Độ biến dạng của lò xo
\[\Delta\ell=\ell-\ell_0\]
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\Delta\ell\) | Độ biến dạng đại số | m |
| \(\ell\) | Chiều dài hiện tại | m |
| \(\ell_0\) | Chiều dài tự nhiên | m |
Điều kiện: Đo chiều dài dọc trục lò xo; kéo: Δℓ > 0, nén: Δℓ < 0.
HAT Physics Learning · Vật lí 10 · Kết nối tri thức
BÀI 33. BIẾN DẠNG CỦA VẬT RẮN
Biến dạng kéo – nén · Giới hạn đàn hồi · Định luật Hooke
Mục tiêu học tập
01 · Định hướng
Mục tiêu học tập
Nhận biết
Nhận biết biến dạng kéo, biến dạng nén; nêu được tính đàn hồi và giới hạn đàn hồi.
Thông hiểu
Giải thích được lực đàn hồi chống lại sự biến dạng; phân biệt biến dạng đàn hồi với biến dạng không hồi phục.
Thực nghiệm
Thiết kế phương án đo lực và độ dãn lò xo; lập bảng số liệu, vẽ đồ thị, xác định độ cứng k.
Vận dụng
Vận dụng định luật Hooke trong giới hạn đàn hồi và chuyển đổi đúng cm ↔ m, N/cm ↔ N/m.
Khởi động: Tại sao dây đàn hồi và lò xo có thể trở về hình dạng ban đầu, còn chiếc thước nhựa có thể bị cong vĩnh viễn khi bẻ quá mạnh?
Kiến thức trọng tâm và công thức
02 · Kiến thức
Biến dạng của vật rắn và định luật Hooke
1. Các dạng biến dạng
Biến dạng kéo: hai lực cùng phương, ngược chiều, hướng ra ngoài hai đầu vật. Biến dạng nén: hai lực cùng phương, ngược chiều, hướng vào trong vật. Hai lực tác dụng trên hai đầu khác nhau của vật.
Biến dạng đàn hồi: vật lấy lại hình dạng, kích thước ban đầu sau khi thôi tác dụng ngoại lực. Khi vượt giới hạn đàn hồi, vật có thể không phục hồi hoàn toàn; không còn được dùng quan hệ Hooke tuyến tính để suy ra lực.
2. Lực đàn hồi
Khi lò xo bị kéo hoặc nén, lực đàn hồi tác dụng lên vật tiếp xúc với đầu lò xo có xu hướng chống lại biến dạng. Với lò xo lí tưởng, lực đàn hồi kéo về vị trí có độ dài tự nhiên; độ lớn của lực đàn hồi bằng lực gây biến dạng khi hệ cân bằng tĩnh và không có lực khác dọc trục.
3. Độ biến dạng
4. Định luật Hooke
Trong giới hạn đàn hồi của một lò xo, độ lớn lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ lớn độ biến dạng. Độ cứng k đặc trưng cho độ cứng của lò xo cụ thể.
Định luật Hooke (độ lớn)
\[F_{\mathrm{đh}}=k\left|\Delta\ell\right|\]
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F_{\mathrm{đh}}\) | Độ lớn lực đàn hồi | N |
| \(k\) | Độ cứng của lò xo | N/m |
| \(\Delta\ell\) | Độ biến dạng | m |
Điều kiện: Chỉ áp dụng trong giới hạn đàn hồi, với mô hình lò xo tuân theo định luật Hooke.
5. Xác định độ cứng từ thí nghiệm
Độ cứng lò xo từ số đo
\[k=\frac{F_{\mathrm{đh}}}{\left|\Delta\ell\right|}\]
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(k\) | Độ cứng | N/m |
| \(F_{\mathrm{đh}}\) | Lực đàn hồi đo khi cân bằng | N |
| \(\Delta\ell\) | Độ dãn hoặc nén | m |
Điều kiện: Δℓ khác 0; khi cân bằng tĩnh, xác định đúng lực đàn hồi và chỉ đo trong giới hạn Hooke.
Ví dụ: lò xo dài tự nhiên 12 cm, khi kéo đến 15 cm chịu lực kéo cân bằng 1,5 N. Khi còn trong giới hạn đàn hồi, Δℓ = 0,03 m và k = 1,5/0,03 = 50 N/m.
