Giáo án Bài 42. Biến dạng của lò xo

Huy động kiến thức nền, tạo tình huống có vấn đề về sự khác nhau giữa chiều dài của lò xo và độ dãn của lò xo.

GV chiếu mô phỏng NeoEdu: lò xo thép dài tự nhiên 8 cm được treo trên giá, chưa treo vật. GV treo quả nặng 75 g, kim chỉ ở vị trí 11 cm. GV đặt câu hỏi: "Lò xo dài bao nhiêu? Lò xo đã giãn thêm bao nhiêu xentimét?" HS trả lời nhanh vào vở nháp.

HS nhận ra có hai đại lượng khác nhau: chiều dài khi treo vật là $11\ \mathrm{cm}$ và phần lò xo giãn thêm so với chiều dài tự nhiên $8\ \mathrm{cm}$. Dự kiến HS nêu: "Lò xo dài 11 cm nhưng giãn thêm 11 − 8 = 3 cm." Từ đó xác định nhiệm vụ học tập: tìm hiểu độ dãn, biến dạng đàn hồi và giới hạn đàn hồi.

Nêu được độ dãn là chiều dài khi kéo trừ chiều dài tự nhiên; tính được độ dãn trong tình huống cụ thể và tìm hiểu mối quan hệ giữa số quả nặng với độ dãn.

Nhóm đôi quan sát mô phỏng NeoEdu (hoặc bộ thí nghiệm thực tế với quả nặng 50 g):

• Lần 1: treo quả nặng 75 g (1 quả 50 g và nửa quả 25 g), đọc chiều dài kim chỉ.
• Lần 2: treo lần lượt 1, 2, 3 quả 50 g, đọc chiều dài và tính độ dãn.
  Hoàn thành Phiếu học tập số 1. GV đặt câu hỏi: "Độ dãn được tính như thế nào? Vì sao không lấy chiều dài khi treo làm độ dãn?"

Kiến thức HS rút ra: Độ dãn là chiều dài khi kéo trừ chiều dài tự nhiên, $\Delta l = l - l_0$.
Số liệu dự kiến trong Phiếu học tập số 1:

• Treo 75 g: chiều dài $11\ \mathrm{cm}$, độ dãn $3\ \mathrm{cm}$.
• Treo 50 g: độ dãn $2\ \mathrm{cm}$ (chiều dài $10\ \mathrm{cm}$).
• Treo 100 g (2 quả): độ dãn $4\ \mathrm{cm}$ (chiều dài $12\ \mathrm{cm}$).
• Treo 150 g (3 quả): độ dãn $6\ \mathrm{cm}$ (chiều dài $14\ \mathrm{cm}$).
  Kết luận: lò xo dài tự nhiên $8\ \mathrm{cm}$ thì độ dãn không phải là $11\ \mathrm{cm}$.

Nêu được biến dạng đàn hồi và giới hạn đàn hồi; phân biệt được ba khái niệm độ dãn, biến dạng đàn hồi, giới hạn đàn hồi; nêu được hậu quả khi vượt giới hạn đàn hồi.

Nhóm đôi tiếp tục trên mô phỏng NeoEdu:

• Bước 1: treo 1, 2, 3 quả 50 g rồi gỡ ra; quan sát lò xo có về lại chiều dài $8\ \mathrm{cm}$ không.
• Bước 2: giới hạn đàn hồi của lò xo này là 200 g. Treo 250 g (5 quả 50 g), quan sát lò xo dãn vọt lên, sau đó gỡ ra và kiểm tra có về lại $8\ \mathrm{cm}$ không.
  Hoàn thành Phiếu học tập số 2. GV đặt câu hỏi thảo luận: "Hai vật như nhau làm lò xo dãn 2 cm và 4 cm khi treo lần lượt một rồi hai vật. Ba vật có chắc chắn dãn 6 cm không?"

