Cho cơ hệ như hình vẽ. Vật m có khối lượng 500 g được đặt trên tấm ván M dài có khối lượng 200 g. Ván nằm trên mặt phẳng nằm ngang nhẵn và được nối với giá bằng một lò xo có độ cứng 20 N/m. Hệ số ma sát giữa m và M là 0,4. Ban đầu hệ đang đứng yên, lò xo không biến dạng. Kéo m chạy đều với tốc độ u = 50 cm/s. M đi được quãng đường bao nhiêu cho đến khi dừng lại lần đầu?

Đáp án D

Quá trình chuyển động của vật M có thể chia thành các giai đoạn như sau:

+ Giai đoạn 1: M dao động điều hòa dưới tác dụng của lực mat sát trượt từ vị trí ban đầu A đến vị trí B.

Tần số góc của dao động ω=kM=200,2=10rad/s

→ Biên độ dao động của vật trong giai đoạn này A1=Fmstk=μmgk=0,4.0,5.1020=10cm

+ Tốc độ của vật khi đi qua vị trí cân bằng O′ (Fdh = Fmst) vM = vMmax = ωA = 100 cm/s.

Ta để ý rằng u = 0,5vmax → tại vị trí x=32A1 thì vM = u → không còn chuyển động tương đối giữa hai vật → ma sát lúc này là ma sát nghỉ.

+ Giai đoạn 2: Hai vật M + m dính chặt vào nhau dao động điều hòa quanh vị trí lò xo không biến dạng.

Tần số góc của dao động trong giai đoạn này ω'=kM+m=200,2+0,5=5,3

→ Biên độ dao động của vật trong giai đoạn này: A2=A1−32A12+uω'2=10−532+505,32=9,5cm

+ Rõ ràng biên độ A2=Amax=μgω'2=0,4.105,32≈14 cm, nên trong giai đoạn trên không có sự trượt lên nhau giữa M và m.

→ Tổng quãng đường vật đi được là S = A2 = 9,5 cm.