12

 

LỰC ĐÀN HỒI CỦA LÒ XO. ĐỊNH LUẬT HÚC

 

 

 

 1. Kiến thức

  - Nêu được những đặc điểm về điểm đặt và hướng lực đàn hồi của lò xo.

  - Phát biểu được định luật Húc và viết được công thức tính độ lớn lực đàn hồi của lò xo.

  - Nêu được những đặc điểm của lực căng của dây và của áp lực giữa hai bề mặt tiếp xúc.

2. Kỹ năng

  - Giải thích được sự biến dạng đàn hồi của lò xo.

  - Biểu diễn được lực đàn hồi của lò xo khi bị dãn hoặc bị nén.

  - Sử dụng được lực kế để đo lực, biết xem xét giới hạn đo của dụng cụ trước khi sử dụng.

  - Vận dụng được định luật Húc để giải các bài tập tương tự như trong bài học.

3. Thái độ

  - Thận trọng khi xem xét giới hạn đo của dụng cụ trước khi sử dụng.

  

Ở Trung học cơ sở ta đã biết, lực kế là dụng cụ dùng để đo lực và bộ phận chủ yếu của nó là một lò xo. Tuy nhiên, ta còn chưa biết viếc chế tạo lực kế dựa trên định luật Vật Lí nào?

 

 

I - HƯỚNG VÀ ĐIỂM ĐẶT CỦA LỰC ĐÀN HỒI CỦA LÒ XO

 1. Điểm đặt

 Lực đàn hồi của lò xo xuất hiện ở hai đầu của lò xo và tác dụng vào các vật tiếp xúc hoặc gắn với nó làm nó biến dạng.

 2. Hướng

 Hướng của lực đàn hồi ngược với hướng của ngoại lực gây biến dạng. Cụ thể, khi bị dãn, lực đàn hồi của lò xo hướng theo trục của lò xo vào phía trong; còn khi bị nén, lực đàn hồi hướng theo trục của lò xo ra phía ngoài (Video 12.1a,b).

Video 12.1a. Mô phỏng bản chất hiện tượng

Video 12.1b. Mô phỏng bản chất hiện tượng

II - ĐỘ LỚN CỦA LỰC ĐÀN HỒI CỦA LÒ XO. ĐỊNH LUẬT HÚC

 Nhà bác học người Anh Rô-bớt Húc (Robert Hooke, 1635 - 1703) là người đầu tiên nghiên cứu và giải quyết được mối liên quan giữa độ lớn của lực kéo và độ lớn của lực đàn hồi với độ dãn của lò xo.

 1. Thí nghiệm

 Bố trí thí nghiệm như ở Video 12.2.

  Lúc đầu treo một quả cân có trọng lượng P vào lò xo. Theo định luật Niu-tơn III, lực mà quả cân kéo lò xo và lực của lò xo kéo quả cân luôn có độ lớn bằng nhau. Khi quả cân đứng yên : F = P = mg.

  Treo 2, 3 quả cân vào lò xo. Mỗi lần, ta đo chiều dài l và lo của lò xo trước và sau khi treo quả cân rồi tính độ dãn . Ta có kết quả như Bảng 12.1.

Video 12.1. Mô phỏng thí nghiệm

Bảng 12.1

2. Giới hạn đàn hồi của lò xo

 Thí nghiệm còn cho thấy, nếu trọng lượng của tải vượt quá một giá trị nào đó thì độ lớn của lò xo sẽ không còn tỉ lệ với lực kéo và khi bỏ tải thì lò xo không co về đến chiều dài cũ nữa. Cặp giá trị đó của F và Δl xác định giới hạn đàn hồi của lò xo.

Video 12.1. Mô phỏng thí nghiệm

 3. Định luật Húc

  a) Phát biểu

  Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo (Video 12.2).

  b) Biểu thức

    (12.1)

  Trong đó:

  k: độ cứng của lò xo

 

  : độ biến dạng của lò xo

  Hệ số tỉ lệ k gọi là độ cứng của lò xo. Hệ số k càng lớn thì lò xo càng ít bị biến dạng. Độ cứng của lò xo phụ thuộc vào chất thép dùng làm lò xo, đường kính của vòng xoắn và tiết diện dây.

