Bài toán: Một hạt khối lượng $m$ chuyển động trong thế một chiều: \[V(x) = -\alpha x^2 + \beta x^4\] trong đó $\alpha$ và $\beta$ là các hằng số dương. Tìm tần số góc của dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng bền.

 Lời giải

          Để tìm tần số góc của dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng bền, ta có thể tiến hành như sau:          

        1. Tìm vị trí cân bằng bền: Để hạt ở vị trí cân bằng, lực tác dụng lên hạt phải bằng không. Do đó, ta cần tính đạo hàm của thế năng \( V(x) \) theo \( x \) và tìm vị trí mà lực \( F(x) = -\frac{dV}{dx} = 0 \).          

        Với: \[ V(x) = -\alpha x^2 + \beta x^4 \]                   Đạo hàm của \( V(x) \) theo \( x \) là: \[ \frac{dV}{dx} = -2\alpha x + 4\beta x^3 \]                 Để tìm vị trí cân bằng, ta giải phương trình: \[ -2\alpha x + 4\beta x^3 = 0 \]                   Ta có thể chia cả hai vế cho \( x \) (giả sử \( x \neq 0 \)): \[ -2\alpha + 4\beta x^2 = 0 \] \[ x^2 = \frac{\alpha}{2\beta} \]                   Vậy có hai vị trí cân bằng là: \[ x = \pm \sqrt{\frac{\alpha}{2\beta}} \]                   2. Xét dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng: Giả sử dao động nhỏ xảy ra quanh vị trí cân bằng \( x_0 = \sqrt{\frac{\alpha}{2\beta}} \).                   

         Khi đó, ta có thể khai triển thế năng \( V(x) \) quanh \( x_0 \) bằng cách lấy khai triển Taylor đến bậc hai của \( V(x) \) quanh \( x_0 \): \[ V(x) \approx V(x_0) + \frac{1}{2} V''(x_0) (x - x_0)^2 \]                  Trong đó, \( V''(x_0) \) là đạo hàm bậc hai của \( V(x) \) tại \( x_0 \), được tính như sau: \[ V''(x) = \frac{d^2V}{dx^2} = -2\alpha + 12\beta x^2 \] Thay \( x = x_0 = \sqrt{\frac{\alpha}{2\beta}} \): \[ V''(x_0) = -2\alpha + 12\beta \cdot \frac{\alpha}{2\beta} = -2\alpha + 6\alpha = 4\alpha \]                  3. Tính tần số góc: Với thế năng gần đúng là \( V(x) \approx V(x_0) + \frac{1}{2} V''(x_0) (x - x_0)^2 \), ta có hệ dao động điều hòa với tần số góc \( \omega \) xác định bởi: \[ \omega = \sqrt{\frac{V''(x_0)}{m}} \]                  Thay \( V''(x_0) = 4\alpha \): \[ \omega = \sqrt{\frac{4\alpha}{m}} = \frac{2\sqrt{\alpha}}{\sqrt{m}} \]         Vậy tần số góc của dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng bền là: \[ \omega = \frac{2\sqrt{\alpha}}{\sqrt{m}} \]

Last modified: Wednesday, 12 February 2025, 9:11 AM