Một con lắc lò xo gồm lò xo nhẹ có độ cứng \(k = 100{\rm{\;N}}/{\rm{m}}\), đầu trên cố định, đầu dưới gắn với vật \({m_1}\) có khối lượng \(100{\rm{\;g}}\), vật \({m_2}\) có khối lượng \(300{\rm{\;g}}\) nối với \({m_1}\) bằng một sợi dây mềm, nhẹ, không dãn (Hình \({\rm{a}}\)). Ban đầu giữ vật \({m_1}\) ở vị trí lò xo không biến dạng, khi đó \({m_2}\) cách mặt đất một khoảng h. Bỏ qua lực cản không khí, lấy \(g = 10{\rm{\;m}}/{{\rm{s}}^2},{\pi ^2} = 10\). Thả nhẹ vật \({m_1}\) thì đồ thị li độ theo thời gian của \({m_1}\) ở khoảng thời gian đầu như hình \(b\). Giá trị của độ cao \(h\) bằng

Cách 1: Lớp 12

GĐ1: Cả 2 vật cùng dao động điều hòa đến khi m₂ chạm đất

\(A = \Delta {l_0} = \frac{{\left( {{m_1} + {m_2}} \right)g}}{k} = \frac{{\left( {0,1 + 0,3} \right).10}}{{100}} = 0,04m = 4cm\)

\(\omega = \sqrt {\frac{k}{{{m_1} + {m_2}}}} = \sqrt {\frac{{100}}{{0,1 + 0,3}}} = 5\sqrt {10} \) (rad/s)

GĐ2: Dây chùng, m­­₁ dao động với vị trí cân bằng mới O_{1 ­}dãn

\(\Delta {l_1} = \frac{{{m_1}g}}{k} = \frac{{0,1.10}}{{100}} = 0,01m = 1cm\)

\({\omega _1} = \sqrt {\frac{k}{{{m_1}}}} = \sqrt {\frac{{100}}{{0,1}}} = 10\sqrt {10} \) (rad/s)

\(v = {v_1} \Rightarrow \omega \sqrt {{A^2} - {x^2}} = {\omega _1}\sqrt {A_1^2 - x_1^2} \Rightarrow 5\sqrt {10} .\sqrt {{4^2} - {x^2}} = 10\sqrt {10} .\sqrt {{{\left( {2,3 + 3} \right)}^2} - {{\left( {x + 3} \right)}^2}} \)

\( \Rightarrow x \approx 2cm \Rightarrow h = 4 + x = 6cm\). Chọn C

Cách 2: Lớp 10

Chọn mốc thế năng tại vị trí lò xo không biến dạng

Bảo toàn cơ năng cho hệ vật từ vị trí lò xo không biến dạng đến khi \({m_2}\) chạm đất (dây chùng)

\(0 = \frac{1}{2}k{h^2} + \frac{1}{2}\left( {{m_1} + {m_2}} \right){v^2} - \left( {{m_1} + {m_2}} \right)gh \Rightarrow \frac{1}{2}\left( {{m_1} + {m_2}} \right){v^2} = \left( {{m_1} + {m_2}} \right)gh - \frac{1}{2}k{h^2}\) (1)

Bảo toàn cơ năng cho vật m₁ từ khi m₂ chạm đất (dây chùng) đến khi m­­₁ xuống vị trí thấp nhất

\(\frac{1}{2}k{h^2} + \frac{1}{2}{m_1}{v^2} - {m_1}gh = \frac{1}{2}k{s^2} - {m_1}gs \Rightarrow \frac{1}{2}{m_1}{v^2} = {m_1}g\left( {h - s} \right) + \frac{1}{2}k\left( {{s^2} - {h^2}} \right)\) (2)

Quãng đường vật m­₁ đi từ vị trí lò xo không biến dạng đến vị trí thấp nhất là

\(s = 4 + 2,3 = 6,3cm = 0,063m\)

Lấy \(\frac{{\left( 1 \right)}}{{\left( 2 \right)}} \Rightarrow \frac{{{m_1} + {m_2}}}{{{m_1}}} = \frac{{\left( {{m_1} + {m_2}} \right)gh - \frac{1}{2}k{h^2}}}{{{m_1}g\left( {h - s} \right) + \frac{1}{2}k\left( {{s^2} - {h^2}} \right)}}\)

\( \Rightarrow \frac{{0,1 + 0,3}}{{0,1}} = \frac{{\left( {0,1 + 0,3} \right).10.h - \frac{1}{2}.100.{h^2}}}{{0,1.10.\left( {h - 0,063} \right) + \frac{1}{2}.100.\left( {0,{{063}^2} - {h^2}} \right)}} \Rightarrow h \approx 0,06m = 6cm\). Chọn C