  Đơn vị đo độ cứng là N/m.

 

Bài tập ví dụ. Khi người ta treo quả cân 300g vào đầu dưới của một lo xo (đầu trên cố định), thì lo xo dài 31cm. Khi treo thêm quả cân 200g nữa thì lo xo dài 33cm. Tính chiều dài tự nhiên và độ cứng của lo xo. Lấy g = 10m/s2.

Giải:

Khi m1 ở trạng thái cân bằng :

1 = đh1

Độ lớn : P1 = Fđh1  

          m1.g = k . Dl1                  (1)           

Tương tự khi treo thêm  m’ ta có :

         ( m1 + m’ ). g = k . Dl2     (2)                    

Khi đó ta có hệ :

 

Lập tỉ số : (1) /(2) ta có :

            

      Þ

   Û  5( l1 - l1 )   =  3( l2 - lo

   Û 15l1  - 5lo     =  3 l2   -  3 lo

   Û  155 - 5lo     =   99   -  3lo

   Û         2 lo       =    56

   Û       lo           =   28 cm = 0,28 m .

   Thế   lo = 0,28 m vào (1)

 Từ (1) Û 0,3.10 = k.(0,31 – 0,28)

Û k =  = 100 N/m.

 

4. Chú ý

a) Đối với dây cao su hay dây thép lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi bị ngoại lực kéo dãn. Trong trường hợp này lực đàn hồi được gọi là lực căng. Lực căng có điểm đặt và hướng giống như lực đàn hồi của lò xo (Hình 12.1,2,3,4).

b) Đối với các mặt tiếp xúc bị biến dạng khi ép vào nhau, lực đàn hồi có phương vuông góc với mặt tiếp xúc (Hình 12.5,6,7,8).

Hình 12.1. Lòng đường của cây cầu Thuận Phước - TP Đà Nẵng được giữ lên bằng sức căng của những sợi dây cáp, lực nén của các trụ cầu, ...

 

Hình 12.2. Dây thun (cao su)

 

Hình 12.3. Dây cót của đồng hồ

 

Hình 12.4. Dây cung

 

Hình 12.5

 

Hình 12.6. Quả bóng

 

Hình 12.7. Cái kẹp phơi quần áo

 

Hình 12.8. Giảm xốc (phuộc) xe gắn máy

 

1. Đối với trường hợp cây sào của vận động viên nhảy sào, cây sào chịu biến dạng loại gì? Lực đàn hồi trong trường hợp này có đặc điểm như thế nào?

Hình 12.9. Vận động viên Vũ Văn Huyện  lập kỷ lục mới môn nhảy sào nam với thành tích 4m70 tại giải vô địch điền kinh QG 2009 (Ảnh: Lê Thanh)

 

 

 

Lực đàn hồi xuất hiện ở cả hai đầu lò xo và tác dụng vào các vật làm nó biến dạng. Khi bị dãn, lực đàn hồi của lò xo hướng vào trong lò xo, còn khi bị nén, lực đàn hồi của lò xo hướng ra ngoài.

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

 Trong đó :                k: độ cứng (hay hệ số đàn hồi) của lò xo

: độ biến dạng (độ giãn hoặc độ nén) của lò xo

Đối với dây cao su, dây thép lực đàn hồi gọi là lực căng.

Đối với các mặt tiếp xúc bị biến dạng khi ép vào nhau, lực đàn hồi gọi là áp lực hay lực pháp tuyến.

 

Câu 1. Lực đàn hồi của lò xo xuất hiện khi nào?

Câu 2. Quan hệ giữa lực đàn hồi của lò xo và độ dãn?

Câu 3. Giới hạn đàn hồi là gì?

Câu 4. Phát biểu và viết biểu thức của định luật Húc?

