Một con lắc đơn dao động với biên độ \({\alpha _0} < \frac{\pi }{2}\), có mốc thế năng được chọn tại vị trí cân bằng của vật nặng. Gọi độ lớn vận tốc của vật nặng khi động năng bằng thế năng là v₁, khi độ lớn của lực căng dây treo bằng trọng lực tác động lên vật là v₂ . Tỉ số \(\frac{{{v_1}}}{{{v_2}}}\) có giá trị nào sau đây?

Đáp án D

Phương pháp giải:

Công thức tính độ lớn vận tốc và lực căng dây: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{v = \sqrt {2gl\left( {\cos \alpha - \cos {\alpha _0}} \right)} }\\{T = mg.\left( {3\cos \alpha - 2\cos {\alpha _0}} \right)}\end{array}} \right.\)

Công thức tính cơ năng, thế năng và động năng: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{\rm{W}} = mgl.\left( {1 - \cos {\alpha _0}} \right)}\\{{{\rm{W}}_t} = mgl.\left( {1 - \cos \alpha } \right)}\\{{{\rm{W}}_d} = {\rm{W}} - {{\rm{W}}_t}}\end{array}} \right.\)

Theo bài ra ta có: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{{\rm{W}}_t} = {{\rm{W}}_d} \Rightarrow {v_1}}\\{T = P \Rightarrow {v_2}}\end{array}} \right. \Rightarrow \frac{{{v_1}}}{{{v_2}}}\).

Giải chi tiết:

+ Khi động năng bằng thế năng: \[{{\rm{W}}_t} = {\rm{W}} - {{\rm{W}}_t}\]

\[ \Leftrightarrow mgl.\left( {1 - \cos {\alpha _1}} \right) = mgl.\left( {1 - \cos {\alpha _0}} \right) - mgl.\left( {1 - \cos {\alpha _1}} \right)\]

\[ \Leftrightarrow 1 - \cos {\alpha _1} = \cos {\alpha _1} - \cos {\alpha _0}\]

\[ \Leftrightarrow \cos {\alpha _1} = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}.\cos {\alpha _0}\]

+ Khi độ lớn của lực căng dây treo bằng trọng lực tác động lên vật:

\[mg.\left( {3\cos {\alpha _2} - 2\cos {\alpha _0}} \right) = mg\]

\[ \Leftrightarrow 3\cos {\alpha _2} - 2\cos {\alpha _0} = 1 \Leftrightarrow \cos {\alpha _2} = \frac{1}{3} + \frac{2}{3}.\cos {\alpha _0}\]

+ Suy ra: \[\frac{{{v_1}}}{{{v_2}}} = \frac{{\sqrt {2gl\left( {\cos {\alpha _1} - \cos {\alpha _0}} \right)} }}{{\sqrt {2gl\left( {\cos {\alpha _2} - \cos {\alpha _0}} \right)} }} = \sqrt {\frac{{\cos {\alpha _1} - \cos {\alpha _0}}}{{\cos {\alpha _2} - \cos {\alpha _0}}}} \]

\[ = \sqrt {\frac{{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}.\cos {\alpha _0} - \cos {\alpha _0}}}{{\frac{1}{3} + \frac{2}{3}.\cos {\alpha _0} - \cos {\alpha _0}}}} = \sqrt {\frac{{\frac{1}{2}\left( {1 - \cos {\alpha _0}} \right)}}{{\frac{1}{3}\left( {1 - \cos {\alpha _0}} \right)}}} = \sqrt {\frac{3}{2}} \].