Giải SGK Vật lí 10 (Chân trời sáng tạo) Bài 23: Định luật Hooke

Giải SGK Vật lí 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.

- Hai lò xo có cùng chiều dài nhưng làm bởi hai loại vật liệu khác nhau thì có độ dãn khác nhau khi chịu lực tác dụng.

1. Mối liên hệ giữa 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.

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Treo lò xo theo phương thẳng đứng vào giá thí nghiệm. Đo chiều dài tự nhiên của lò xo (l₀).

+ Lần lượt treo các quả nặng có khối lượng khác nhau vào lò xo, đo chiều dài của lò xo khi đó để xác định được độ giãn.

+ Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta thu được bảng số liệu bên dưới:

Trong đó:

Lực đàn hồi: F_đh = P = m.g

Độ biến dạng của lò xo: $\Delta l=l-l_0$

Nhận xét: Ta thấy lực đàn hồi và độ dãn của lò xo tỉ lệ thuận với nhau đến khi trọng lượng của vật bằng 4 N. Khi trọng lượng của vật bằng 5 N thì độ giãn không tỉ lệ thuận với trọng lượng nữa. Vậy điểm giới hạn đàn hồi là điểm có tọa độ (40; 4).

b) Học sinh tự tiến hành thí nghiệm và ghi vào bảng số liệu như mẫu.

Câu hỏi 2 trang 140 Vật Lí 10:

a) Dựa vào số liệu đo được từ thí nghiệm hoặc Bảng 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:

Đồ thị có dạng đường thẳng hướng lên trên, cho thấy lò xo có độ dãn tỉ lệ thuận với lực tác dụng.

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:

Ta có thể coi như đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lực đàn hồi vào độ dãn của lò xo gần như một đường thẳng.

Xét lò xo thứ nhất (đường màu xanh): tại vị trí lò xo có độ dãn là 0,4 m thì lực đàn hồi tương ứng là 5 N. Độ cứng của lò xo này bằng 5 : 0,4 = 12,5 N/m.

Xét lò xo thứ hai (đường màu đỏ): tại vị trí lò xo có độ dãn là 0,6 m thì lực đàn hồi tương ứng là 5 N. Độ cứng của lò xo này bằng 5 : 0,6 = 8,3 N/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:

Dụng cụ: sử dụng các vật như quyển sách, máy tính cầm tay, bút bi, lò xo trong bút bi, …

Phương án:

- Đo chiều dài của lò xo trong bút bi.

- Treo lò xo này lên theo phương thẳng đứng.

- Cân các vật trên cân hiện số, ghi lại khối lượng của từng vật từ đó xác định được trọng lượng của chúng. Sau đó sử dụng băng dính để dính chúng vào một cái móc nhỏ (coi khối lượng không đáng kể) sau đó móc vào lò xo treo thẳng đứng.

- Đo chiều dài của lò xo khi đó

- Tính độ dãn của lò xo trước và sau khi treo vật

- Sử dụng công thức tính độ cứng: $k=\frac{F}{\Delta l}=\frac{P}{\Delta l}$

Bài tập (trang 143)

Bài 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) Bảng số liệu

- Khi treo vật có trọng lượng 0,5 N thì lò xo bị dãn 10 mm.

Vậy chiều dài của lò xo khi đó là 50 + 10 = 60 mm.

- Khi treo vật có trọng lượng 0,8 N thì lò xo dài 66 mm.

Vậy độ dãn của lò xo khi đó là 66 – 50 = 16 mm.

b) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ dãn lò xo theo lực tác dụng vào lò xo

Nhận xét: lực tác dụng vào lò xo tỉ lệ thuận với độ dãn của lò xo.

Độ cứng của lò xo: $k=\frac{F}{\Delta l}=\frac{0,8}{0,016}=50N/m$

Bài 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:

Lực nén của mỗi xương đùi phải chịu có độ lớn bằng một nửa trọng lượng của vật phải mang: $Q=\frac{P}{2}=\frac{mg}{2}=\frac{20.9,8}{2}=98N$

Độ nén của mỗi xương đùi: $\Delta l=\frac{F}{k}=\frac{Q}{k}=\frac{98}{{10}^{10}}=9,{8.10}^{-9}m$

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Bài 19: Các loại va chạm

Bài 20: Động học của chuyển động tròn

Bài 21: Động lực học của chuyển động tròn. Lực hướng tâm

Bài 22: Biến dạng của vật rắn. Đặc tính của lò xo