Câu hỏi: Có hai con lắc lò xo giống nhau đều có khối lượng vật nhỏ là m. Mốc thế năng tại vị trí cân bằng ${{\pi }^{2}}=10.{{x}_{1}},{{x}_{2}}$ lần lượt là đồ thị li độ theo thời gian của con lắc thứ nhất và thứ hai như hình vẽ. Tại thời điểm t con lắc thứ nhất có động năng 0,06J và con lắc thứ hai có thế năng 0,005J. Giá trị của khối lượng m là:

A. 100g
B. 200g
C. 500g
D. 400g

A. 100g
B. 200g
C. 500g
D. 400g
Phương pháp:
Công thức tính cơ năng: $W={{W}_{d}}+{{W}_{t}}=\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}}+\dfrac{1}{2}k{{x}^{2}}=\dfrac{1}{2}m{{\omega }^{2}}{{A}^{2}}$
Cách giải:
Phương trình dao động của hai con lắc: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{x}_{1}}={{A}_{1}}\cos \left( {{\omega }_{1}}t+{{\varphi }_{1}} \right) \\
{{x}_{2}}={{A}_{2}}\cos \left( {{\omega }_{2}}t+{{\varphi }_{1}} \right) \\
\end{array} \right.$
Từ đồ thị ta thấy: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{T}_{1}}={{T}_{2}}=1s\Rightarrow {{\omega }_{1}}={{\omega }_{2}}=2\pi (rad\text{/s}) \\
{{A}_{1}}=10cm \\
{{A}_{2}}=5cm \\
\end{array} \right.$
Tại thời điểm ban đầu, cả hai con lắc đều đi qua VTCB theo chiều dương nên: ${{\varphi }_{1}}={{\varphi }_{2}}=-\dfrac{\pi }{2}$
$\Rightarrow \left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{x}_{1}}=10\cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm) \\
{{x}_{2}}=5\cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm) \\
\end{array} \right.$
Phương trình vận tốc của hai con lắc: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{v}_{1}}=-20\pi \cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm\text{/s}) \\
{{v}_{2}}=-10\pi \cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm\text{/s}) \\
\end{array} \right.$
$\Rightarrow {{v}_{1}}=2{{v}_{2}}\Rightarrow \dfrac{{{W}_{\tilde{n}1}}}{{{W}_{\tilde{n}2}}}=\dfrac{v_{1}^{2}}{v_{2}^{2}}=4=\dfrac{0,06}{{{W}_{\tilde{n}2}}}\Rightarrow {{W}_{\tilde{n}2}}=0,015J$
Lại có: $W=\dfrac{1}{2}m{{\omega }_{2}}^{2}A_{2}^{2}\Rightarrow m=\dfrac{2W}{{{\omega }_{2}}^{2}A_{2}^{2}}=\dfrac{2.0,02}{{{(2\pi )}^{2}}.0,{{05}^{2}}}=0,4kg=400g$
Công thức tính cơ năng: $W={{W}_{d}}+{{W}_{t}}=\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}}+\dfrac{1}{2}k{{x}^{2}}=\dfrac{1}{2}m{{\omega }^{2}}{{A}^{2}}$
Cách giải:
Phương trình dao động của hai con lắc: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{x}_{1}}={{A}_{1}}\cos \left( {{\omega }_{1}}t+{{\varphi }_{1}} \right) \\
{{x}_{2}}={{A}_{2}}\cos \left( {{\omega }_{2}}t+{{\varphi }_{1}} \right) \\
\end{array} \right.$
Từ đồ thị ta thấy: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{T}_{1}}={{T}_{2}}=1s\Rightarrow {{\omega }_{1}}={{\omega }_{2}}=2\pi (rad\text{/s}) \\
{{A}_{1}}=10cm \\
{{A}_{2}}=5cm \\
\end{array} \right.$
Tại thời điểm ban đầu, cả hai con lắc đều đi qua VTCB theo chiều dương nên: ${{\varphi }_{1}}={{\varphi }_{2}}=-\dfrac{\pi }{2}$
$\Rightarrow \left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{x}_{1}}=10\cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm) \\
{{x}_{2}}=5\cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm) \\
\end{array} \right.$
Phương trình vận tốc của hai con lắc: $\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}
{{v}_{1}}=-20\pi \cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm\text{/s}) \\
{{v}_{2}}=-10\pi \cos \left( 2\pi t-\dfrac{\pi }{2} \right)(cm\text{/s}) \\
\end{array} \right.$
$\Rightarrow {{v}_{1}}=2{{v}_{2}}\Rightarrow \dfrac{{{W}_{\tilde{n}1}}}{{{W}_{\tilde{n}2}}}=\dfrac{v_{1}^{2}}{v_{2}^{2}}=4=\dfrac{0,06}{{{W}_{\tilde{n}2}}}\Rightarrow {{W}_{\tilde{n}2}}=0,015J$
Lại có: $W=\dfrac{1}{2}m{{\omega }_{2}}^{2}A_{2}^{2}\Rightarrow m=\dfrac{2W}{{{\omega }_{2}}^{2}A_{2}^{2}}=\dfrac{2.0,02}{{{(2\pi )}^{2}}.0,{{05}^{2}}}=0,4kg=400g$
Đáp án D.