Giải bài 1.9 trang 10 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức

Một con lắc lò xo, gồm một vật nặng có khối lượng (1) kg được gắn vào một lò xo được cố định một đầu, dao động điều hòa với biên độ (A = 0,24) m và chu kì (T = 4) giây. Vị trí (x) (mét) của vật tại thời điểm (t) được cho bởi (xleft( t right) = Acos left( {omega t} right)), trong đó (omega = frac{{2pi }}{T}) là tần số góc và thời gian (t) tính bằng giây. a) Tìm vị trí của vật tại thời điểm (t) và tại thời điểm (t = 0,5) giây. b) Tìm vận tốc (v) của vật tại thời đ

Đề bài

Một con lắc lò xo, gồm một vật nặng có khối lượng \(1\) kg được gắn vào một lò xo được cố định một đầu, dao động điều hòa với biên độ \(A = 0,24\) m và chu kì \(T = 4\) giây. Vị trí \(x\) (mét) của vật tại thời điểm \(t\) được cho bởi \(x\left( t \right) = A\cos \left( {\omega t} \right)\), trong đó \(\omega = \frac{{2\pi }}{T}\) là tần số góc và thời gian \(t\) tính bằng giây.

a) Tìm vị trí của vật tại thời điểm \(t\) và tại thời điểm \(t = 0,5\) giây.

b) Tìm vận tốc \(v\) của vật tại thời điểm \(t\) giây và tìm vận tốc của vật khi \(t = 0,5\) giây.

c) Tìm gia tốc \(a\) của vật.

d) Sử dụng định luật thứ hai của Newton \(F = ma\), tìm độ lớn và hướng của lực tác dụng lên vật khi \(t = 0,5\) giây.

e) Tìm thời gian tối thiểu để vật chuyển động từ vị trí ban đầu đến vị trí \(x = - 0,12\) m. Tìm vận tốc của vật khi \(x = - 0,12\) m.

Phương pháp giải - Xem chi tiết

- Tính tần số góc \(\omega \) theo công thức trong đề bài, sau đó thay vào công thức \(x\left( t \right)\)-vị trí của vật tại thời điểm \(t\).

Ý a: Tính \(x\left( {0,5} \right)\).

Ý b: Tìm công thức vận tốc \(v\left( t \right) = x'\left( t \right)\) sau đó tính vận tốc của vật tại thời điểm \(t = 0,5\) giây là \(v\left( {0,5} \right)\).

Ý c: Tính gia tốc \(a = v'\left( t \right)\).

Ý d: Tính \(F\left( {0,5} \right) = m \cdot a\left( {0,5} \right)\) với \(m = 1\). Lấy giá trị tuyệt đối của kết quả vừa tính ta thu được độ lớn của lực, còn hướng của lực dựa trên dấu của kết quả \(F\left( {0,5} \right)\) đã tính, nếu âm thì ngược hướng và ngược lại.

Ý e: Kiểm tra xem vị trí ban đầu \(x\left( 0 \right)\) có trùng với \(x = - 0,12\) không (so sánh). Nếu không trùng thì giải phương trình lượng giác \(x\left( t \right) = 0,24\cos \frac{{\pi t}}{2} = - 0,12\) để tìm \(t\), sau đó tìm xem \(t\) dương nhỏ nhất là bao nhiêu.

Lời giải chi tiết

Ta có \(\omega = \frac{{2\pi }}{T} = \frac{{2\pi }}{4} = \frac{\pi }{2}\). Suy ra \(x\left( t \right) = A\cos \left( {\omega t} \right) = 0,24\cos \frac{{\pi t}}{2}\)

a) Vị trí của vật tại thời điểm \(t = 0,5\) giây là \(x\left( {0,5} \right) = 0,24\cos \frac{{0,5\pi }}{2} = \frac{3}{{25}}\sqrt 2 \) (m)

b) Vận tốc của vật là \(v\left( t \right) = x'\left( t \right) = - 0,12\pi \sin \frac{{\pi t}}{2}\) (m/s).

Vận tốc của vật tại thời điểm \(t = 0,5\) giây là \(v\left( {0,5} \right) = - 0,12\pi \sin \frac{{0,5\pi }}{2} = \frac{{ - 3}}{{50}}\pi \sqrt 2 \) (m/s).

c) Gia tốc của vật là \(a = v'\left( t \right) = - \frac{3}{{50}}{\pi ^2}\cos \frac{{\pi t}}{2}\) (m/s²)

d) Lực tác dụng lên vật tại thời điểm \(t = 0,5\) giây là

\(F\left( {0,5} \right) = m \cdot a\left( {0,5} \right) = 1 \cdot \left( { - \frac{3}{{50}}{\pi ^2}\cos \frac{{\pi \cdot 0,5}}{2}} \right) = - \frac{{3{\pi ^2}\sqrt 2 }}{{100}}\) (N)

Vậy độ lớn của lực tác dụng lên vật tại thời điểm \(t = 0,5\) giây là \(\frac{{3{\pi ^2}\sqrt 2 }}{{100}}\) (N) và có hướng ngược với chiều dương của trục đã chọn.

e) Vị trí ban đầu của vật là \(x\left( 0 \right) = 0,24\) (m) do đó vị trí ban đầu không trùng với vị trí \(x = - 0,12\) m.

