Mục lục bài họcĐang ở d07-b3
← AP Physics 1
0/32 bài đã học xong
Chương 7 · Unit 7 — Oscillations · Bài 3/4 của chương · bài 27/32 của AP Physics 1

Energy in Simple Harmonic Motion

Năng lượng trong dao động điều hoà
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

One total, two forms

For a mass on a spring the total mechanical energy is fixed by the amplitude alone and shuttles between potential and kinetic:

$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2=\tfrac12mv_{\max}^2$$

Two consequences are tested constantly. First, doubling the amplitude quadruples the energy but only doubles the maximum speed, since $v_{\max}=A\omega=A\sqrt{k/m}$. Second, the speed at any position follows directly:

$$v=\sqrt{\frac{k}{m}\left(A^2-x^2\right)}=\omega\sqrt{A^2-x^2}$$

A $0{,}5$ kg block on a $200$ N/m spring with $A=0{,}1$ m has $E=\tfrac12(200)(0{,}01)=1$ J, $\omega=\sqrt{200/0{,}5}=20$ rad/s and $v_{\max}=0{,}1\times20=2$ m/s.

Reading the energy graph

Plotted against position, potential energy is a parabola $\tfrac12kx^2$ and kinetic energy is the same parabola flipped, $E-\tfrac12kx^2$; their sum is a horizontal line at $E$. The two curves cross where $U=K=\tfrac12E$, which happens at $x=\pm\frac{A}{\sqrt2}\approx\pm0{,}71A$ — not at $x=\pm A/2$. At half the amplitude, only a quarter of the energy is potential and three quarters is kinetic. Plotted against time, both energies oscillate at twice the frequency of the motion, because each reaches its maximum twice per cycle.

The pendulum version

For a simple pendulum the potential energy is gravitational, $U=mgL(1-\cos\theta)$, measured from the lowest point. Released from rest at angle $\theta_0$, the bob's speed at the bottom is $v=\sqrt{2gL(1-\cos\theta_0)}$ — energy conservation, not $F=ma$, is the tool, because the tension does no work. The spring formula $\tfrac12kA^2$ does not apply; the small-angle approximation only says the period is amplitude-independent, not the energy.

Giải thích tiếng Việt

Một tổng, hai dạng. Với con lắc lò xo, cơ năng chỉ do biên độ quyết định và chuyển qua lại giữa thế năng và động năng: $E=\tfrac12kA^2=\tfrac12kx^2+\tfrac12mv^2=\tfrac12mv_{\max}^2$. Hai hệ quả bị hỏi liên tục: gấp đôi biên độ thì năng lượng gấp bốn nhưng tốc độ cực đại chỉ gấp đôi, vì $v_{\max}=A\omega$; và tốc độ tại vị trí bất kỳ là $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}$. Vật $0{,}5$ kg trên lò xo $200$ N/m, $A=0{,}1$ m: $E=1$ J, $\omega=20$ rad/s, $v_{\max}=2$ m/s.

Đọc đồ thị năng lượng: vẽ theo vị trí, thế năng là parabol $\tfrac12kx^2$, động năng là parabol lật ngược $E-\tfrac12kx^2$, tổng là đường ngang ở $E$. Hai đường cắt nhau khi $U=K$, tại $x=\pm A/\sqrt2\approx\pm0{,}71A$ — không phải $\pm A/2$. Ở nửa biên độ chỉ một phần tư năng lượng là thế năng, ba phần tư là động năng. Vẽ theo thời gian, cả hai dạng năng lượng dao động với tần số gấp đôi tần số chuyển động, vì mỗi dạng đạt cực đại hai lần mỗi chu kỳ.

