Định luật Hooke – lò xo

Bài Biến dạng của vật rắn và định luật Hooke, Vật lí 10 (Chương trình GDPT 2018), phát biểu lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng trong giới hạn đàn hồi: F = k·Δl, trong đó k là độ cứng của lò xo. Mô phỏng dựng ba màn hình độc lập: Giới thiệu, Hệ lò xo và Năng lượng, mỗi màn hình cho học sinh tự kéo hoặc nén lò xo bằng tay hoặc bằng thanh trượt để quan sát trực tiếp quan hệ này thay vì chỉ ghi nhớ công thức. Màn hình Giới thiệu cho phép bật một hoặc hai lò xo độc lập, mỗi lò xo có thanh trượt riêng cho độ cứng k (100–500 N/m) và lực tác dụng F (−25–25 N); kéo trực tiếp đầu lò xo trên hình cũng đặt được độ biến dạng Δl, đồng thời hiện vectơ lực tác dụng và lực đàn hồi ngược chiều nhau. Với k = 200 N/m và F = 20 N, độ biến dạng đúng bằng 10,0 cm; nếu đổi sang lò xo mềm hơn k = 100 N/m ở cùng lực 10 N thì Δl vẫn là 10,0 cm, cho thấy lò xo càng mềm càng biến dạng nhiều với cùng một lực. Màn hình Hệ lò xo ghép hai lò xo k₁, k₂ nối tiếp hoặc song song: nối tiếp có độ cứng tương đương nhỏ hơn lò xo mềm nhất (1/k_tđ = 1/k₁ + 1/k₂), song song có độ cứng tương đương lớn hơn lò xo cứng nhất (k_tđ = k₁ + k₂) — với k₁ = 200 N/m, k₂ = 300 N/m, F = 15 N, ghép nối tiếp cho độ biến dạng 12,5 cm còn ghép song song chỉ 3,0 cm. Màn hình Năng lượng vẽ đồ thị lực theo độ biến dạng: một đường thẳng qua gốc có hệ số góc bằng k, diện tích tam giác từ gốc tới điểm đang xét chính là thế năng đàn hồi W = ½·k·Δl², minh hoạ trực quan vì sao năng lượng tăng theo bình phương độ biến dạng chứ không tỉ lệ thuận. Ví dụ k = 200 N/m, F = 20 N cho Δl = 10 cm và W = 1,00 J đúng như tính bằng công thức. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao lò xo mềm hơn (k nhỏ hơn) lại biến dạng nhiều hơn khi chịu cùng một lực? – Ghép hai lò xo giống nhau song song thì độ cứng tương đương gấp mấy lần một lò xo? – Kéo dãn lò xo thêm gấp đôi độ biến dạng ban đầu thì thế năng đàn hồi tăng gấp mấy lần?