Câu 3 trang 43 SGK Vật Lý 12 Nâng cao

Đề bài

Tính thế năng, động năng và cơ năng của con lắc đơn ở một vị trí bất kì (li độ góc \(\alpha \)) và thử lại rằng cơ năng không đổi trong chuyển động.

Lời giải chi tiết

Xét con lắc đơn, ở một vị trí bất kì (có li độ góc \(\alpha \))

a) Biểu thức thế năng :    \({W_t} = mgh = mg\ell (1 - \cos \alpha )\)

Với dao động nhỏ :\(1 - \cos \alpha = {{{\alpha ^2}}  \over 2}\text{ và }\alpha = {s  \over \ell }.\)

Thay vào  \( \Rightarrow {W_t} = {1  \over 2}m{g  \over \ell }{s^2} = {1  \over 2}m{\omega ^2}{s^2}\)                   

b) Biểu thức động năng :\({W_đ} = {1  \over 2}m{v^2}\)

với \({v^2} = 2g\ell (\cos \alpha - \cos {\alpha _0}).\)

Dao động nhỏ :

\(1 - \cos \alpha = {{{\alpha ^2}}  \over 2};1 - \cos {\alpha _0} = {{\alpha _0^2}  \over 2}\) và \(\alpha = {s  \over \ell }.\)

Thay vào :\({W_đ} = {1  \over 2}m{\omega ^2}(s_0^2 - {s^2}).\)

c) Cơ năng :\(W = {W_đ} + {W_t} = {1  \over 2}m{\omega ^2}(s_0^2 - {s^2}) - {1  \over 2}m{\omega ^2}{s^2}\)

\( \Rightarrow {W} = {1  \over 2}m{\omega ^2}s_0^2\)  không đổi trong chuyển động.