Con lắc lò xo là nội dung kiến thức nằm trong môn học Vật lý lớp 12 mà các em cần nắm rõ nếu muốn đạt được điểm cao ở bộ môn này. Sau đây Học Thông Minh sẽ giúp các em hệ thống lại khái niệm,cấu tạo, khảo sát dao động của con lắc lò xo để tự tin “chinh chiến” mọi bài tập từ cơ bản đến nâng cao nhé.

kiến thức cơ bản con lắc lò xo
Nội dung kiến thức cơ bản về con lắc lò xo

1. Khái niệm về con lắc lò xo

Con lắc lò xo là một hệ gồm vật nặng kích thước nhỏ có khối lượng m được gắn vào một đầu lò xo, có độ cứng k, đầu còn lại của con lắc được gắn hoặc treo vào một điểm cố định. Con lắc có thể dao động theo phương ngang, theo phương thẳng đứng hoặc theo phương của một dốc nghiêng.

Dựa vào định nghĩa trên ta có 3 loại con lắc dạng lò xo:

  • Con lắc nằm ngang: Đây là dạng bài các em cần học kỹ
  • Con lắc lò xo treo thẳng đứng: Trong quá trình học ta chỉ cần khảo sát con lắc treo theo phương thẳng đứng bởi dạng này thường xuất hiện trong đề thi THPT quốc gia.
  • Con lắc nằm nghiêng: Phần này ta có thể lược bỏ vì không xuất hiện trong đề thi của vài năm trở lại đây

 

2. Cấu tạo của một con lắc dạng lò xo

Một con lắc lò xo gồm vật nặng có kích thước nhỏ với khối lượng m được gắn vào một đầu lò xo, có độ cứng k. Đầu kia của lò xo được giữ cố định. Vật m có thể trượt trên một mặt phẳng nằm ngang không có ma sát. Vị trí cân bằng của vật là vị trí kho lò xo không bị biến dạng. Vật sẽ đứng yên mãi ở vị trí này nếu ban đầu nó cũng đứng yên.

Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng để lò xo dãn ra sau đó buông tay thì ta sẽ thấy vật dao động trên một đoạn thẳng ở xung quanh vị trí cân bằng.

 

3. Khảo sát dao động của con lắc lò xo về mặt động lực học

Để đánh giá mức độ dao động của con lắc dạng lò xo về mặt động lực học, ta chọn trục tọa độ x song song với trục của lò xo, chiều dương là chiều tăng độ dài l của lò xo. Chọn gốc tọa độ O tại vị trí cân bằng, giả sử vật có li độ x.

Vì trọng lực phản lực của mặt phẳng tác dụng vào vật cân bằng nhau, nên hợp lực tác dụng vào vật chỉ là lực đàn hồi của lò xo. Bên cạnh đó, tại vị trí vật có li độ x thì độ biến dạng của lò xo cũng bằng x (delta l = x). Lực đàn hồi của lò xo Fđh = k.Δl và được viết diễn giải dưới dạng số như sau:

F = ma = -kx hoặc a = (k/m).x

Trong đó:

  • F: là lực tác dụng lên m (N)
  • x: là li độ của vật (m)
  • k: độ cứng của lò xo (N/m)

Dấu (-) trong công thức có ý nghĩa rằng lực F luôn hướng về vị trí cân bằng.

Ta có: w2 = k/m => a + w2.x = 0

Dao động của con lắc ở dạng lò xo được hiểu là dao động điều hòa: 

  • Tần số góc: ω = √k/m
  • Chu kỳ T = 2π√k/m

Theo đó lực luôn hướng về vị trí căn bằng gọi là lực kéo, lực kéo về có độ lớn tỉ lệ với li độ và là lực gây ra gia tốc cho vật dao động điều hòa. Ngoài ra các bạn có thể tham khảo những công thức về con lắc lò xo dưới đây và áp dụng để giải nhanh mọi bài tập:

con lắc lò xo
Công thức con lắc lò xo

Có thể bạn quan tâm: cách học thuộc công thức lý 12

 

4. Khảo sát dao động của con lắc dạng lò xo về mặt năng lượng

 

