Cách tính Lực đàn hồi của Con lắc Lò xo, Công thức Định luật Húc (Hooke) và bài tập - Vật lý 10 bài 12

Bài viết này chúng ta cùng đi tìm hiểu Lực đàn hồi của con lắc lò xo, Công thức định luật Húc được tính như thế nào? Định luật Húc được phát biểu ra sao? ứng dụng của định luật Hooke là gì? để giải đáp các thắc mắc trên.

I. Hướng và điểm đặt của Lực đàn hồi của con lắc lò xo

- Lực đàn hồi xuất hiện ở 2 đầu của lò xo và tác dụng vào các vật tiếp xúc với lò xo, làm nó biến dạng.

- - Hướng của lực đàn hồi ở mỗi đầu của lò xo ngược với hướng của ngoại lực gây biến dạng. Tức là, 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 của lò xo hướng theo trục của lò xo ra ngoài.

II. Cách tính Độ lớn lực đàn hồi của lò xo, Công thức Định luật Húc (Hooke).

1. Thí nghiệm của định luật Húc (Hooke).

- Treo quả cân có trọng lượng P vào lò xo thì lò xo dãn ra, khi ở vị trí cân bằng ta có: F = P = mg.

- Treo tiếp 1,2 quả cân vào lo xo, ở mỗi làn, ta đo chiều dài l của lò xo khi có tải rồi tính độ dãn của lò xo: Δl = l - l₀.

- Bảng kết quả thu được từ một lần làm thí nghiệm

2. Giới hạn đàn hồi của lò xo  

- Nếu trọng lượng của tải vượt quá một giá trị nào đó gọi là giới hạn đàn hồi thì độ dãn của lò xo sẽ không còn tỉ lệ với trọng lượng của tải và khi bỏ tải đi thì lò xo không co được về đến chiều dài l₀ nữa.

3. Cách tính lực đàn hồi của lò xo, Công thức Định luật Húc (Hooke)

• Công thức tính lực đàn hồi của lò xo (Công thức định luật Húc):

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

- Trong đó:

 k gọi là độ cứng (hay hệ số đàn hồi) của lò xo, có đơn vị là N/m.

 Δl = |l - l₀| là độ biến dạng (dãn hay nén) của lò xo.

- Khi quả cân đứng yên: 

⇒ Công thức tính độ cứng của lò xo: 

• Ứng dụng của định luật Húc trong thực tế đó là làm các vận dụng như ghế sofa, ghế xoay, đệm lò xo,...

4. Chú ý

- Đối với dây cao su hay dây thép, lực đàn hồi chỉ xuất hiện khi bị ngoại lực kéo dãn. Vì thế lực đàn hồi trong trường hợp này gọi là lực căng.

- Đối với mặt tiếp xúc bị biến dạn khi bị ép vào nhau thì lực đàn hồi có phương vuông góc với mặt tiếp xúc.

II. Bài tập vận dụng Công thức Định luật Húc (Công thức tính lực đàn hồi của lò xo).

* Bài 1 trang 74 SGK Vật Lý 10: Nêu những đặc điểm (về phương, chiều, điểm đặt ) của lực đàn hồi của:

a) lò xo

b) dây cao su, dây thép

c) mặt phẳng tiếp xúc

° Lời giải bài 1 trang 74 SGK Vật Lý 10:

a) Lực đàn hồi của lò xo:

+ Phương: Trùng với phương của trục lò xo.

+ Chiều: ngược chiều biến dạng của lò xo: khi lò xo dãn, lực đàn hồi hướng vào trong, khi nén, lực đàn hồi hướng ra ngoài.

+ Điểm đặt: Đặt vào vật tiếp xúc với vật.

b) Dây cao su, dây thép

+ Phương: Trùng với chính sợi dây.

+ Chiều: Hướng từ hai đầu dây vào phần giữa của sợi dây.

+ Điểm đặt: Đặt vào vật tiếp xúc với vật

c) Mặt phẳng tiếp xúc:

+ Phương của lực đàn hồi: Vuông góc với mặt tiếp xúc.

