Câu hỏi:

Ta có:

- Chiều dài dây treo: $l = 39,2 \text{ cm} = 0,392 \text{ m}$

- Gia tốc trọng trường: $g = 9,8 \text{ m/s}^2$

- Biên độ góc: $\alpha_0 = 0,05 \text{ rad}$

- Vận tốc: $v = 2,4 \text{ cm/s} = 0,024 \text{ m/s}$



- Tần số góc của con lắc đơn là: $\omega = \sqrt{\frac{g}{l}} = \sqrt{\frac{9,8}{0,392}} = 5 \text{ rad/s}$

- Vận tốc cực đại của con lắc là: $v_{max} = \omega . S_0 = \omega . l . \alpha_0 = 5 . 0,392 . 0,05 = 0,098 \text{ m/s} = 9,8 \text{ cm/s}$

- Áp dụng công thức độc lập thời gian, ta có:

$\left( \frac{v}{v_{max}} \right)^2 + \left( \frac{a}{a_{max}} \right)^2 = 1$

$\Rightarrow a = \sqrt{1 - \left( \frac{v}{v_{max}} \right)^2} . a_{max}$

Với $a_{max} = \omega^2 . S_0 = \omega^2 . l . \alpha_0 = 5^2 . 0,392 . 0,05 = 0,49 \text{ m/s}^2 = 49 \text{ cm/s}^2$

$\Rightarrow a = \sqrt{1 - \left( \frac{2,4}{9,8} \right)^2} . 49 \approx 47,9 \text{ cm/s}^2$



Cách giải nhanh:

Sử dụng công thức: $a = \omega \sqrt{v_{max}^2 - v^2} = \sqrt{\frac{g}{l}} . \sqrt{(\omega l \alpha_0)^2 - v^2} = 5.\sqrt{(0.098)^2 - (0.024)^2} \approx 0.479 m/s^2 = 47.9 cm/s^2$

Gia tốc gần đúng:

$a \approx \omega \sqrt{(\omega l \alpha_0)^2} = 49 cm/s^2$

Gia tốc của con lắc là 0.96 cm/s²

Ta có công thức liên hệ giữa li độ, vận tốc và biên độ:

• $v^2 = \omega^2(A^2 - x^2)$

Áp dụng cho hai trường hợp:

• $(30\pi)^2 = \omega^2(A^2 - 4^2)$


• $(40\pi)^2 = \omega^2(A^2 - 3^2)$

Chia hai phương trình, ta được:
$\frac{(30\pi)^2}{(40\pi)^2} = \frac{A^2 - 16}{A^2 - 9} \Rightarrow \frac{9}{16} = \frac{A^2 - 16}{A^2 - 9}$

$9(A^2 - 9) = 16(A^2 - 16) \Rightarrow 9A^2 - 81 = 16A^2 - 256 \Rightarrow 7A^2 = 175 \Rightarrow A^2 = 25 \Rightarrow A = 5 \,\text{cm}$

Thay $A = 5$ vào phương trình $(30\pi)^2 = \omega^2(5^2 - 4^2) = 9\omega^2$ ta được:

$(30\pi)^2 = 9\omega^2 \Rightarrow \omega^2 = \frac{(30\pi)^2}{9} \Rightarrow \omega = \frac{30\pi}{3} = 10\pi \,\text{rad/s}$

Vậy $f = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{10\pi}{2\pi} = 5 \,\text{Hz}$.

Từ đồ thị ta có:

• Biên độ A = 4 cm
• Chu kì T = 0.5 s => ω = \frac{2\pi}{T} = 4\pi rad/s
• Tại t = 0: x = 2 cm và vật đang đi theo chiều âm nên 2 = 4cos(φ) => cos(φ) = \frac{1}{2} => φ = ± \frac{\pi}{3}. Vì vật đi theo chiều âm nên φ > 0, suy ra φ = \frac{\pi}{3}

Vậy phương trình dao động là x = 4\cos(4\pi t + \frac{\pi}{3}) cm

Biên độ dao động của con lắc là: $A = \frac{40}{4} = 10$ cm.

Khi động năng gấp 3 lần thế năng, ta có:

$\frac{1}{2}mv^2 = 3.\frac{1}{2}kx^2$

$\frac{1}{2}m\omega^2(A^2 - x^2) = 3.\frac{1}{2}k x^2$

$k(A^2 - x^2) = 3kx^2$

$A^2 - x^2 = 3x^2$

$A^2 = 4x^2$

$x^2 = \frac{A^2}{4}$

$x = \pm \frac{A}{2} = \pm \frac{10}{2} = \pm 5$ cm.

Vậy li độ của vật là 5 cm.

Ta có:

• Chiều dài quỹ đạo là $L = 2A = 4 \, \text{cm} \Rightarrow A = 2 \, \text{cm} = 0.02 \, \text{m}$.


• Tần số góc $\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{1} = 2\pi \, \text{rad/s}$.


• Thế năng của vật tại vị trí $\alpha = \frac{\alpha_0}{2}$ là: $W_t = \frac{1}{2} m \omega^2 x^2 = \frac{1}{2} m \omega^2 (\frac{A}{2})^2 = \frac{1}{8} m \omega^2 A^2 = \frac{1}{8} \cdot 0.2 \cdot (2\pi)^2 \cdot (0.02)^2 = 4 \cdot 10^{-4} \, \text{J}$.