4.1 Động năng của con lắc dạng lò xo

Động năng của con lắc lò xo có độ lớn bằng với động năng của vật m:

wđ = ½.mv2

 

4.2 Thế năng của con lắc dạng lò xo

Ở kiến thức cũ lớp 10 ta đã biết, khi lò xo bị biến dạng thì hệ gồm lò xo và con lắc, có thế năng đàn hồi Wt = 1/2.k (Δl^2)

Thay Δl = x vào ta có công thức chuẩn để tính thế năng của con lắc như sau:

Wt = 1/2.k.x2

 

4.3 Cơ năng của con lắc 

Cơ năng của con lắc là tổng hợp giữa thế năng và động năng của con lắc

W = 1/2.m.v2 + 1/2.k.x2

Ta có thể suy ra rằng khi không có ma sát thì cơ năng của con lắc luôn được bảo toàn. Nó chỉ biến đổi từ dạng thế năng thành động năng và ngược lại.

W = 1/2.k.A2 = 1/2.m.w2.A2 = const

Ngoài ra:

  • Một vật dao động điều hòa với tần số góc, chu kỳ T và tần số f thì động năng và thế năng biến thiên tuần hoàn với tần số góc w’, tần số f’ và chu kỳ T’ với mối liên hệ:
  • w’ = 2w, T’ = T/2, f’ = 2f.
  • Khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần liên tiếp động năng bằng thế năng là T/4y
  • Khoảng thời gian 2 lần liên tiếp động năng và thế năng bằng không là T/2
  • Khi con lắc dạng lò xo dao động mà chiều dài của lò xo thay đổi từ chiều dài cực tiểu lmin sang chiều dài cực đại lmax thì:
  • Biên độ: A = (lmax – lmin)/2
  • Chiều dài lúc cân bằng: lcb = lo + delta l = (lmax + lmin)/2

 

cơ năng con lắc lò xo
Cơ năng con lắc lò xo

>>Làm ngay bài tập năng lượng con lắc lò xo

 

5. Bài tập con lắc lò xo

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là không đúng với con lắc lò xo ngang?

  1. Chuyển động của vật là chuyển động thẳng.
  2. Chuyển động của vật là chuyển động biến đổi đều.
  3. Chuyển động của vật là chuyển động tuần hoàn.
  4. Chuyển động của vật là một dao động điều hoà.

Câu 2: Con lắc lò xo ngang dao động điều hoà, vận tốc của vật bằng không khi vật chuyển động qua

  1. vị trí cân bằng.
  2. vị trí vật có li độ cực đại.
  3. vị trí mà lò xo không bị biến dạng.
  4. vị trí mà lực đàn hồi của lò xo bằng không.

Câu 3: Một vật nặng treo vào một lò xo làm lò xo giãn ra 0,8 cm. Lấy g = 10 m/s2. Chu kỳ dao động của vật là:

  1. T = 0,178 s.
  2. T = 0,057 s.
  3. T = 222 s.
  4. T = 1,777 s

Câu 4: Trong dao động điều hoà của con lắc lò xo, phát biểu nào sau đây là không đúng?

  1. Lực kéo về phụ thuộc vào độ cứng của lò xo.
  2. Lực kéo về phụ thuộc vào khối lượng của vật nặng.
  3. Gia tốc của vật phụ thuộc vào khối lượng của vật.
  4. Tần số góc của vật phụ thuộc vào khối lượng của vật.

Câu 5: Con lắc lò xo dao động điều hoà, khi tăng khối lượng của vật lên 4 lần thì tần số dao động của vật

  1. tăng lên 4 lần.
  2. giảm đi 4 lần.
  3. tăng lên 2 lần.
  4. giảm đi 2 lần.

Ngoài ra các bạn có thể tham khảo bài tập trắc nghiệm online con lắc lò xo bằng cách ấn nút làm bài nhé!

Trên đây là toàn bộ nội dung và bài tập liên quan đến con lắc lò xo của Học Thông Minh gửi đến các bạn. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các bạn nắm rõ lượng kiến thức cần thiết để luôn đạt được điểm cao ở mọi dạng câu hỏi, đề thi nhé. Ghé qua trang luyện thi trắc nghiệm online để nắm vững mọi kiến thức có liên quan bạn nhé.