Lưu ý: lực đàn hồi là vectơ có hướng; công thức F = k|Δℓ| chỉ cho độ lớn. Không suy rộng định luật Hooke ngoài giới hạn đàn hồi hoặc cho mọi loại vật liệu.
Quan sát thí nghiệm và mô phỏng
03 · Quan sát
Quan sát biến dạng và khảo sát định luật Hooke
🔬 Thí nghiệm thật
Đo lực – độ dãn lò xo
Dụng cụ: giá đỡ, lò xo, thước, bộ quả nặng có khối lượng đã biết. Giáo viên lựa chọn lò xo chịu tải an toàn.
- Đo chiều dài tự nhiên ℓ₀ (cm) khi chưa treo tải.
- Treo từng quả nặng, chờ hệ đứng yên rồi đo ℓ. Tính lực kéo do tải: P = mg với g ≈ 9,8 m/s² (khi bỏ qua khối lượng lò xo và sai số).
- Tính Δℓ = ℓ − ℓ₀, đổi sang mét rồi xác định k = P/Δℓ cho các số đo khác 0.
- Tháo tải; xác nhận lò xo trở về gần chiều dài ban đầu trước khi tăng thêm tải. Dừng nếu có dấu hiệu biến dạng không hồi phục.
| Lần đo | m (g) | F (N) | ℓ (cm) | Δℓ (m) | k (N/m) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 50 | 0,49 | 12,98 | 0,0098 | 50 |
| 2 | 100 | 0,98 | 13,96 | 0,0196 | 50 |
| 3 | 150 | 1,47 | 14,94 | 0,0294 | 50 |
Dữ liệu minh họa giả định: ℓ₀ = 12,00 cm, k = 50 N/m; không phải số đo thực nghiệm. Học sinh thay bằng dữ liệu tự đo và thảo luận về sai số.
🧪 Mô phỏng tương tác
Kéo – nén và khảo sát lực đàn hồi
Điều chỉnh độ cứng và độ biến dạng; quan sát chiều lực đàn hồi hướng ngược chiều biến dạng. Mô phỏng dừng tại biên Hooke minh họa ±8 cm; giới hạn thực tế phụ thuộc từng lò xo và không mặc định là 8 cm.
Thử nghiệm: Giữ k cố định rồi tăng độ dãn từ 1 cm đến 4 cm; so sánh độ lớn lực đàn hồi. Đổi k gấp đôi và giữ nguyên độ dãn; giải thích kết quả.
🎥 Học liệu
Video: lựa chọn mở ngoài
Bài học sử dụng hình vẽ và mô phỏng tự chạy, không yêu cầu video để hoàn thành hoạt động. Nếu giáo viên muốn bổ sung video, có thể tìm video thí nghiệm định luật Hooke trên YouTube. Không nhúng iframe YouTube để tránh lỗi trình phát 153.
Luyện tập theo cấu trúc đề mới
04 · Luyện tập
Luyện tập Bài 33 – Biến dạng của vật rắn
8ABCD · 2,00 điểm
4Đúng/Sai · 4,00 điểm
8Trả lời ngắn · 2,00 điểm
2Tự luận · 2,00 điểm
Nguyên tắc: Đúng/Sai bốn ý: đúng 0/1/2/3/4 ý được 0/0,10/0,25/0,50/1,00 điểm. Trắc nghiệm ABCD và trả lời ngắn tự chấm; tự luận đánh giá riêng theo tiêu chí.
Bản đồ tư duy bài học
05 · Bản đồ tư duy
Sơ đồ hệ thống kiến thức
Xem dàn ý dạng chữ
Em có biết?
06 · Em có biết?
Biến dạng đàn hồi quanh ta
Lò xo trong hệ thống treo
Lò xo giúp biến dạng và hồi phục khi xe qua gờ; bộ giảm chấn làm tiêu hao năng lượng để hạn chế dao động kéo dài. Tính chất của hệ không thể giải thích chỉ bằng định luật Hooke.
Lực kế lò xo
Lực kế sử dụng mối liên hệ giữa lực và độ dãn để xác định độ lớn lực, với điều kiện hoạt động trong phạm vi đã hiệu chuẩn.
Dây đàn hồi và bungee
Dây bungee biến dạng mạnh, có đặc tính vật liệu phức tạp. Không dùng trực tiếp một giá trị k không đổi để mô tả mọi giai đoạn của cú nhảy thực.