Cho hai mạch dao động \(LC\) có cùng tần số. Điện tích cực đại của tụ ở mạch thứ nhất và thứ hai lần lượt là \({Q_1}\) và \({Q_2}\) thỏa mãn \({Q_1} + {\rm{ }}{Q_2} = {\rm{ }}{8.10^{ - 6}}\). Tại một thời điểm mạch thứ nhất có điện tích và cường độ dòng điện là \({q_1}\) và \({i_1}\), mạch thứ hai có điện tích và cường độ dòng điện là \({q_2}\) và \({i_2}\) thỏa mãn \({q_1}{i_2} + {\rm{ }}{q_2}{i_1} = {\rm{ }}{6.10^{ - 9}}\). Giá trị nhỏ nhất của tần số dao động ở hai mạch là:
Phương pháp giải
- Cách 1:
+ Vận dụng biểu thức: \(i = q'\)
+ Viết phương trình điện tích, cường độ dòng điện
+ Sử dụng bất đẳng thức Cô – si
+ Sử dụng điều kiện của hàm số cos \(\left| {{\rm{cosx}}} \right| \le 1\)
+ Sử dụng biểu thức liên hệ giữa tần số góc và tần số: \(\omega = 2\pi f\)
- Cách 2: Sử dụng công thức vuông pha của q và i trong dao động LC kết hợp với bất đẳng thức Cô –si và Bu – nhi – a – cốp – xki để nhận xét
Lời giải của Tự Học 365
- Cách 1:
Gọi độ lệch pha giữa \({q_1}\) và \({q_2}\) là \(\Delta \varphi \), tại thời điểm \({q_1} = 0\) thì ${i_1} = {I_{01}} = \omega {Q_{01}}$ và \({q_2} = {Q_{02}}{\rm{cos}}\left( {\Delta \varphi } \right)\)
Thay vào phương trình \({q_1}{i_2} + {\rm{ }}{q_2}{i_1} = {\rm{ }}{6.10^{ - 9}}\) ta có:
\({Q_1}{Q_2}\omega c{\rm{os}}\Delta \varphi {\rm{ = 6}}{\rm{.1}}{{\rm{0}}^{{\rm{ - 9}}}} \Rightarrow \omega = \dfrac{{{{6.10}^{ - 9}}}}{{{Q_1}{Q_2}.c{\rm{os}}\Delta \varphi }}\)
Mặt khác ta có:
\({Q_1} + {Q_2} \geqslant 2\sqrt {{Q_1}{Q_2}} \Rightarrow {Q_1}{Q_2} \leqslant \dfrac{{{{\left( {{Q_1} + {Q_2}} \right)}^2}}}{4} = \dfrac{{{{\left( {{{8.10}^{ - 6}}} \right)}^2}}}{4} = 1,{6.10^{ - 11}}\)
Lại có: \(\left| {c{\rm{os}}\Delta \varphi } \right| \le 1\)
\( \to \omega \ge \dfrac{{{{6.10}^{ - 9}}}}{{{{1,6.10}^{ - 11}}}} = 375\) (1)
Thêm vào đó, ta có: \(\omega = 2\pi f \to f = \dfrac{\omega }{{2\pi }}\) (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra: $f \geqslant \dfrac{{375}}{{2\pi }} = 59,68Hz$
- Cách 2:
Ta có: \({Q_1}.{Q_2} = \sqrt {q_1^2 + {{\left( {\dfrac{{{i_1}}}{\omega }} \right)}^2}} .\sqrt {{{\left( {\dfrac{{{i_2}}}{\omega }} \right)}^2} + q_2^2} \geqslant \dfrac{{{q_1}{i_2}}}{\omega } + \dfrac{{{q_2}{i_1}}}{\omega } = \dfrac{{{{6.10}^{ - 9}}}}{\omega }(1)\) (bất đẳng thức Bu-nhi-a-cốp-xki)
Mà \(\dfrac{{{Q_1} + {Q_2}}}{2} \ge \sqrt {{Q_1}.{Q_2}} \Leftrightarrow {\left( {\dfrac{{{Q_1} + {Q_2}}}{2}} \right)^2} \ge {Q_1}.{Q_2} \Leftrightarrow {\left( {\dfrac{{{{8.10}^{ - 6}}}}{2}} \right)^2} \ge {Q_1}.{Q_2}(2)\) (bất đẳng thức Cô-si)
Từ (1) và (2) =>\({\left( {\dfrac{{{{8.10}^{ - 6}}}}{2}} \right)^2} \ge \dfrac{{{{6.10}^{ - 9}}}}{\omega } \Rightarrow \omega \ge \dfrac{{{{4.6.10}^{ - 9}}}}{{{{64.10}^{ - 12}}}} = 375(rad/s)\)
Thêm vào đó, ta có: $\omega = 2\pi f \to f = \dfrac{\omega }{{2\pi }}$ (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra: \(f \ge \dfrac{{375}}{{2\pi }} = 59,68Hz\)
Đáp án cần chọn là: d
Vật lý Lớp 12