Kiến thức HS rút ra:

• Biến dạng đàn hồi: khi gỡ vật ra, lò xo gần trở lại hình dạng cũ (về $8\ \mathrm{cm}$) trong giới hạn đàn hồi.
• Giới hạn đàn hồi: phạm vi không nên vượt khi sử dụng lò xo, với lò xo trong mô phỏng là 200 g.
• Vượt giới hạn đàn hồi (250 g): lò xo dãn vọt lên, gỡ ra không về $8\ \mathrm{cm}$, gây biến dạng vĩnh viễn hoặc đứt.
  Dự đoán thảo luận: ba vật (150 g) nằm trong giới hạn 200 g nên có thể dự đoán dãn $6\ \mathrm{cm}$, nhưng chỉ khi còn trong giới hạn đàn hồi và điều kiện không đổi; không tự treo quá tải để kiểm tra.

Củng cố cách phân biệt độ dãn, biến dạng đàn hồi và giới hạn đàn hồi; vận dụng cách tính độ dãn trong bài tập.

HS làm các bài tập sau (có thể làm trên học liệu NeoEdu phần bài tập tương tác):

1. Trong bài này, độ dãn có đặc điểm nào? A. chiều dài khi kéo trừ chiều dài tự nhiên; B. chiều dài tổng của lò xo; C. khối lượng vật treo.
2. Trong bài này, biến dạng đàn hồi có đặc điểm nào? A. mọi biến dạng đều không phục hồi; B. vật gần trở lại hình dạng cũ khi thôi lực trong giới hạn; C. vật luôn giữ nguyên biến dạng.
3. Ghép khái niệm với đặc điểm: Độ dãn; Biến dạng đàn hồi; Giới hạn đàn hồi.
4. Lò xo bị kéo dài bao nhiêu cũng trở lại như cũ. Đúng hay sai?
5. Chọn thuật ngữ phù hợp: "phạm vi không nên vượt khi sử dụng lò xo" mô tả {{1}}.
   GV yêu cầu HS làm bài 1–5 trong 6 phút, sau đó tính nhanh bài 6: Lò xo dài tự nhiên 8 cm, khi treo vật dài 11 cm. Độ dãn bao nhiêu?

Đáp án:

1. A. Độ dãn là chiều dài khi kéo trừ chiều dài tự nhiên.
2. B. Vật gần trở lại hình dạng cũ khi thôi lực trong giới hạn.
3. Độ dãn – chiều dài khi kéo trừ chiều dài tự nhiên; Biến dạng đàn hồi – vật gần trở lại hình dạng cũ khi thôi lực trong giới hạn; Giới hạn đàn hồi – phạm vi không nên vượt khi sử dụng lò xo.
4. Sai. Vượt giới hạn đàn hồi có thể biến dạng vĩnh viễn hoặc đứt, nên không kéo quá tải.
5. Giới hạn đàn hồi.
6. $11 - 8 = 3\ \mathrm{cm}$. Độ dãn là $3\ \mathrm{cm}$, không dùng $11\ \mathrm{cm}$ làm độ dãn.

Vận dụng kiến thức về giới hạn đàn hồi để bác bỏ quan niệm sai, rút ra cách sử dụng lò xo an toàn trong đời sống.

Tình huống: Bạn An khẳng định: "Lò xo bị kéo dài bao nhiêu cũng trở lại như cũ." Nhóm đôi thực hiện: (1) đưa ra một lí do khoa học để bác bỏ; (2) chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai; (3) viết lại kết luận đúng. Sau đó, mỗi HS nêu một ví dụ về việc sử dụng lò xo trong đời sống và cách tránh kéo quá tải.

Lí do khoa học: Vượt giới hạn đàn hồi có thể làm lò xo biến dạng vĩnh viễn hoặc đứt.
Hệ quả của cách hiểu sai: lò xo bị kéo quá mức, không trở lại như cũ, có thể đứt và gây nguy hiểm khi sử dụng.
Kết luận đúng: Lò xo chỉ trở lại hình dạng cũ khi lực kéo còn trong giới hạn đàn hồi; không kéo quá tải, không ngoại suy kết quả ra ngoài giới hạn thiết bị.