Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 2: Sự biến dạng

Giải Vật Lí 10 Bài 2: Sự biến dạng

Mở đầu trang 113 Vật Lí 10: Trong một chiếc cầu treo như cầu Brooklyn (Brúc-klin), đường cong duyên dáng của dây cáp chính là nét căn bản để tạo nên sự hấp dẫn của nó. Những chiếc cầu này được nhìn nhận vừa như những công trình nghệ thuật vừa như những kì quan kĩ thuật. Nhờ có sự biến đổi hình dạng, tức là biến dạng mà những dây cáp dẻo dai của cầu chịu được những lực rất lớn tác dụng lên cầu.

Biến dạng được phân loại như thế nào?

Lời giải:

Biến dạng được phân loại thành:

+ Biến dạng nén: chiều dài của vật ngắn lại.

+ Biến dạng kéo: chiều dài của vật tăng lên.

I. Biến dạng kéo và biến dạng nén

Câu hỏi 1 trang 114 Vật Lí 10: Thảo luận về kết quả (hình dạng, kích thước) của biến dạng kéo và biến dạng nén ở hình 2.3b và 2.3c.

Lời giải:

+ Ở hình b thanh cao su bị biến dạng nén: hình dạng thanh cao su phồng lên ở giữa thanh, chiều dài bị ngắn lại.

+ Ở hình c thanh cao su bị biến dạng kéo: hình dạng thanh cao su bị lõm ở giữa thanh, chiều dài tăng lên.

II. Định luật Hooke (Húc)

Câu hỏi 2 trang 115 Vật Lí 10: Các kết quả trong bảng 2.1 gợi ý cho bạn mối liên hệ gì? Hãy phát biểu mối liên hệ đó.

Lời giải:

Từ bảng kết quả, ta thấy: $\frac{P_1}{\Delta {\mathcal{l}}_1}=\frac{P_2}{\Delta {\mathcal{l}}_2}=\frac{P_3}{\Delta {\mathcal{l}}_3}=\frac{P_4}{\Delta {\mathcal{l}}_4}=\frac{P_5}{\Delta {\mathcal{l}}_5}=0,01$

Trọng lượng vật và độ giãn tỉ lệ thuận với nhau theo một hệ số tỉ lệ xác định.

Luyện tập 1 trang 115 Vật Lí 10: Dưới tác dụng của một lực kéo 2,5 N một lò xo dài thêm 25 mm. Độ cứng của lò xo là bao nhiêu?

Lời giải:

Lực kéo tác dụng lên lò xo bằng với lực đàn hồi.

Suy ra: $F=k\left|\Delta \mathcal{l}\right|\Rightarrow k=\frac{F}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}=\frac{2,5}{0,025}=100N/m$

Luyện tập 2 trang 116 Vật Lí 10: Bảng dưới đây là số liệu của một thí nghiệm về độ giãn lò xo:

a) Độ dài tự nhiên của lò xo là bao nhiêu?

b) Hoàn thành bảng số liệu.

c) Vẽ đồ thị độ biểu diễn mối quan hệ của trọng lượng của vật và độ giãn của lò xo.

d) Đánh dấu điểm giới hạn đàn hồi trên đồ thị.

e) Vùng nào trên đồ thị là vùng mà độ giãn tỉ lệ với trọng lượng?

f) Trọng lượng là bao nhiêu để độ giãn lò xo là 15 mm?

g) Trọng lượng là bao nhiêu để lò xo khi giãn ra có độ dài 125 mm?

Lời giải:

a) Độ dài tự nhiên của lò xo là chiều dài khi chưa treo vật (ứng với trọng lượng bằng 0)

Khi đó: ${\mathcal{l}}_o=100mm$

b) Hoàn thành bảng số liệu.

Độ giãn: $\Delta \mathcal{l}=\mathcal{l}-{\mathcal{l}}_o$

c) Đồ thị độ biểu diễn mối quan hệ của trọng lượng của vật và độ giãn của lò xo.

d) Đánh dấu điểm giới hạn đàn hồi trên đồ thị.

