Phương pháp giải:
Phương trình định luật II – Niutơn: \(\overrightarrow F = m\overrightarrow a \)
Công thức liên hệ s, v, a của chuyển động thẳng biến đổi đều: \({v^2} - v_0^2 = 2a.s\)
Sử dụng hệ thức độc lập: \({A^2} = {x^2} + \dfrac{{{v^2}}}{{{\omega ^2}}}\)
Tốc độ trung bình: \({v_{tb}} = \dfrac{S}{{\Delta t}}\)
Giải chi tiết:
Gắn hệ trục tọa độ như hình:
Khi m trượt xuống, ta có phương trình định luật II-Niutơn: \(\overrightarrow P + \overrightarrow N = m.\overrightarrow a \,\,\,\,\,\left( * \right)\)
Chiếu (*) theo phương Ox ta được: \({P_x} = ma\)
\( \Leftrightarrow mg.\sin \alpha = ma\)
\( \Rightarrow a = g.\sin \alpha = 10.\sin {30^0} = 5m/{s^2}\)
Vận tốc của vật khi đến dính chặt vào B là \(v\), ta có:
\({v^2} - v_0^2 = 2{\rm{a}}l \Leftrightarrow {v^2} - 0 = 2.5.\left( {2,{{5.10}^{ - 2}}} \right)\)
\( \Rightarrow v = 0,5m/s\)
Độ nén của lò xo tại vị trí cân bằng khi gắn thêm m là:
\(\Delta l = \dfrac{{mg\sin \alpha }}{k} = \dfrac{{1.10.\sin {{30}^0}}}{{100}} = 0,05m = 5cm\)
Tần số góc của dao động:
\(\omega = \sqrt {\dfrac{k}{m}} = \sqrt {\dfrac{{100}}{1}} = 10rad/s\)
Biên độ dao động: \({A^2} = \sqrt {\Delta {l^2} + \dfrac{{{v^2}}}{{{\omega ^2}}}} \)
\( \Rightarrow A = \sqrt {0,{{05}^2} + {{\left( {\dfrac{{0,5}}{{10}}} \right)}^2}} = 0,05\sqrt 2 m = 5\sqrt 2 cm\)
Vị trí lò xo bị biến dạng cực đại là vị trí biên dưới.
Quãng đường vật đi được từ thời điểm vật bắt đầu dao động đến thời điểm đầu tiên lò xo bị biến dạng cực đại:
\(S = \Delta l + A = 5 + 5\sqrt 2 \,\,\left( {cm} \right)\)
Thời gian vật đi hết quãng đường đó là:
\(\Delta t = \dfrac{T}{8} + \dfrac{T}{4} = \dfrac{{3\pi }}{{40}}s\)
Tốc độ trung bình của vật:
\({v_{tb}} = \dfrac{S}{{\Delta t}} = \dfrac{{5 + 5\sqrt 2 }}{{\dfrac{{3\pi }}{{20}}}} = 51,23cm/s\)