Bản con lắc đơn: thế năng là hấp dẫn, $U=mgL(1-\cos\theta)$ tính từ điểm thấp nhất. Thả từ nghỉ ở góc $\theta_0$, tốc độ ở đáy là $v=\sqrt{2gL(1-\cos\theta_0)}$ — dùng bảo toàn năng lượng vì lực căng không sinh công. Công thức $\tfrac12kA^2$ không áp dụng ở đây; xấp xỉ góc nhỏ chỉ nói chu kỳ không phụ thuộc biên độ, còn năng lượng thì có.

x−A+A0E = ½kA²U = ½kx²K = E − U0,71 A−0,71 AU = K = E/2
Hai parabol, một đường ngang. Thế năng (đỏ) chạm $0$ ở vị trí cân bằng và lên tới $E$ ở hai biên; động năng (xanh) làm đúng điều ngược lại; tổng luôn là đường đứt nét. Chấm xanh lá đánh dấu nơi hai đường cắt nhau — ở $\pm0{,}71A$, không phải nửa biên độ, vì $U$ đi theo $x^2$.
Ví dụ — tốc độ và gia tốc ở một vị trí bất kỳ

Vật $2$ kg gắn vào lò xo $k=50$ N/m, dao động trên mặt ngang không ma sát với biên độ $0{,}2$ m. (a) Cơ năng và tốc độ cực đại. (b) Tốc độ và độ lớn gia tốc khi vật cách vị trí cân bằng $0{,}1$ m. (c) Tại vị trí nào thì động năng bằng thế năng?

Giải.

(a)

$$E=\tfrac12kA^2=\tfrac12(50)(0{,}2^2)=1\ \text{J},\qquad v_{\max}=\sqrt{\frac{2E}{m}}=\sqrt{\frac{2(1)}{2}}=1\ \text{m/s}$$

(b) Ở $x=0{,}1$ m, thế năng $U=\tfrac12(50)(0{,}1^2)=0{,}25$ J, còn lại là động năng:

$$K=1-0{,}25=0{,}75\ \text{J}\ \Longrightarrow\ v=\sqrt{\frac{2(0{,}75)}{2}}\approx0{,}87\ \text{m/s}$$

Gia tốc lấy từ định luật hai với lực lò xo, không phải từ năng lượng:

$$a=\frac{kx}{m}=\frac{50(0{,}1)}{2}=2{,}5\ \text{m/s}^2\ \text{(hướng về vị trí cân bằng)}$$

(c) $U=K$ khi $\tfrac12kx^2=\tfrac12E=\tfrac14kA^2$:

$$x=\frac{A}{\sqrt2}=\frac{0{,}2}{\sqrt2}\approx0{,}14\ \text{m}$$

Ở nửa biên độ ($0{,}1$ m) động năng vẫn gấp ba thế năng — tốc độ ở đó là $87\%$ tốc độ cực đại, không phải một nửa.

Bẫy hay mất điểm — $U=K$ ở $A/\sqrt2$, không phải $A/2$ — vì thế năng đi theo $x^2$. Gấp đôi biên độ: năng lượng gấp bốn, $v_{\max}$ gấp đôi, chu kỳ không đổi; đề hay cho cả ba lựa chọn để thử. Đồ thị năng lượng theo thời gian có tần số gấp đôi tần số dao động — chọn đồ thị $K(t)$ có cùng chu kỳ với $x(t)$ là sai. Và con lắc đơn dùng $mgL(1-\cos\theta)$, không dùng $\tfrac12kA^2$; xấp xỉ góc nhỏ chỉ áp cho chu kỳ.
Phải nhớ — Cơ năng dao động điều hoà bằng $\tfrac12kA^2$ và chỉ phụ thuộc biên độ; tại mọi vị trí $U+K$ bằng số đó, nên $v=\omega\sqrt{A^2-x^2}$. Thế năng là parabol theo $x$, cắt động năng ở $\pm0{,}71A$, và theo thời gian cả hai dao động với tần số gấp đôi. Con lắc đơn dùng thế năng hấp dẫn $mgL(1-\cos\theta)$ và bảo toàn năng lượng vì lực căng không sinh công.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 7 — Oscillations gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →