Câu hỏi
Một con lắc đơn có khối lượng vật nặng là m = 100g, sợi dây mảnh. Từ vị trí cân bằng kéo vật sao cho dây treo hợp với phương thẳng đứng góc 600 rồi thả nhẹ. Lấy\(g = 10m/{s^2}\), bỏ qua mọi lực cản. Khi độ lớn gia tốc của con lắc có giá trị nhỏ nhất thì lực căng sợi dây có độ lớn
- A 1,5N.
- B 2,0N.
- C 0,5N.
- D 1,0N.
Phương pháp giải:
+ Lực căng dây: \(T = mg\left( {3.\cos \alpha - 2.\cos {\alpha _0}} \right)\)
+ Gia tốc của con lắc đơn:
Gia tốc tiếp tuyến: \({a_t} = - g.\sin \alpha \)
Gia tốc pháp tuyến: \({a_n} = 2g.\left( {\cos \alpha - \cos {\alpha _0}} \right)\)
Gia tốc toàn phần: \(a = \sqrt {a_t^2 + a_n^2} = \sqrt {{g^2}.{{\sin }^2}\alpha + 4{g^2}.{{\left( {\cos \alpha - \cos {\alpha _0}} \right)}^2}} \)
Lời giải chi tiết:
Gia tốc của con lắc đơn:
\(\begin{array}{*{20}{l}}
\begin{gathered}
a = \sqrt {a_t^2 + a_n^2} \hfill \\
\,\, = \sqrt {{g^2}.{{\sin }^2}\alpha + 4{g^2}.{{\left( {\cos \alpha - \cos {\alpha _0}} \right)}^2}} \hfill \\
\end{gathered} \\
\begin{gathered}
{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} = g\sqrt {{{\sin }^2}\alpha + 4{{\left( {\cos \alpha - \cos 60} \right)}^2}} \hfill \\
\,\, = 10.\sqrt {{{\sin }^2}\alpha + 4\left( {{{\cos }^2}\alpha - \cos \alpha + {{0,5}^2}} \right)} \hfill \\
\end{gathered} \\
{{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} = 10\sqrt {{{\sin }^2}\alpha + 4{{\cos }^2}\alpha - 4\cos \alpha + 1} } \\
{{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} = 10\sqrt {{{\sin }^2}\alpha + {{\cos }^2}\alpha + 3{{\cos }^2}\alpha - 4\cos \alpha + 1} } \\
{{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} = 10\sqrt {3{{\cos }^2}\alpha - 4\cos \alpha + 2} }
\end{array}\)
Ta có: \(3{\cos ^2}\alpha - 4\cos \alpha + 2 = {\left( {\sqrt 3 \cos \alpha - \dfrac{2}{{\sqrt 3 }}} \right)^2} + \dfrac{2}{3} \ge \dfrac{2}{3}\)
\( \Rightarrow {a_{\min }} \Leftrightarrow {\left( {3{{\cos }^2}\alpha - 4\cos \alpha + 2} \right)_{\min }} = \dfrac{2}{3}\)
Dấu “=” xảy ra khi \(\sqrt 3 \cos \alpha = \dfrac{2}{{\sqrt 3 }} \Rightarrow \cos \alpha = \dfrac{2}{3}\)
Khi đó lực căng dây có độ lớn:
\(T = mg\left( {3.\cos \alpha - 2.\cos {\alpha _0}} \right) = 0,1.10.\left( {3.\dfrac{2}{3} - 2.\cos 60} \right) = 1N\)
Chọn D.