Câu hỏi
Một đồng hồ quả lắc chạy đúng trên mặt đất. Đưa con lắc xuống giếng sâu \(d\), coi nhiệt độ không thay đổi, đồng hồ
- A chạy nhanh
- B chạy chậm
- C chạy đúng
- D không thể kết luận
Phương pháp giải:
Chu kì của con lắc đơn: \(T = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{g}} \)
Gia tốc trọng trường: \(g = \dfrac{{GM}}{{{R^2}}}\)
Khối lượng Trái Đất: \(M = \rho V = \rho .\dfrac{4}{3}\pi {R^3}\)
Lời giải chi tiết:
Chu kì của con lắc chạy đúng trên mặt đất là:
\(T = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{g}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{{GM}}{{{R^2}}}}}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{{l{R^2}}}{{G.\rho \dfrac{4}{3}\pi {R^3}}}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{4}{3}\pi G.\rho R}}} \)
Ở độ sâu \(d\), con lắc chịu gia tốc trọng trường của khối cầu có bán kính \(\left( {R - d} \right)\).
Coi như Trái Đất là đống tính, khối lượng của khối cầu khi đó là: \(M' = \rho .\dfrac{4}{3}\pi {\left( {R - d} \right)^3}\)
Chu kì của con lắc ở độ sâu \(d\) là:
\(\begin{array}{l}T' = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{g'}}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{{GM'}}{{{{\left( {R - d} \right)}^2}}}}}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{{l{{\left( {R - d} \right)}^2}}}{{G.\rho \dfrac{4}{3}\pi {{\left( {R - d} \right)}^3}}}} = 2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{4}{3}\pi G.\rho \left( {R - d} \right)}}} \\ \Rightarrow \dfrac{{T'}}{T} = \dfrac{{2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{4}{3}\pi G\rho \left( {R - d} \right)}}} }}{{2\pi \sqrt {\dfrac{l}{{\dfrac{4}{3}\pi G\rho R}}} }} = \sqrt {\dfrac{R}{{R - d}}} > 1 \Rightarrow T' > T\end{array}\)
Vậy chu kì của con lắc tăng, đồng hồ chạy chậm.
Thời gian đồng hồ chạy sai là:
\(\begin{array}{l}\dfrac{{T'}}{T} = \sqrt {\dfrac{R}{{R - d}}} = \sqrt {\dfrac{1}{{1 - \dfrac{d}{R}}}} = {\left( {1 - \dfrac{d}{R}} \right)^{ - \dfrac{1}{2}}} \approx 1 + \dfrac{1}{2}\dfrac{d}{R} = 1 + \dfrac{d}{{2R}}\\ \Rightarrow \dfrac{{\Delta T}}{T} = \dfrac{{T' - T}}{T} = \dfrac{{T'}}{T} - 1 = \dfrac{d}{{2R}}\end{array}\)
Chọn B.