Giáo án Bài 33. Biến dạng của vật rắn

HS nhận biết được vật có trở lại hình dạng ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay không; từ đó nêu được vấn đề về mối liên hệ giữa lực và độ biến dạng.

HS quan sát ba vật mẫu: lò xo xoắn được kéo nhẹ rồi thả, dây cao su được kéo rồi thả và đoạn dây thép (hoặc thanh nhựa mềm) được uốn cong rồi buông. HS trả lời ba câu hỏi:

• Câu 1: Vật nào sau khi thôi tác dụng lực thì trở lại đúng hình dạng cũ?
• Câu 2: Kéo lò xo càng mạnh thì lò xo dãn càng nhiều hay không?
• Câu 3: Nếu kéo quá mạnh, lò xo có còn trở lại hình dạng cũ không?

Dự kiến câu trả lời của HS:

• Câu 1: Lò xo và dây cao su trở lại hình cũ sau khi thả; đoạn dây thép giữ nguyên hình dạng đã uốn.
• Câu 2: Kéo mạnh hơn thì lò xo dãn nhiều hơn (HS dự đoán, chưa có số liệu).
• Câu 3: Kéo quá mạnh thì lò xo không trở về hình cũ hoàn toàn.
  Kết quả ghi nhận của lớp: Biến dạng có thể mất đi hoặc còn lại sau khi bỏ lực; cần xác định mức lực và mối quan hệ định lượng giữa $F$ và $\Delta l$.

HS phân biệt được biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, biến dạng kéo và biến dạng nén; nêu được giới hạn đàn hồi qua quan sát mô phỏng.

Các nhóm sử dụng mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu, chọn lò xo A (k = 50 N/m, giới hạn 6 N, $l_0$ = 15 cm). Nhóm lần lượt treo các quả nặng 0,5 N: 2 N, 4 N, 6 N rồi 10 N; sau mỗi lần ghi độ dãn, bỏ tải và quan sát. Sau đó nhóm thử nén lò xo dưới vật 2 N. Nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 1. Trọng tâm câu hỏi: Lò xo trở về đúng $l_0$ khi nào? Khi nào lò xo không còn trở về? Biến dạng nén khác biến dạng kéo ở chỗ nào?

Kiến thức HS rút ra:

• Biến dạng đàn hồi: biến dạng mất đi khi thôi tác dụng lực, vật lấy lại hình dạng cũ. Ví dụ: lò xo treo 2 N hoặc 4 N, bỏ tải thì lò xo về đúng $l_0$.
• Biến dạng dẻo: biến dạng còn lại khi thôi tác dụng lực. Ví dụ: treo 10 N, vượt giới hạn 6 N, đồ thị cong lên; sau khi bỏ tải lò xo còn dài thêm 6,4 cm.
• Biến dạng kéo: lò xo dãn ra, $\Delta l=l-l_0>0$. Biến dạng nén: lò xo bị ép, ngắn đi; ví dụ lò xo nén dưới vật 2 N ngắn đi 2 cm.
• Giới hạn đàn hồi của lò xo A là 6 N: lực vượt mức này thì lò xo bị biến dạng dẻo.
• Độ cứng $k$: là hệ số tỉ lệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng. Lò xo B có $k=100$ N/m, cứng hơn lò xo A ($k=50$ N/m) nên dãn ít hơn với cùng lực 4 N (dãn 4 cm so với 8 cm).
  HS điền Phiếu học tập số 1 hoàn chỉnh vào vở.

HS tiến hành đo độ dãn của lò xo với nhiều mức lực, từ đó tìm ra mối liên hệ tỉ lệ thuận giữa lực đàn hồi và độ dãn, phát biểu được định luật Hooke và xác định được độ cứng $k$.

Nhóm dùng thí nghiệm thật (hoặc thí nghiệm ảo trên NeoEdu nếu thiếu dụng cụ) để đo. Nhóm treo lần lượt từ 1 đến 5 quả nặng (mỗi quả 0,5 N), đo chiều dài $l$, tính $\Delta l=l-l_0$ và lực $F=mg$ (với $g=10$ m/s²). Nhóm ghi số liệu vào Phiếu học tập số 2, tính tỉ số $\dfrac{F}{\Delta l}$, vẽ đồ thị $F$ theo $\Delta l$. Câu hỏi trọng tâm: Tỉ số $\dfrac{F}{\Delta l}$ có thay đổi không? Đồ thị có phải đường thẳng đi qua gốc không? Vì sao phải đo nhiều cặp số liệu?

