Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 33: Biến dạng của vật rắn

Khởi động trang 128 Vật Lí 10: Bungee là một trò chơi mạo hiểm được nhiều người yêu thích. Em có biết trò chơi này được thực hiện dựa trên hiện tượng vật lí nào không?

Lời giải:

Bungee là trò chơi mạo hiểm dựa trên hiện tượng biến dạng đàn hồi của dây treo.

I. Biến dạng đàn hồi. Biến dạng kéo và biến dạng nén

Hoạt động trang 128 Vật Lí 10: Hãy làm các thí nghiệm về biến dạng sau đây:

- Ép quả bóng cao su vào bức tường (Hình 33.1a).

- Nén lò xo dọc theo trục của nó (Hình 33.1b).

- Kéo hai đầu lò xo dọc theo trục của nó (Hình 33.1c).

- Kéo cho vòng dây cao su dãn ra (Hình 33.1d).

1. Trong mỗi thí nghiệm trên, em hãy cho biết:

- Lực nào làm vật biến dạng?

- Biến dạng nào là biến dạng kéo? Biến dạng nào là biến dạng nén?

- Mức độ biến dạng phụ thuộc vào yếu tố nào?

2. Trong thí nghiệm với lò xo và vòng dây cao su, nếu lực kéo quá lớn thì khi thôi tác dụng lực, chúng có trở về hình dạng, kích thước ban đầu được không?

Lời giải:

1. Hình a và b: Lực làm vật biến dạng là lực nén. Biến dạng này là biến dạng nén.

Hình c và d: Lực làm vật biến dạng là lực kéo. Biến dạng này là biến dạng kéo.

Mức độ biến dạng phụ thuộc vào độ lớn của ngoại lực tác dụng và chất làm vật.

2. Trong thí nghiệm với lò xo và vòng dây cao su, nếu lực kéo quá lớn thì khi thôi tác dụng lực, chúng không thể trở về hình dạng, kích thước ban đầu được.

II. Lực đàn hồi. Định luật Hooke

Hoạt động trang 129 Vật Lí 10: Với các dụng cụ sau đây: giá đỡ thí nghiệm; các lò xo; hộp quả cân; thước đo.

- Thiết kế và thực hiện phương án thí nghiệm tìm mối quan hệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo.

- Hãy thể hiện kết quả trên đồ thị về sự phụ thuộc của lực đàn hồi vào độ biến dạng của lò xo.

- Thảo luận và nhận xét kết quả thu được.

Lời giải:

Các em tham khảo các bước tiến hành thí nghiệm để tự mình thực hiện.

- Thiết kế phương án thí nghiệm:

Bước 1: Treo lò xo lên giá đỡ thí nghiệm và dùng thước đo chiều dài của lò xo khi đó.

Bước 2: Treo 1 quả cân lên đầu còn lại của lò xo. Đo chiều dài của lò xo khi đó. Làm tương tự với treo 2 quả cân, 3 quả cân, 4 quả cân.

Bước 3: Điền vào bảng số liệu sau đó vẽ đồ thị.

- Đồ thị tham khảo từ bảng số liệu về sự phụ thuộc của lực đàn hồi vào độ biến dạng của lò xo:

- Nhận xét: Khi độ biến dạng tăng thì lực đàn hồi cũng tăng, đồ thị là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (đoạn OA) chứng tỏ lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng.

Khi vượt quá giới hạn đàn hồi (điểm A) thì khi đó lực đàn hồi không tỉ lệ thuận với độ biến dạng nữa.

Câu hỏi 1 trang 129 Vật Lí 10: Em hãy cho biết loại biến dạng trong mỗi trường hợp sau:

a) Cột chịu lực trong tòa nhà.

b) Cánh cung khi kéo dây cung.

Lời giải:

a. Cột chịu lực trong tòa nhà: cột bị biến dạng nén.

b. Cánh cung khi kéo dây cung: cánh cung bị biến dạng kéo.

Câu hỏi 2 trang 129 Vật Lí 10: Tìm thêm ví dụ về biến dạng nén và biến dạng kéo trong đời sống.

Lời giải:

Ví dụ: biến dạng nén: bùng búa đập thanh sắt hoặc thép, ghế đệm khi có người ngồi …

Biến dạng kéo: kéo dây chun buộc tóc, dây treo đèn trên trần nhà , …

Hoạt động 1 trang 130 Vật Lí 10: Từ kết quả thu được trong hoạt động ở mục 1, hãy tính độ cứng của lò xo đã dùng làm thí nghiệm. Tại sao khối lượng lò xo cần rất nhỏ so với khối lượng của các vật nặng treo vào nó?

Lời giải:

Độ cứng của lò xo: $k=\frac{F_{dh}}{\Delta \mathcal{l}}$ với $\Delta \mathcal{l}$ là độ biến dạng của lò xo khi vật chịu tác dụng của lực $\overrightarrow{F_{dh}}.$ 

Do lực đàn hồi cân bằng với trọng lực tác dụng lên vật nên ta có: $k=\frac{F_{dh}}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{P}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{mg}{\Delta \mathcal{l}}$

Vậy nếu khối lượng của lò xo lớn đáng kể so với khối lượng các vật nặng thì lực đàn hồi phải cân bằng với cả trọng lực tác dụng lên vật và lên lò xo, nên biểu thức tính độ cứng k bị sai lệch.

Hoạt động 2 trang 130 Vật Lí 10: Trên Hình 33.5 là đồ thị sự phụ thuộc của độ lớn lực đàn hồi F vào độ biến dạng $\Delta \mathcal{l}$ của 3 lò xo khác nhau A, B và C.

a) Lò xo nào có độ cứng lớn nhất?

b) Lò xo nào có độ cứng nhỏ nhất?

c) Lò xo nào không tuân theo định luật Hooke?

Lời giải:

a. Dựa vào đồ thị ta thấy: khi làm dãn cùng một khoảng $\Delta \mathcal{l}$ thì lực đàn hồi tác dụng lên lò xo C là lớn nhất. Vậy nên lò xo C cứng nhất.

b. Tương tự lò xo A có độ cứng nhỏ nhất.

Với câu a và b có thể giải thích theo cách khác là sử dụng độ dốc của đồ thị.

c. Lò xo A không tuân theo định luật Hooke vì đồ thị là đường cong chứ không phải đường thẳng nên lực đàn hồi không tỉ lệ với độ biến dạng.

Em có thể trang 130 Vật Lí 10: Giải thích được nguyên tắc hoạt động của bộ phận giảm xóc trong ô tô, xe máy.

Lời giải:

Nguyên tắc hoạt động của bộ phận giảm xóc trong ô tô, xe máy: Khi xe nhún xuống, trục pitton chính (có van tiết lưu) ép sâu vô buồng dầu, áp lực cũng tạo ra lực để mở van cho dầu thoát về buồng trên như trường hợp giảm chấn 2 ống, tuy nhiên, khi trục pitton càng xuống sâu hơn làm nhỏ thể tích buồng chứa dầu (trong khi thể tích dầu không đổi) làm cho áp lực dầu gia tăng mạnh mẽ, đẩy pitton " Tự do " (không có lỗ van) ép xuống buồng khí bên dưới, khi đó ống nhún được được đàn hồi bởi khối hơi bên dưới, ngược với chiều chuyển động của sức ép do xe tác động, làm hoàn thiện nhanh quá trình giảm chấn.