Lí thuyết và bài tập Biến dạng của vật rắn

Vật lý lớp 10: Biến dạng vật rắn

Biến dạng của vật rắn là một nội dung trọng tâm trong chương trình Vật lý lớp 10, liên quan đến các hiện tượng như đàn hồi, dẻo, và các lực tác động lên vật thể. Để học tốt phần này, bạn cần nắm vững lý thuyết, công thức tính độ biến dạng, và phương pháp giải bài tập. Trong bài viết này, chúng tôi tổng hợp đầy đủ lý thuyết và bài tập biến dạng của vật rắn kèm theo ví dụ minh họa dễ hiểu, giúp bạn học nhanh – nhớ lâu và vận dụng hiệu quả trong các bài kiểm tra, thi cử.

A. Kiến thức cần nhớ về biến dạng của vật rắn

1. Biến dạng đàn hồi

Mức độ biến dạng (nén hoặc bị kéo) của thanh rắn được xác định bởi độ biến dạng tỉ đối:

\(\varepsilon = \frac{\Delta l}{l_{0}}\)

- Sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật rắn do chịu tác dụng của ngoại ực gọi làbiến dạng cơ. Nếu vật lấy lại hình dạng và kích thước ban đầu khi ngoại lực thôi tác dung thì biến dạng của vật gọi là biến dạng đàn hồi, vật rắn đó có tính đàn hồi

- Nếu hình dạng và kích thước của vật rắn không trở lại như ban đầu thì vật rắn có tính dẻo và biến dạng của nó là biến dạng dẻo (hay biến dạng còn dư).

- Giới hạn đàn hồi là giới hạn trong đó vật còn giữ được tính đàn hồi (giới hạn đó có thể là độ lớn lực, hướng của lực hoặc thời gian tác dụng của lực).

 2. Định luật Hooke về biến dạng cơ của vật rắn

 Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối của vật rắn (đồng chất, hình trụ) tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật đó.

\(\varepsilon = \frac{|\Delta l|}{l_{0}} = \alpha\sigma\)

3. Lực đàn hồi

Từ công thức trên suy ra:

\(\sigma = \frac{F}{S} = E.\frac{|\Delta l|}{l_{0}}\)

 Dưới tác dụng của lực không đổi F, thanh rắn biến dạng một đoạn ∆l.

Khi đó, theo định luật III Niutơn và định luật Húc, ta tìm được độ lớn của lực đàn hồi là:

\(F_{dh} = \frac{1}{\alpha}.\frac{S}{l_{0}}.|\Delta l| = E.\frac{S}{l_{0}}.\Delta l = k.|\Delta l|\)

Trong đó: E=1/α là suất đàn hồi hay suất Y-âng (Young) đặc trưng cho tính đàn hồi của vật rắn.

Đơn vị đo của E cũng là paxcan (Pa), với k = ES/l₀: là hệ số đàn hồi hay độ cứng (N/m) phụ thuộc bản chất và kích thước của thanh rắn

B. Bài tập tự luận về biến dạng của vật rắn

Câu 1: Một thanh xà ngang bằng thép dài 5,0 m có tiết diện 25 m². Hai đầu của thanh xà được gắn chặt vào hai bức tường đối diện. Hãy tính áp lực do thanh xà tác dụng lên các bức tường khi thanh xà dãn dài thêm 1,2 mm do nhiệt độ nó tăng. Thép có suất đàn hồi E = 20.10¹⁰ Pa. Bỏ qua biến dạng của các bức tường.

Câu 2: Một chiếc cột bê tông cốt thép chịu lực nén thẳng đứng F của tải trọng đè lên nó. Giả sử suất đàn hồi của bê tông bằng khoảng \(\frac{1}{10}\) của thép, còn diện tích tiết diện ngang của thép bằng khoảng \(\frac{1}{20}\) của bê tông. Hãy tính phần lực nén do tải trọng tác dụng lên phần bê tông của chiếc cột.

Câu 3: Khi kéo một sợi dây đồng có tiết diện ngang là 1,5mm², người ta thấy dây bắt đầu bị biến dạng dẻo khi lực kéo có giá trị từ 45N trở lên. Hỏi giới hạn đàn hồi của đồng (tính theo đơn vị Pa)? (3.10⁷Pa)

Câu 4: Một đèn chùm có khối lượng 250kg được treo bằng một sợi dây nhôm với giới hạn bền của nhôm là 1,1.10⁸ Pa. Dây treo phải có tiết diện ngang là bao nhiêu để ứng suất kéo gây bởi trọng lượng của đèn chùm không vượt quá 25% giới hạn bền của vật liệu làm dây? Độ biến dạng tỉ đối của dây là bao nhiêu? (89mm²; 4.10^-4)

C. Bài tập trắc nghiệm về biến dạng của vật rắn

Câu 1: Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứn gở cột bên phải để thành một câu có nội đúng.