Kết quả và kiến thức HS rút ra:

• Với mô phỏng lò xo A: 2 N dãn 4 cm, $k=\dfrac{2}{0{,}04}=50$ N/m; 4 N dãn 8 cm, $k=\dfrac{4}{0{,}08}=50$ N/m. Tỉ số $\dfrac{F}{\Delta l}$ không đổi.
• Với thí nghiệm thật, tỉ số $\dfrac{F}{\Delta l}$ của các cặp số liệu gần bằng nhau; đồ thị $F$ theo $\Delta l$ là đường thẳng đi qua gốc tọa độ; độ dốc của đồ thị chính là $k$.
• Định luật Hooke: Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng, $F_{dh}=k|\Delta l|$, với $k$ đơn vị N/m; $\Delta l$ là độ dãn, không phải chiều dài $l$ của lò xo.
• Phải đo nhiều cặp số liệu vì một điểm không đủ để khẳng định quy luật tỉ lệ.
  HS hoàn thành Phiếu học tập số 2 và viết kết luận của nhóm.

HS vận dụng được định luật Hooke để tính độ dãn, lực đàn hồi, độ cứng; nhận biết và sửa được các quan niệm sai về định luật Hooke.

Lớp chia thành 4 nhóm, mỗi nhóm quay vòng qua 4 trạm (mỗi trạm 5 phút). Các đề bài lấy từ bài tập đã cho:

• Trạm 1 (tính toán): Bài 1: $l_0=10$ cm, $l=14$ cm, tính độ dãn (đơn vị cm). Bài 2: lò xo trong miền Hooke, $F=2$ N, $\Delta l=0{,}04$ m, tính $k$.
• Trạm 2 (tính ngược): Bài 3: $k=100$ N/m, $\Delta l=0{,}03$ m, tính $F$. Bài 4: $k=50$ N/m, $F=5$ N, tính $\Delta l$ (đơn vị m).
• Trạm 3 (trắc nghiệm): Bài 5: Trên đồ thị $F$ theo $\Delta l$ trong miền Hooke, độ dốc bằng gì? A. Khối lượng; B. Thế năng trọng trường; C. Độ cứng $k$; D. Chiều dài tự nhiên. Bài 7: Hai lò xo chịu cùng lực trong miền Hooke, lò xo có $k$ lớn hơn sẽ thế nào? A. Dãn ít hơn; B. Dãn nhiều hơn; C. Luôn cùng độ dãn; D. Mất khối lượng.
• Trạm 4 (đúng/sai): Bài 6: Về lò xo, xác định đúng (Đ) hoặc sai (S): a) Cần đổi cm sang m khi $k$ tính N/m; b) Mọi lò xo luôn tuân Hooke ở mọi lực; c) Bỏ lực mà vật còn biến dạng có thể là biến dạng dẻo; d) Độ dãn không phải chiều dài toàn lò xo.

Đáp án và kết quả mong đợi:

• Bài 1: $\Delta l=l-l_0=14-10=4$ cm.
• Bài 2: $k=\dfrac{F}{\Delta l}=\dfrac{2}{0{,}04}=50$ N/m.
• Bài 3: $F=k\Delta l=100\times 0{,}03=3$ N.
• Bài 4: $\Delta l=\dfrac{F}{k}=\dfrac{5}{50}=0{,}10$ m.
• Bài 5: Đáp án C, vì $F=k\Delta l$ nên hệ số góc của đồ thị là $k$.
• Bài 6: a) Đ; b) S (định luật Hooke chỉ đúng trong giới hạn đàn hồi); c) Đ; d) Đ.
• Bài 7: Đáp án A, vì $\Delta l=\dfrac{F}{k}$ nên $k$ lớn thì $\Delta l$ nhỏ.
  Kết quả mong đợi: HS đạt ít nhất 6/7 câu; nhóm tự sửa được quan niệm sai "định luật Hooke đúng với mọi độ dãn".

HS vận dụng định luật Hooke và điều kiện cân bằng để tính độ dãn của lò xo treo đứng; giải thích được nguyên lí làm việc của cân lò xo và vì sao cần giữ tải trong miền đàn hồi.

Bài toán: Lò xo treo đứng có độ cứng $k=40$ N/m, mang vật khối lượng $m=0{,}2$ kg, lấy $g=10$ m/s², vật đứng yên. Tìm độ dãn của lò xo và nêu điều kiện áp dụng định luật Hooke. Câu hỏi thực tế: Vì sao cân lò xo trong siêu thị có thể chỉ khối lượng hàng hóa? Vì sao lò xo giảm xóc của xe không được chịu tải quá lớn?

Lời giải mẫu:

• Điều kiện cân bằng: $k\Delta l=mg=0{,}2\times 10=2$ N.
• Độ dãn: $\Delta l=\dfrac{2}{40}=0{,}05$ m $=5$ cm.
• Điều kiện: lò xo làm việc trong miền đàn hồi (Hooke), khối lượng lò xo được bỏ qua, vật đứng yên và giá treo an toàn.
  Kết quả thực tế: Cân lò xo hiển thị khối lượng dựa trên độ dãn tỉ lệ thuận với lực (trọng lượng) trong miền đàn hồi, nên phải chia độ theo giới hạn đàn hồi. Lò xo giảm xóc chỉ làm việc tốt khi tải nằm trong miền đàn hồi; tải quá lớn sẽ gây biến dạng dẻo, xe bị lệch và giảm hiệu quả.