Giải Vật Lí lớp 10 Bài 23: Định luật Hooke

Mở đầu trang 140 Vật lí 10:

Tính chất cơ bản của một lò xo là gì? Hai lò xo có cùng chiều dài nhưng làm bởi hai loại vật liệu khác nhau thì có đặc tính khác nhau như thế nào khi chịu lực tác dụng? Trong bài này, ta sẽ tìm phương án thí nghiệm để thiết lập hệ thức liên hệ giữa lực tác dụng và độ biến dạng của lò xo.

Lời giải:

Tính chất cơ bản của một lò xo là tính chất đàn hồi và được đặc trưng bởi hằng số là độ cứng.

Hai lò xo có cùng chiều dài nhưng làm bởi hai loại vật liệu khác nhau thì sẽ có độ cứng và giới hạn đàn hồi là khác nhau.

1. Mối liên hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo

Thí nghiệm khảo sát lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo

Câu hỏi 1 trang 140 Vật lí 10:

a) Dựa vào bộ dụng cụ được đề xuất, hãy thiết kế phương án thí nghiệm (trong đó thể hiện rõ các bước tiến hành) để tìm mối liên hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo.

b) Tiến hành thí nghiệm khảo sát, ghi lại số liệu đo được vào bảng số liệu như gợi ý trong Bảng 23.1.

Lời giải:

a. Để tìm mối quan hệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo ta bố trí thí nghiệm như hình vẽ.

b. Các bước tiến hành thí nghiệm:

- Bước 1: Đo chiều dài ban đầu của các lò xo.

- Bước 2: Treo 1 đầu lò xo cố định lên giá treo rồi treo từng loại vật nặng khác nhau lên đầu còn lại. Sau đó, đo độ biến dạng của lò xo.

- Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với các vật nặng 100 g, 200 g, 300 g, 400 g và điền vào bảng giống như bảng 23.1.

Bảng số liệu:

 Câu hỏi 2 trang 140 Vật lí 10:

a) Dựa vào số liệu đo được từ thí nghiệm hoặc Bằng 23.1, vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa độ biến dạng của lò xo và lực tác dụng lên lò xo.

b) Nhận xét về hình dạng của đồ thị và rút ra kết luận.

Lời giải:

a. Vẽ đồ thị

b. Đồ thị có dạng là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, hướng lên, chứng tỏ lực tác dụng lên vật và độ biến dạng của lò xo tỉ lệ thuận với nhau

Luyện tập trang 141 Vật lí 10:

Dựa vào đồ thị Hình 23.2, hãy xác định độ cứng của hai lò xo tương ứng với hai đường biểu diễn xanh và đỏ.

Lời giải:

- Lò xo có đường biểu diễn màu xanh:

F = 5 N, $\Delta \mathcal{l}$ = 0,4 m $\Rightarrow k=\frac{F}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{5}{0,4}=12,5N/m$

- Lò xo có đường biểu diễn màu đỏ:

F = 5 N, $\Delta \mathcal{l}$ = 0,6 m $\Rightarrow k=\frac{F}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{5}{0,6}\approx 8,3N/m$

2. Định luật Hooke

Luyện tập trang 142 Vật lí 10:

Hãy sử dụng những dụng cụ học tập của em và cân hiện số để xác định độ cứng lò xo trong bút bi (Hình 23.6)

Lời giải:

Các bước tiến hành:

- Đo chiều dài ban đầu của lò xo trong bút bi.

- Cân khối lượng của cục tẩy.

- Cố định 1 đầu của lò xo, đầu còn lại treo cục tẩy vào. Để lò xo theo chiều thẳng đứng.

- Đo chiều dài mới của lo xo và tính độ dãn của lò xo.

- Thực hiện phép đo tối thiểu 3 lần và ghi lại các số liệu thành bảng.

- Sử dụng các số liệu đo được để xác định độ cứng của lò xo thông qua biểu thức:

$F=k.\Delta \mathcal{l}\iff m.g=k.\Delta \mathcal{l}\Rightarrow k=\frac{mg}{\Delta \mathcal{l}}$

Bài tập (Trang 143)

Bài tập 1 trang 143 Vật lí 10:

Một học sinh thực hiện thí nghiệm đo độ cứng của một lò xo bằng cách treo một đầu của lò xo thẳng đứng vào một điểm cố định, đầu kia của lò xo được buộc lần lượt vào nhiều vật có trọng lượng khác nhau. Học sinh này đo được các chiều dài của lò xo như trong bảng.

a) Hãy điền vào các chỗ trống trong bảng.

b) Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ dãn lò xo theo lực tác dụng vào lò xo. Tính độ cứng của lò xo dùng trong thí nghiệm.

Lời giải:

a)

b)

Độ cứng của lò xo là: $F=k.\Delta \mathcal{l}\Rightarrow k=\frac{F}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{0,2}{{4.10}^{-3}}=50$N/m.

Bài tập 2 trang 143 Vật lí 10:

Xương là một bộ phận của cơ thể, có nhiều hình dạng với vai trò khác nhau như: hỗ trợ cấu trúc cơ thể, bảo vệ các cơ quan quan trọng và cho phép cơ thể di chuyển. Ngoài ra, xương còn là một bộ phận có tính đàn hồi. Xem xương đùi của người tương đương với một lò xo có độ cứng 10¹⁰ N/m. Hãy tính độ nén của mỗi xương đùi khi mang trên vai một vật nặng có khối lượng 20 kg. Giả sử toàn bộ trọng lực của vật nặng được phân bố đều cho hai chân và ban đầu xương đùi chưa bị nén.

Lời giải:

Ta có: P = m.g = 20.10 = 200 N

Lực nén của mỗi xương đùi phải chịu có độ lớn bằng một nửa trọng lượng của vật phải mang: $Q=\frac{P}{2}=100N$

Độ nén của xương đùi là:

$$\begin{gathered} F=k.\Delta \mathcal{l} \\ \Rightarrow \Delta \mathcal{l}=\frac{F}{k}=\frac{Q}{k}=\frac{100}{{10}^{10}}={10}^{-8}m \end{gathered}$$