Ta thấy trọng lượng và độ giãn 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).

e) Vùng trên đồ thị là vùng mà độ giãn tỉ lệ với trọng lượng là vùng được tô màu đỏ.

f) Xét trong giới hạn đàn hồi của lò xo. Chỉ cần xét một trường hợp là có thể tính được độ cứng của lò xo.

Khi đó: $k=\frac{F}{\Delta \mathcal{l}}=\frac{P_1}{\Delta {\mathcal{l}}_1}=\frac{1}{0,01}=100N/m$

Khi độ giãn lò xo là 15 mm thì lực đàn hồi có độ lớn là:

$F\text{'}=k.\Delta \mathcal{l}\text{'}=100.0,015=1,5N$

Khi lò xo nằm cân bằng tại độ giãn 15 mm ta có trọng lượng vật bằng độ lớn lực đàn hồi

P” = F’ = 1,5N

g) Khi lò xo có độ dài 125 mm thì độ giãn của lò xo là: $\Delta {\mathcal{l}}_2=125-100=25mm$

Khi lò xo ở trạng thái cân bằng, trọng lượng của lò xo khi đó bằng với lực đàn hồi của lò xo:

$P{\text{'}}_2=F{\text{'}}_2=k.\Delta \mathcal{l}{\text{'}}_2=100.0,025=2,5N$

Vận dụng trang 117 Vật Lí 10: Đồ thị hình 2.9 biểu diễn mối quan hệ giữa lực tác dụng vào đầu dưới lò xo và độ giãn của nó (như thí nghiệm trên hình 2.5) với bốn lò xo A, B, C, D.

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:

Dựa vào công thức: $F=k\left|\Delta \mathcal{l}\right|\Rightarrow k=\frac{F}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}$

Nếu với cùng một độ giãn thì:

+ Độ cứng lò xo lớn nhất khi lực tác dụng vào lò xo lớn nhất.

+ Độ cứng lò xo nhỏ nhất khi lực tác dụng vào lò xo nhỏ nhất.

Từ cùng một độ giãn ta kẻ đường thẳng song song với trục lực tác dụng lên lò xo, cắt các đường biểu diễn lò xo tại các điểm 1, 2, 3 tương ứng. Từ các điểm 1, 2, 3 ta kẻ các đường thẳng song song với trục độ giãn cắt trục lực tại đâu chính là độ lớn của lực tác dụng vào lò xo tại độ giãn đó.

a) Ta thấy tại cùng một độ giãn, lực tác dụng lên lò xo D là lớn nhất.

$\Rightarrow$ Lò xo D có độ cứng lớn nhất.

b) Ta thấy tại cùng một độ giãn, lực tác dụng lên lò xo A là nhỏ nhất

$\Rightarrow$ Lò xo A có độ cứng nhỏ nhất.

c) Theo định luật Hooke thì trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo, đồ thị thu được là một đường thẳng.

Từ đồ thị ta thấy lò xo A và C không tuân theo định luật Hooke.

Bài 1 trang 117 Vật Lí 10: Một chiếc tàu thủy neo tại một nơi trên đường xích đạo. Tính tốc độ góc và tốc độ của tàu thủy (so với tâm Trái Đất). Coi Trái Đất hình cầu có bán kính R = 6400 km và quay quanh trục với chu kì T = 24 giờ.

Lời giải:

Chiếc tàu thủy neo tại một nơi trên đường xích đạo. Khi Trái Đất tự quay quanh trục thì coi như chiếc tàu chuyển động tròn đều với bán kính R = 6400 km với chu kì là T = 24 giờ.

