Câu hỏi:

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho con lắc đơn:
Cơ năng tại vị trí biên: $E = mgl(1 - cos{\alpha _0})$
Cơ năng tại vị trí có li độ góc $\alpha$: $E = mgl(1 - cos{\alpha }) + \frac{1}{2}m{v^2}$
Suy ra: $mgl(1 - cos{\alpha _0}) = mgl(1 - cos{\alpha }) + \frac{1}{2}m{v^2}$
$\Leftrightarrow gl(1 - cos{\alpha _0}) = gl(1 - cos{\alpha }) + \frac{1}{2}{v^2}$
$\Leftrightarrow 2gl(1 - cos{\alpha _0}) = 2gl(1 - cos{\alpha }) + {v^2}$
$\Leftrightarrow 2gl - 2glcos{\alpha _0} = 2gl - 2glcos{\alpha } + {v^2}$
$\Leftrightarrow -2glcos{\alpha _0} = -2glcos{\alpha } + {v^2}$
$\Leftrightarrow 2glcos{\alpha } - 2glcos{\alpha _0} = {v^2}$
Với góc nhỏ, ta có $cos\alpha \approx 1 - \frac{{{\alpha ^2}}}{2}$
$\Rightarrow 2gl(1 - \frac{{{\alpha ^2}}}{2}) - 2gl(1 - \frac{{\alpha _0^2}}{2}) = {v^2}$
$\Leftrightarrow 2gl - gl{\alpha ^2} - 2gl + gl\alpha _0^2 = {v^2}$
$\Leftrightarrow gl\alpha _0^2 - gl{\alpha ^2} = {v^2}$
$\Leftrightarrow gl(\alpha _0^2 - {\alpha ^2}) = {v^2}$
$\Leftrightarrow \alpha _0^2 - {\alpha ^2} = \frac{{{v^2}}}{{gl}}$
$\Leftrightarrow \alpha _0^2 = {\alpha ^2} + \frac{{{v^2}}}{{gl}}$

Ta có:

• Độ cứng của lò xo: $k = 36 N/m$


• Khối lượng của vật: $m = 100g = 0.1 kg$

Tần số góc của dao động điều hòa: $\omega = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{36}{0.1}} = \sqrt{360} = 6\sqrt{10} \approx 6\pi (rad/s)$



Tần số của dao động điều hòa: $f = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{6\pi}{2\pi} = 3 Hz$

Động năng biến thiên tuần hoàn với tần số gấp đôi tần số dao động của vật.

Do đó, tần số biến thiên của động năng là: $f' = 2f = 2 * 3 = 6 Hz$

Ta có công thức độc lập với thời gian:

• $A^2 = x_1^2 + \frac{v_1^2}{\omega^2}$


• $A^2 = x_2^2 + \frac{v_2^2}{\omega^2}$

Suy ra:
$x_1^2 + \frac{v_1^2}{\omega^2} = x_2^2 + \frac{v_2^2}{\omega^2}$


Thay số:
$(8\sqrt{3})^2 + \frac{20^2}{\omega^2} = (8\sqrt{2})^2 + \frac{(20\sqrt{2})^2}{\omega^2}$


$192 + \frac{400}{\omega^2} = 128 + \frac{800}{\omega^2}$


$\frac{400}{\omega^2} = 64 \Rightarrow \omega^2 = \frac{400}{64} = \frac{25}{4} \Rightarrow \omega = \frac{5}{2} rad/s$


Lại có:
$A^2 = (8\sqrt{3})^2 + \frac{20^2}{(\frac{5}{2})^2} = 192 + \frac{400}{\frac{25}{4}} = 192 + 64 = 256$


$A = \sqrt{256} = 16 cm$


Vận tốc cực đại $v_{max} = A\omega = 16.\frac{5}{2} = 40 cm/s$

Phương trình dao động: $x = 5\cos(4\pi t)$ cm.
Phương trình vận tốc: $v = x' = -5 * 4\pi * \sin(4\pi t) = -20\pi * \sin(4\pi t)$ cm/s.
Tại $t = 5$ s: $v = -20\pi * \sin(4\pi * 5) = -20\pi * \sin(20\pi) = 0$ cm/s.

Dao động tắt dần là dao động có biên độ giảm dần theo thời gian do ma sát hoặc lực cản của môi trường.

• Đáp án A sai vì dao động tắt dần có thể có lợi trong một số trường hợp, ví dụ như trong hệ thống giảm xóc của xe máy.
• Đáp án B sai vì biên độ của dao động tắt dần giảm dần theo thời gian.
• Đáp án D sai vì dao động tắt dần có thể có hại trong một số trường hợp, ví dụ như làm giảm hiệu suất của các thiết bị cơ khí.

Vậy đáp án đúng là C.