Lý thuyết Sự biến dạng (Cánh diều 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 2: Sự biến dạng

A. Lý thuyết Sự biến dạng

I. Biến dạng kéo và biến dạng nén.

– Nếu bóp một quả bóng cao su, nó sẽ bị biến dạng, tức là không còn giữ nguyên hình dạng ban đầu nữa.

– Một thanh cao su ở trạng thái bình thường. Làm thanh cao su đó ngắn đi. Biến dạng đó là biến dạng nén.

– Kéo để thanh cao su dài thêm. Biến dạng như vậy là biến dạng kéo.

II. Định luật Hooke (  Húc)

1. Đặc tính của lò xo.

+ Lực đàn hồi: Khi ta kéo hoặc nén một lò xo, tức làm lò xo biến dạng, lực đàn hồi xuất hiện ở hai đầu của lò xo và chống lại lực gây ra sự kéo hoặc nén này. Hướng của lực đàn hồi ở mỗi đầu lò xo ngược với hướng của lực gây biến dạng lò xo.

+ Độ giãn: Khi cân bằng lò xo có độ dài xác định. Dưới tác dụng của trọng lượng vật treo, lò xo bị kéo giãn xuống dưới và bị dài thêm ra. Độ dài thêm ra này gọi là độ giãn của lò xo

+ Giới hạn đàn hồi: Khi tăng trọng lượng của vật treo vượt quá một giá trị nào đó thì khi bỏ vật treo ra, lò xo không trở lại chiều dài ban đầu nữa.

2. Thí nghiệm.

– Khảo sát độ giãn của lò xo bằng thí nghiệm.

3. Định luật Hooke.

– Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

$F=k.\left|\Delta l\right|$

– Hệ số tỉ lệ k được gọi là độ cứng của lò xo. Đơn vị đo của độ cứng là niutơn trên mét, kí hiệu N/m.

– Lò xo nào càng cứng thì càng ít biến dạng.

4. Ứng dụng định luật Hooke.

– Cân đồng hồ (hay còn gọi là cân đồng hồ lò xo).

– Cân đồng hồ hoạt động dựa trên sự biến dạng của lò xo, tạo trạng thái cân bằng khi lò xo chịu tác dụng lực nén hoặc kéo.

B. Trắc nghiệm Sự biến dạng

Câu 1: Hai người cầm hai đầu của một lực kế lò xo và kéo ngược chiều những lực bằng nhau, tổng độ lớn hai lực kéo là 100 N. Lực kế chỉ giá trị là:

A. 50 N

B. 100 N.

C. 0 N.

D. 25 N

Hướng dẫn giải

Đáp án: A

Giải thích:

Lực kế chịu tác dụng của hai lực cân bằng $\overrightarrow{F_{đh1}},\overrightarrow{F_{đh2}}$.

Khi đó, lò xo biến dạng một đoạn Δ$\mathcal{l}$ do lực kéo gây ra.

Số chỉ lực kế bằng độ lớn lực đàn hồi: F_đh1 = F_đh2 = $\frac{100}{2}$ = 50 N.

Câu 2: Một lò xo có chiều dài tự nhiên bằng 22 cm. Lò xo được treo thẳng đứng, một đầu giữ cố định, còn đầu kia gắn một vật nặng. Khi ấy lò xo dài 27 cm, cho biết độ cứng lò xo là 100 N/m. Độ lớn lực đàn hồi bằng:

A. 500 N.

B. 5 N.

C. 20 N.

D. 50 N.

Hướng dẫn giải

Đáp án: B

Giải thích:

${\mathcal{l}}_0=22\text{ cm}={22.10}^{-2}\text{ m; }\mathcal{l}=27\text{ cm}={27.10}^{-2}\text{ m}$

k = 100 N/m

Độ lớn lực đàn hồi: $F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|=100.({27.10}^{-2}-{22.10}^{-2})=5\text{ N}$.