 

 

 

Trong các bài tập dưới đây, các lò xo đều là lí tưởng, tức là có khối lượng không đáng kể.

12.1. Một lò xo có chiều dài tự nhiên 20 cm. Khi bị kéo , lò xo dài 24 cm và 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.                       C. 48 cm.

B. 40 cm.                       D. 22 cm.

12.2. Một lò xo có chiều dài tự nhiên 10 cm và có độ cứng 40 N/m. Giữ cố định một đầu và tác dụng vào đầu kia mọt lực 1,0 N để nén lò xo. Khi ấy, chiều dài của nó bằng bao nhiêu?

A. 2,5 cm.                      C. 12,5 cm.

B. 7,5 cm.                      D. 9,75 cm.

12.3. Một lò xo có chiều dài tự nhiên 25,0 cm được treo thẳng đứng. Khi móc vào đầu tự do của nó một vật có khối lượng 20 g thì lò xo dài 25,5 cm. Hỏi nếu treo một vật có khối lượng 100g thì lò xo có chiều dài bao nhiêu?

12.4. Một lò xo có chiều dài tự nhiên 20 cm và có độ cứng 75 N/m. Lò xo vượt quá giới hạn đàn hồi của nó khi bị kéo dãn vượt quá chiều dài 30 cm. Tính lực đàn hồi cực đại của lò xo.

12.5. Một lò xo được giữ cố định ở một đầu. Khi tác dụng vào đầu kia của nó lực kéo F1 = 1,8 N thì nó có chiều dài l1=17 cm. Khi lực kéo là F2 = 4,2 N thì nó có chiều dài l2= 21cm. Tính độ cứng và chiều dài tự nhiên của lò xo.

12.6. Một lò xo có chiều dài tự nhiên là l0. Treo lò xo thẳng đứng và móc vào đầu dưới một quả cân có khối lượng m1 = 100 g, lò xo dài 31 cm. Treo thêm vào đầu dưới một quả cân có khối lượng m2 = 100 g, nó dài 32 cm. Lấy g = 10 m/s2 . Tính độ cứng và chiều dài tự nhiên của lò xo.

12.7. Một lò xo có chiều dài tự nhiên là l0 = 27 cm, được treo thẳng đứng. Khi treo vào lò xo một vật có trọng lượng P1 = 5 N thì lò xo dài l1 = 44 cm. Khi treo một vật khác có trọng lượng P2 chưa biết, lò xò dài 35 cm. Hỏi độ cứng của lò xo và trọng lượng chưa biết.

12.8. Một lò xo có chiều dài tự nhiên là 5,0 cm. Treo lò xo thẳng đứng rồi móc vào đầu dưới một vật có khối lượng m1 = 0,50 kg, lò xo dài l1 = 7,0 cm. Nếu treo một vật khác có khối lượng m2 chưa biết , thì nó dài 6,5 cm. Lấy g = 9,8 m/s2. Tính độ cứng của lò xo và khối lượng m2 chưa biết.

12.9. Hình 12.1 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ dãn Dl của một lò xo vào lực kéo F.

a) Tại sao có thể nói các cặp giá trị F và Dl  trên đồ thị đều nằm trong giới hạn đàn hồi của lò xo?

b) Tìm độ cứng của lò xo.

c) Khi kéo bằng lực Fx chưa biết, thì độ dãn của lò xo là 4,5 cm. Hãy xác định Fx bằng đồ thị.

   

(Hình 12.1) 

 

 

 

 

Lò xo

LỰC KẾ

Lực kế được chế tạo dựa vào định luật Hooke. Trên lực kế, ứng với mỗi vạch chia độ, người ta không ghi giá trị của độ giãn mà ghi giá trị của lực đàn hồi tương ứng. Bộ phận chủ yếu của lực kế là một lò xo.

 

 

Lực kế là một dụng cụ đo lực rất thuận tiện nhưng không chính xác lắm. Khi sử dụng không được đo lực vượt quá giới hạn đo của lực kế.

 

 

 

 

http://hocmai.vn/mod/quiz/view.php?id=3219