Xét vị trí \(x = - 0,12\) m ta có: \(x\left( t \right) = 0,24\cos \frac{{\pi t}}{2} = - 0,12 \Leftrightarrow \cos \frac{{\pi t}}{2} = - \frac{1}{2}\)

\( \Leftrightarrow \frac{{\pi t}}{2} = \frac{{2\pi }}{3} + k2\pi ,k \in \mathbb{Z}\) \( \Leftrightarrow t = \frac{4}{3} + 4k,k \in \mathbb{Z}\).

Ta có \(t > 0\), do đó \(t\) dương nhỏ nhất khi \(k = 0\) hay \(t = \frac{4}{3}\).

Vậy thời gian tối thiểu để vật chuyển động từ vị trí ban đầu đến vị trí \(x = - 0,12\) m là \(t = \frac{4}{3}\) giây.

Bình luận

Chia sẻ

Bình chọn:

4.9 trên 7 phiếu

Bài tiếp theo

Giải bài 1.10 trang 10 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Một vật chuyển động dọc theo một trục số nằm ngang, chiều dương từ trái sang phải. Giả sử vị trí của vật (x) (mét) từ thời điểm (t = 0) giây đến thời điểm (t = 5) giây được cho bởi công thức (xleft( t right)={{t}^{3}}-7{{t}^{2}}+11t+5). a) Xác định vận tốc (v) của vật. Xác định khoảng thời gian vật chuyển động sang phải và khoảng thời gian vật chuyển động sang trái. b) Tìm tốc độ của vật và thời điểm vật dừng lại. Tính tốc độ cực đại của vật trong khoảng thời gian từ (t = 1) đến
Giải bài 1.8 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Hàm chi phí và hàm doanh thu (đều tính bằng triệu đồng) của một loại sản phẩm lần lượt là (Cleft( x right) = 25,5x + 1000) và (Rleft( x right) = 75,5x), trong đó (x)là số đơn vị sản phẩm đó được sản xuất và bán ra. a) Tìm hàm lợi nhuận trung bình (bar Pleft( x right) = frac{{Rleft( x right) - Cleft( x right)}}{x}). b) Tìm lợi nhuận trung bình khi mức sản xuất (x) lần lượt là (100,{rm{ }}500) và (1{rm{ }}000) đơn vị sản phẩm. c) Xét tính đơn điệu của hàm lợi nhuận
Giải bài 1.7 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Một nhà phân phối đồ chơi trẻ em xác định hàm chi phí (Cleft( x right)) và hàm doanh thu (Rleft( x right)) (đều tính bằng trăm nghìn đồng) cho một loại đồ chơi như sau: (begin{array}{l}Cleft( x right) = 1,2x - 0,0001{x^2},0 le x le 6{rm{ }}000,Rleft( x right) = 3,6x - 0,0005{x^2},0 le x le 6{rm{ }}000,end{array}) Trong đó (x) là số lượng đồ chơi loại đó được sản xuất và bán ra. Xác định khoảng của (x) để hàm lợi nhuận (Pleft( x right) = Rleft( x right) - Cle
Giải bài 1.6 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Chứng minh rằng hàm số (fleft( x right) = sqrt[3]{{{x^2}}}) không có đạo hàm tại (x = 0) nhưng có cực tiểu tại điểm (x = 0).
Giải bài 1.5 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Tìm các giá trị của tham số (m) sao cho hàm số (y = {x^3} + m{x^2} + 3x + 2) đồng biến trên (mathbb{R}).
Giải bài 1.4 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Tìm các khoảng đơn điệu và các cực trị (nếu có) của các hàm số sau: a) (y = {x^4} - 2{x^2} + 3); b) (y = {x^2}ln x).
Giải bài 1.3 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Xét tính đơn điệu và tìm các cực trị (nếu có) của các hàm số sau: a) (y = x + frac{1}{x}); b) (y = frac{x}{{{x^2} + 1}}).
Giải bài 1.2 trang 9 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Tìm các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến và cực trị (nếu có) của các hàm số sau: a) (y = {x^3} - 9{x^2} - 48x + 52); b) (y = - {x^3} + 6{x^2} + 9).
Giải bài 1.1 trang 8 sách bài tập toán 12 - Kết nối tri thức
Cho hàm số \(f\left( x \right)\) xác định trên \(\mathbb{R}\) và đạo hàm \(f'\left( x \right)\) có đồ thị như hình bên. Sử dụng đồ thị của hàm số \(y = f'\left( x \right)\), hãy cho biết: a) Các khoảng đồng biến, khoảng nghịch biến của hàm số \(f\left( x \right)\); b) Hàm số \(f\left( x \right)\) có cực đại, cực tiểu không? Nếu có, hãy cho biết các điểm cực trị tương ứng.