Câu 3: Dùng một lò xo để treo một vật có khối lượng 300 g thì thấy khi cân bằng lò xo giãn một đoạn 2 cm. Nếu treo thêm một vật có khối lượng 150 g thì độ giãn của lò xo là:

A. 1 cm.

B. 2 cm.

C. 3 cm.

D. 4 cm.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

Đổi đơn vị: 300 g = 0,3 kg; 150 g = 0,15 kg; 2 cm = 0,02 m.

Vì cùng một lò xo nên độ cứng k sẽ như nhau:

$\Rightarrow \frac{F_1}{\Delta {\mathcal{l}}_1}=\frac{F_2}{\Delta {\mathcal{l}}_2}\iff \frac{m_{1}g}{\Delta {\mathcal{l}}_1}=\frac{m_{2}g}{\Delta {\mathcal{l}}_2}\iff \frac{0,3}{0,02}=\frac{0,3+0,15}{\Delta {\mathcal{l}}_2}$

$\Rightarrow \Delta {\mathcal{l}}_2=0,3\text{ m}=3\text{ cm}$

Câu 4: Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 20 cm. Khi cân bằng lò xo có chiều dài 24 cm thì lực đàn hồi của nó bằng 5 N. Hỏi khi lực đàn hồi của lò xo bằng 10 N thì chiều dài của nó bằng bao nhiêu?

A. 28 cm.

B. 48 cm.

C. 22 cm.

D. 40 cm.

Hướng dẫn giải

Đáp án: A

Giải thích:

Đổi đơn vị: 20 cm = 0,2 m; 24 cm = 0,24 m

Vì cùng một lò xo nên độ cứng k sẽ như nhau:

$\Rightarrow \frac{F_1}{\Delta {\mathcal{l}}_1}=\frac{F_2}{\Delta {\mathcal{l}}_2}\iff \frac{5}{0,24-0,2}=\frac{10}{({\mathcal{l}}_2-0,2)}$

$\Rightarrow {\mathcal{l}}_2=0,28\text{ m}=28\text{ cm}$

Câu 5: Cho hai lò xo có độ cứng k₁ và k₂. Khi treo vào lò xo k₁ vật có khối lượng 2 kg thì khi cân bằng lò xo dãn 2 cm, khi treo vật có khối lượng 6 kg vào lò xo k₂ thì khi cân bằng lò xo dãn 12 cm. Khi đó ta có:

A. k₂ = 2k₁.

B. k₁ =3k₂.

C. k₁ = 2k₂.

D. k₁ = 4k₂.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

Đổi đơn vị: 2 cm = 0,02 m; 12 cm = 0,12 m.

Ta có: $F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|$. Ở vị trí cân bằng P = F_đh

$\Rightarrow \frac{k_1}{k_2}=\frac{F_1}{\Delta {\mathcal{l}}_1}.\frac{\Delta {\mathcal{l}}_2}{F_2}=\frac{m_1.\Delta {\mathcal{l}}_2}{\Delta {\mathcal{l}}_1.m_2}=\frac{2.0,12}{6.0,02}=2\Rightarrow k_1=2k_2$

Câu 6: Điều nào sau đây là sai khi nói về phương và độ lớn của lực đàn hồi?

A. Với cùng độ biến dạng như nhau, độ lớn của lực đàn hồi phụ thuộc vào kích thước và bản chất của vật đàn hồi.

B. Với các mặt tiếp xúc bị biến dạng, lực đàn hồi vuông góc với các mặt tiếp xúc.

C. Với các vật như lò xo, dây cao su, thanh dài, lực đàn hồi hướng dọc theo trục của vật.

D. Lực đàn hồi có độ lớn tỉ lệ nghịch với độ biến dạng của vật biến dạng.

Hướng dẫn giải

Đáp án: D

Giải thích:

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo

$F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|$

Trong đó, hệ số tỉ lệ k được gọi là độ cứng của lò xo (N/m).

Câu 7: Khẳng định nào sau đây là đúng khi ta nói về lực đàn hồi của lò xo và lực căng của dây?