1. Sự thay đổi hình dạng và kích thướt của vật rắn do tác dụng của ngoại lực là	a) niutơn trên mét (N/m).
2. Biến dạng mà vật rắn lấy lại được kích thước và hình dạng ban đầu khi ngoại lực ngừng tác dụng là	b) độ biến dạng kéo (hoặc nén) của thanh rắn.
3. Đại lượng xác định bởi thương số giữa ngoại lực làm biến dạng thanh rắn và tiết diện ngang của thanh đó gọi là	c) giới hạn đàn hồi.
4. Biến dạng có tác dụng làm tăng độ dài và giảm tiết diện ở phần giữa của thanh rắn gọi là	d) biến dạng kéo.
5. Biến dạng có tác dụng làm giảm độ dài và tăng tiết diện ở phần giữa của thanh rắn gọi là	đ) ứng suất cơ.
6. Đơn vị đo độ cứng của thanh rắn là	e) độ cứng (hay hệ số đàn hồi) của thanh rắn.
7. Đơn vị đo suất đàn hồi của thanh rắn là	g) paxcan (Pa).
8. Giới hạn trong đó vật rắn còn giữ được tính đàn hồi gọi là	h) suất đàn hồi (hay suất Y – âng).
9. Lực đàn hồi có độ lớn tỉ lệ thuận với	i) biến dạng đàn hồi.
10. Đại lượng đặc trưng cho tính đàn hồi, phụ thuộc bản chất và kích thước thanh rắn là	k) biến dạng nén.
11. Đại lượng đặc trưng cho tính đàn hồi , phụ thuộc bản chất thanh rắn là	l) biến dạng cơ.

Câu 2: Mức độ biến dạng của thanh rắn phụ thuộc những yếu tố nào?

A. Bản chất của thanh rắn.

B. Độ lớn của ngoại lực tác dụng vào thanh.

C. Tiết diện ngang của thanh.

D. Cả ba yếu tố trên.

Câu 3: Vật nào dưới đây chịu biến dạng kéo?

A.Trụ cầu.

B. Móng nhà.

C. Dây cáp của cần cẩu đang chuyển động.

D. Cột nhà.

Câu 4: Vật nào dưới đây chịu biến dạnh nén?

A. Dây cáp của cầu treo.

B. Thanh nối các toa xe lửa đang chạy.

C. Chiếc xà beng đang bẩy một tảng đá to.

D. Trụ cầu.

Câu 5. Hệ số đàn hồi của thanh thép khi biến dạng kéo hoặc nén phụ thuộc như  thế nào vào tiết diện ngang và độ dài ban đầu của thanh rắn?

A. Tỉ lệ thuận với tích số của độ dài ban đầu và tỉ lệ nghịch với tiết diện ngang của thanh.

B. Tỉ lệ thuận với độ dài ban đầu và tỉ lệ nghịch với tiết diện ngang của thanh.

C. Tỉ lệ thuận với tiết diện ngang và tỉ lệ nghịch với độ dài ban đầu của thanh.

D. Tỉ lệ nghịch với tích số của độ dài ban đầu và tiết diện ngang của thanh.

Câu 6: Một sợi dây sắt dài gấp đôi nhưng có tiết diện nhỏ bằng nữa tiết diện của sợi dây đồng. Giữ chặt đầu trên của mỗi sợi  dây và treo vào đầu dưới của chúng hai vật nặng giống nhau. Suất đàn hồi của sắt lớn hơn của đồng 1,6 lần. Hỏi sợi dây sắt bị dãn nhiều hơn hay ít hơn bao nhiêu lần so với sợi dây đồng?

A. Sợi dây sắt bị dãn ít hơn 1,6 lần.

B. Sợi dây sắt bị dãn nhiều hơn 1,6 lần.

C. Sợi dây sắt bị dãn  ít hơn 2,5 lần.

D. Sợi dây sắt bị dãn nhiều hơn 2,5 lần.

Câu 7. Một thanh thép dài 5,0 m có tiết diện 1,5 cm² được giữ chặt một đầu. Cho biết suất đàn hồi của thép là E = 2.10¹¹ Pa. Lực kéo tác dụng lên đầu kia của thanh thép bằng bao nhiêu để thanh dài thêm 2,5 mm?

A. F = 6,0.10¹⁰ N.

B. F = 1,5.10⁴ N.

C. F = 15.10⁷ N.

D. F = 3,0.10⁵ N.

Toàn bộ nội dung đã sẵn sàng! Nhấn Tải về để tải đầy đủ tài liệu

----------------------------------------------

Trên đây là tổng hợp toàn bộ lý thuyết và bài tập về biến dạng của vật rắn, bao gồm các dạng biến dạng phổ biến, công thức tính và hướng dẫn giải chi tiết. Để học tốt chuyên đề này, bạn nên luyện tập thường xuyên và làm quen với nhiều dạng bài khác nhau. Nếu bạn thấy bài viết hữu ích, đừng quên lưu lại và chia sẻ cho bạn bè cùng học nhé!