B giảm lần C