A. Đó là những lực chống lại sự biến dạng đàn hồi của lò xo và sự căng của dây.

B. Đó là những lực gây ra sự biến dạng đàn hồi của lò xo và sự căng của dây.

C. Chúng đều là những lực kéo.

D. Chúng đều là những lực đẩy.

Hướng dẫn giải

Đáp án: A

Giải thích:

Lực căng dây xuất hiện khi dây bị kéo căng, có phương dọc theo dây, chiều chống lại xu hướng bị kéo giãn.

Lực đàn hồi cùa lò xo là lực căng của lò xo. Khi kéo giãn lò xo, lực đàn hồi có xu hướng làm ngắn lò xo. Khi lò xo bị nén thì lực đàn hồi lại có xu hướng làm lò xo giãn ra.  

Câu 8: Một vật tác dụng một lực vào một lò xo có đầu cố định và làm lò xo biến dạng. Trong giới hạn đàn hồi và lò xo đứng cân bằng. Điều nào dưới đây là không đúng?

A. Lực đàn hồi của lò xo có độ lớn bằng lực tác dụng và chống lại sự biến dạng của lò xo.

B. Lực đàn hồi cùng phương và ngược chiều với lực tác dụng.

C. Lực đàn hồi lớn hơn lực tác dụng và chống lại lực tác dụng.

D. Khi vật ngừng tác dụng lên lò xo thì lực đàn hồi của lò xo cũng mất đi.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

Lò xo đứng cân bằng, nên tổng hợp các lực tác dụng lên nó phải bằng 0. Vì vậy, lực đàn hồi và lực tác dụng có độ lớn bằng nhau.

Câu 9: Dùng hai lò xo để treo hai vật có cùng khối lượng, lò xo bị giãn nhiều hơn thì có độ cứng:

A. lớn hơn.

B. nhỏ hơn.

C. tương đương nhau.

D. chưa đủ điều kiện để kết luận.

Hướng dẫn giải

Đáp án: B

Giải thích:

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo $F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|$. Trong đó, hệ số tỉ lệ k được gọi là độ cứng của lò xo (N/m).

Mà hai vật có cùng khối lượng sẽ gây ra lực tác dụng như nhau trên 2 lò xo. Vậy lò xo nào giãn nhiều hơn (Δ$\mathcal{l}$ lớn hơn) sẽ có độ cứng nhỏ hơn (k nhỏ hơn).

Câu 10: Lò xo có độ cứng k, một đầu treo vào điểm cố định, đầu còn lại được gắn vào vật có khối lượng m. Khi vật cân bằng thì hệ thức nào sau đây được nghiệm đúng?

A. $\frac{k}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}=\frac{m}{g}$.

B. $mg=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|$.

C. $\frac{g}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}=\frac{m}{k}$.

D. $k=\frac{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}{mg}$.

Hướng dẫn giải

Đáp án: B

Giải thích:

Khi vật nằm cân bằng, trọng lực $\overrightarrow{P}$ cân bằng với lực đàn hồi $\overrightarrow{F_{dh}}$.

Ta có: $P=F_{đh}\iff mg=k.\Delta \mathcal{l}$

Câu 11: Điều nào sau đây là sai khi nói về phương và độ lớn của lực đàn hồi?

A. Với các vật như lò xo, dây cao su, thanh dài lực đàn hồi hướng dọc theo trục của vật.

B. Với các mặt tiếp xúc bị biến dạng, lực đàn hồi vuông góc với các mặt tiếp xúc.

C. Với cùng độ biến dạng như nhau, độ lớn của lực đàn hồi phụ thuộc vào kích thước và bản chất của vật đàn hồi.

D. Lực đàn hồi có độ lớn tỉ lệ nghịch với độ biến dạng của vật biến dạng.

Hướng dẫn giải

Đáp án: D

Giải thích:

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo

$F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|$. Trong đó, hệ số tỉ lệ k được gọi là độ cứng của lò xo (N/m).

Câu 12: Trong các lực sau, lực nào là lực đàn hồi?

