Vật lý 10 · Biến dạng
Biến dạng của vật rắn, định luật Hooke và áp suất chất lỏng
Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo; lực đàn hồi của lò xo và định luật Hooke; khối lượng riêng, áp suất chất lỏng và nguyên lí Pascal.
Biến dạng của vật rắn
- Biến dạng đàn hồi: vật lấy lại hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực.
- Biến dạng dẻo (biến dạng không đàn hồi): vật không lấy lại được hình dạng ban đầu.
- Biến dạng kéo (vật dài ra) và biến dạng nén (vật ngắn lại).
- Giới hạn đàn hồi: lực lớn nhất mà vật còn giữ được tính đàn hồi.
Lực đàn hồi – định luật Hooke
Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng:
\[F_{đh} = k|\Delta \ell| = k|\ell - \ell_0|\]\(k\) là độ cứng (N/m), phụ thuộc vật liệu và kích thước lò xo. Lực đàn hồi luôn hướng về phía làm lò xo trở về chiều dài tự nhiên.
Đồ thị \(F\)–\(\Delta\ell\) là đoạn thẳng qua gốc toạ độ, độ dốc bằng \(k\). Treo vật cân bằng: \(k\Delta\ell_0 = mg\).
Khối lượng riêng và áp suất
- Khối lượng riêng: \(\rho = \dfrac{m}{V}\) (kg/m³). Nước: 1000 kg/m³.
- Áp suất: \(p = \dfrac{F}{S}\) (Pa = N/m²).
- Áp suất chất lỏng ở độ sâu \(h\): \(p = p_a + \rho g h\); chênh lệch áp suất giữa hai điểm: \(\Delta p = \rho g\Delta h\).
- Các điểm cùng độ sâu trong cùng một chất lỏng đứng yên có cùng áp suất.
- Nguyên lí Pascal – máy nén thuỷ lực: \(\dfrac{F_1}{S_1} = \dfrac{F_2}{S_2}\).
🔬 Mô phỏng tương tác
- Đổi Khối lượng vật treo lần lượt 0,1 – 0,2 – 0,3 kg, mỗi lần chờ vật đứng yên rồi bấm 📍 Ghi điểm đo (Δl, F): các điểm nằm trên một đường thẳng qua gốc toạ độ.
- Khi vật cân bằng, so sánh ô F_đh = k·Δl với ô P = mg: lực đàn hồi cân bằng trọng lực.
- Bấm 🧹 Xoá đồ thị, tăng Độ cứng k rồi đo lại: đường F – Δl dốc hơn, cùng một vật nhưng lò xo dãn ít hơn (Δl = mg/k).
- Treo vật nặng đến khi Δl vượt 30 cm: ô Trạng thái cảnh báo vượt giới hạn đàn hồi – định luật Hooke chỉ đúng trong giới hạn này.
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Một lò xo có chiều dài tự nhiên 20 cm, độ cứng 100 N/m. Treo vào lò xo một vật 200 g (g = 10 m/s²). Tính chiều dài lò xo khi vật cân bằng.
Xem lời giải
- \(\Delta\ell = \dfrac{mg}{k} = \dfrac{0{,}2\cdot 10}{100} = 0{,}02\) m = 2 cm.
- \(\ell = \ell_0 + \Delta\ell = 22\) cm.
✅ Đáp số: ℓ = 22 cm
Ví dụ 2. Tính áp suất do nước gây ra tại độ sâu 5 m và áp suất toàn phần tại đó. Cho ρ = 1000 kg/m³, g = 10 m/s², p_a = 10⁵ Pa.
Xem lời giải
- \(\rho g h = 1000\cdot 10\cdot 5 = 5\cdot 10^4\) Pa.
- \(p = p_a + \rho g h = 1{,}5\cdot 10^5\) Pa.
✅ Đáp số: 5·10⁴ Pa; 1,5·10⁵ Pa
Ví dụ 3. Một máy nén thuỷ lực có pít-tông nhỏ tiết diện 2 cm², pít-tông lớn 200 cm². Cần đặt lên pít-tông nhỏ lực bao nhiêu để nâng ô tô nặng 12 000 N?
Xem lời giải
- \(F_1 = F_2\dfrac{S_1}{S_2} = 12\,000\cdot \dfrac{2}{200} = 120\) N.
✅ Đáp số: F = 120 N
⚠️ Lỗi thường gặp
- Dùng chiều dài lò xo ℓ thay cho độ biến dạng Δℓ trong định luật Hooke.
- Quên đổi cm sang m khi tính lực đàn hồi (k tính bằng N/m).
- Áp dụng định luật Hooke khi vật đã vượt giới hạn đàn hồi.
- Cho rằng áp suất chất lỏng phụ thuộc hình dạng bình chứa – nó chỉ phụ thuộc độ sâu và khối lượng riêng.
- Quên cộng áp suất khí quyển khi đề hỏi áp suất toàn phần.