Tốc độ của tàu: $v=\frac{2\pi R}{T}=\frac{2\pi \mathrm{.6400.1000}}{\mathrm{24.60.60}}=465,4m/s$

Tốc độ góc: $\omega =\frac{v}{R}=\frac{465,4}{6400.1000}=7,{27.10}^{-5}rad/s$

Bài 2 trang 117 Vật Lí 10: Hỏa Tinh quay quanh Mặt Trời một vòng hết 687 ngày, ở khoảng cách 2,3.10¹¹ m. Khối lượng của Hỏa Tinh là 6,4.10²³ kg. Tính

a) Tốc độ trên quỹ đạo của Hỏa Tinh.

b) Gia tốc hướng tâm của Hỏa Tinh.

c) Lực hấp dẫn mà Mặt Trời tác dụng lên Hỏa Tinh.

Lời giải:

a) Tốc độ trên quỹ đạo của Hỏa Tinh.

$v=\frac{2\pi r}{T}=\frac{2\pi .2,{3.10}^{11}}{687.86400}=24346,5m/s$

b) Gia tốc hướng tâm của Hỏa Tinh.

$a=\frac{v^2}{r}=\frac{24346,5^2}{2,{3.10}^{11}}=2,{6.10}^{-3}m/s^2$

c) Lực hấp dẫn mà Mặt Trời tác dụng lên Hỏa Tinh đóng vai trò là lực hướng tâm.

$F_{hd}=F_{ht}=ma=6,{4.10}^{23}.2,{6.10}^{-3}=1,{664.10}^{21}N$

Bài 3 trang 117 Vật Lí 10: Một viên đá có khối lượng 0,2 kg được buộc vào sợi dây dài 30 cm và quay thành hình tròn trong mặt phẳng ngang. Biết rằng, sợi dây đứt khi lực căng dây vượt quá 0,8 N. Tính tốc độ tối đa mà viên đá được quay mà sợi dây vẫn chưa bị đứt.

Lời giải:

Khi viên đá được quay thành hình tròn trong mặt phẳng ngang.

Lực căng dây đóng vai trò lực hướng tâm, sợi dây đứt khi lực căng dây vượt quá 0,8 N tức là lực căng dây lúc này thắng được lực hướng tâm. Để viên đá quay với tốc độ tối đa mà sợi dây chưa bị đứt tức là lực hướng tâm cực đại = 0,8 N.

$F_{ht}=m\frac{v^2}{r}\Rightarrow v=\sqrt{\frac{F_{ht}.r}{m}}=\sqrt{\frac{0,8.0,3}{0,2}}=1,1m/s$

Bài 4 trang 117 Vật Lí 10: Một vật chuyển động tròn với tốc độ không đổi. Các đại lượng: động năng, động lượng, lực hướng tâm, gia tốc hướng tâm (theo cả độ lớn và chiều) thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Khi vật chuyển động tròn với tốc độ không đổi:

+ Động năng không đổi về độ lớn, là giá trị đại số không có phương, chiều.

+ Động lượng không đổi về độ lớn, có hướng cùng hướng với vận tốc tại mỗi điểm.

+ Lực hướng tâm có độ lớn không đổi, hướng luôn hướng về tâm quỹ đạo chuyển động.

+ Gia tốc hướng tâm có độ lớn không đổi, hướng luôn hướng về tâm quỹ đạo.

Bài 5 trang 117 Vật Lí 10: Một lò xo có độ cứng 25 N/m. Đặt lò xo thẳng đứng. Cố định đầu dưới của lò xo. Đầu trên của lò xo gắn với vật có khối lượng xác định. Lò xo bị nén 4,0 cm. Tìm khối lượng của vật. Lấy g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Lò xo bị nén là do trọng lượng của vật nén xuống.

Khi vật nằm tại vị trí cân bằng, độ lớn lực đàn hồi của lò xo bằng với trọng lượng của vật khi đó:

$F_{dh}=P\iff k\left|\Delta \mathcal{l}\right|=mg\iff m=\frac{k\left|\Delta \mathcal{l}\right|}{g}=\frac{25.0,04}{9,8}=0,102kg$

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 1: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Bài tập chủ đề 4

Bài 1: Chuyển động tròn

Bài tập chủ đề 5