A. Lực đẩy của dòng nước làm quay bánh xe nước.

B. Lực mà một đầu búa đóng vào một cái đinh.

C. Lực mà lò xo bút bi tác dụng vào ruột bút bi.

D. Lực mà một lực sĩ nâng một quả tạ.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

A, B, D – Lực đẩy.

C – Lực đàn hồi.

Câu 13: Một quả nặng khối lượng m = 100 g được gắn vào một lò xo có độ cứng 20 N/m. Hệ trên được bố trí trên mặt phẳng nghiêng không ma sát với góc nghiêng α = 30^o so với phương ngang. Biết gia tốc rơi tự do là 10 m/s². Tính độ biến dạng của lò xo khi quả nặng nằm cân bằng:

A. 1,5 cm.

B. 2 cm.

C. 2,5 cm.

D. 3 cm.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

Phân tích các lực tác dụng vào lò xo như hình vẽ:

Ta có, tại vị trí cân bằng, của lò xo cân bằng với thành phần $\overrightarrow{P_{//}}$ của vật: F_đh = P_// (1)

Mặt khác:

F_đh = $k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|=20.\Delta \mathcal{l}$

 P_// = mgsinα = 0,1.10.sin30 = 0,5 N

Thay vào (1) , ta được: $P_{//}=F_{đh}\iff 0,5=20.\Delta \mathcal{l}$ 

$\Rightarrow \Delta \mathcal{l}=\frac{0,5}{20}=0,025\text{ m}=2,5\text{ cm}$

Câu 14: Treo một vật khối lượng 200 g vào một lò xo thì lò xo có chiều dài 34 cm. Tiếp tục treo thêm vật khối lượng 100 g vào thì lúc này lò xo dài 36 cm. Lấy g = 10m/s². Chiều dài tự nhiên và độ cứng của lò xo là:

A. 33 cm và 50 N/m.

B. 33 cm và 40 N/m.

C. 30 cm và 50 N/m.

D. 30 cm và 40 N/m.

Hướng dẫn giải

Đáp án: C

Giải thích:

Gọi chiều dài tự nhiên của lò xo: ${\mathcal{l}}_0$

Khi treo vật có khối lượng 200 g:

$P=F_{dh}=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|\Rightarrow k=\frac{P}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}=\frac{0,2.10}{\left|0,34-{\mathcal{l}}_0\right|}$ (1)

Khi treo thêm vật khối lượng 100 g:

$P‘=F{‘}_{dh}=k.\left|\Delta {\mathcal{l}}^{‘}\right|\Rightarrow k=\frac{\left(0,2+0,1\right).10}{\left|0,36-{\mathcal{l}}_0\right|}$ (2)

Từ (1) và (2): $\frac{0,2.10}{\left|0,34-{\mathcal{l}}_0\right|}=\frac{\left(0,2+0,1\right).10}{\left|0,36-{\mathcal{l}}_0\right|}\Rightarrow {\mathcal{l}}_0=0,3m=30cm$

Từ (1) tính được độ cứng của lò xo: $k=50N/m$

Câu 15: Điều nào sau đây là sai?

A. Độ cứng của lò xo cũng được gọi là hệ số đàn hồi của lò xo.

B. Lò xo có độ cứng càng nhỏ càng khó biến dạng.

C. Độ cứng cho biết sự phụ thuộc tỉ lệ của độ biến dạng của lò xo vào lực gây ra sự biến dạng đó.

D. Độ cứng phụ thuộc hình dạng, kích thước lò xo và chất liệu làm lò xo.

Hướng dẫn giải

Đáp án: A

Giải thích:

Độ lớn lực đàn hồi là: $F=k.\left|\Delta \mathcal{l}\right|\Rightarrow k=\frac{F}{\left|\Delta \mathcal{l}\right|}$

Nếu cùng lực F tác dụng, lò xo có độ cứng càng nhỏ (k nhỏ) thì độ biến dạng sẽ càng lớn ($\Delta \mathcal{l}$ càng lớn) hay càng dễ bị biến dạng.

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Vật lí 10 Cánh diều hay, chi tiết:

Bài 1: Năng lượng và công

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

Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Bài 1: Chuyển động tròn