+ Điểm đặt: Đặt vào vật gây biến dạng của mặt phẳng.

+ Chiều: hướng ra ngoài mặt phẳng tiếp xúc.

* Bài 2 trang 74 SGK Vật Lý 10: Phát biểu định luật Húc

° Lời giải bài 2 trang 74 SGK Vật Lý 10:

- Định luật Húc: Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo : F_dh = k|Δl|;

- Trong đó:

 k gọi là độ cứng của lò xo (hay còn gọi là hệ số đàn hồi), đợn vị N/m.

 |Δl| = |l - l₀| là độ biến dạng (bao gồm độ dãn ra hay nén lại) của lò xo.

* Bài 3 trang 74 SGK Vật Lý 10: Phải treo một vật có trọng lượng bằng bao nhiêu vào một lò xo có độ cứng k = 100 N/ m để nó dãn ra được 10 cm?

A.1000N;   B.100N;   C.10N;   D.1N;

° Lời giải bài 3 trang 74 SGK Vật Lý 10:

¤ Chọn đáp án: C.10N;

- Khi vật nằm cân bằng trọng lực P cân bằng với lực đàn hồi F_dh: 

- Về độ lớn:P = F_dh = kΔl = 100.0,1 = 10(N).

* Bài 4 trang 74 SGK Vật Lý 10: Một lò xo có chiều dài tự nhiên bằng 15 cm. Lò xo được giữ cố định tại một đầu, còn đầu kia chịu một lực kéo bằng 4,5 N. Khi ấy lò xo dài 18 cm. Độ cứng của lò xo bằng bao nhiêu?

A.30N/m;   B.25N/m;    C.1,5N/m;    D.150N/m;

° Lời giải bài 4 trang 74 SGK Vật Lý 10:

¤ Chọn đáp án: D.150N/m.

- Độ biến dạng của lò xo là: Δl = l - l₀ = 18 - 15 = 3(cm) = 0,03(m).

- Lực kéo cân bằng với lực đàn hồi: F_k = F_dh = k.Δl

* Bài 5 trang 74 SGK Vật Lý 10: Một lò xo có chiều dài tự nhiên 30 cm, khi bị nén lò xo dài 24 cm và lực đàn hồi của nó bằng 5 N. Hỏi khi lực đàn hồi của lò xo bị nén bằng 10 N thì chiều dài của nó bằng bao nhiêu?

A.18cm;    B.40cm;    C.48cm;   D.22cm;

° Lời giải bài 5 trang 74 SGK Vật Lý 10:

¤ Chọn đáp án: A.18cm.

- Độ biến dạng của lò xo khi bị nén bởi lực có độ lớn F₁ = 5N là:

 |Δl| = |l₁ - l₀| = |24 - 30| = 6cm

- Độ biến dạng của lò xo khi bị nén bởi lực có độ lớn F₂ = 10N = 2F₁ là:

 |Δl₂| = 2|Δl₁| = 2. 6 = 12cm

- Chiều dài dò xo khi bị nén bởi lực 10N là:

 l₁ = l₀ - Δl₂ = 30 - 12 = 18cm

* Bài 6 trang 74 SGK Vật Lý 10: Treo một vật có trọng lượng 2,0 N vào một lò xo, lò xo dãn ra 10 mm. Treo một vật khác có trọng lượng chưa biết vào lò xo, nó dãn ra 80 mm.

a) Tính độ cứng của lò xo.

b) Tính trọng lượng chưa biết.

° Lời giải bài 6 trang 74 SGK Vật Lý 10:

a) Khi treo vật có trọng lượng 2(N), ở vị trí cân bằng lò xo dãn Δl₁ = 10(mm) = 0,01(cm), ta có:

b) Khi treo vật có trọng lượng P₂, tại vị trí cân bằng, lò xo dãn Δl₂ = 80(mm) = 0,08(cm), ta có: