Một người nhảy bungee bước ra khỏi cầu và rơi — nhanh dần, nhanh dần, thẳng xuống đất. Sau đó, ở khoảnh khắc cuối cùng, dây đàn hồi căng直 và kéo…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp
6.1
Forces that cause deformation · Các lực gây biến dạng
Syllabus · Chương trình
English
understand that deformation is caused by tensile or compressive forces (forces and deformations will be assumed to be in one dimension only)
understand and use the terms load, extension, compression and limit of proportionality
recall and use Hooke's law
recall and use the formula for the spring constant$k = F/x$
define and use the terms stress, strain and the Young modulus
describe an experiment to determine the Young modulus of a metal in the form of a wire
Tiếng Việt
hiểu rằng biến dạng gây ra bởi lực kéo hoặc lực nén (các lực và biến dạng sẽ được giả định chỉ nằm trong một chiều)
hiểu và sử dụng các thuật ngữ tải trọng, độ dãn, nén và giới hạn tỉ lệ
ghi nhớ và áp dụng định定律 Hooke
ghi nhớ và sử dụng công thức cho hệ số cứng của lò xo$k = F/x$
định nghĩa và sử dụng các thuật ngữ ứng suất, biến dạng và mô-đun Young
mô tả thí nghiệm để xác định mô-đun Young của kim loại dưới dạng dây
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Hooke's law & the elastic limit
When a force acts on a solid along its length, the object changes shape (deformation 形变). Two cases (treated as one-dimensional here):
a tensile 拉伸 force stretches the object — it makes an extension 伸长量$x$,
a compressive force squeezes the object — it makes a compression 压缩, treated as a negative extension.
The applied force is the load 负载. The change from the natural length is the extension (or compression).
Both are measured from the natural, unstretched length, never from the loaded length: on a diagram of a spring under a box, the distance the spring has shortened is its compression. A spring's own mass is usually said to be negligible 可忽略的, so the only forces on it are the load and the tension it provides.
Tiếng Việt
Law Hooke & giới hạn đàn hồi
Khi một lực tác dụng lên vật rắn dọc theo chiều dài, vật thể sẽ thay đổi hình dạng (biến dạng). Hai trường hợp (xử lý như một chiều ở đây):
một lực kéo làm dãn dài vật — tạo ra một độ giãn$x$,
một lực nén làm ép vật — tạo ra một sự nén, được coi là độ giãn âm.
Lực tác dụng chính là tải trọng. Sự thay đổi so với chiều dài tự nhiên là độ giãn (hoặc sự nén).
Cả hai đều đo từ chiều dài tự nhiên, chưa bị kéo dãn, chứ không phải từ chiều dài khi có tải: trên sơ đồ lò xo chịu lực một hộp, khoảng cách lò xo bị thu ngắn chính là sự nén của nó. Khối lượng riêng của lò xo thường được coi là không đáng kể, nên các lực tác dụng lên nó chỉ là tải trọng và lực căng mà nó tạo ra.
Explore · Khám phá
Hooke's law spring · Lò xo tuân theo định luật Hooke
Hang a load on the real spring: up to the elastic limit the extension is proportional to the force; beyond it the spring is stretched for good. · Treo một tải trọng lên lò xo thực: cho đến giới hạn đàn hồi thì độ dãn tỷ lệ thuận với lực; vượt qua nó thì lò xo bị kéo giãn vĩnh viễn.
Hooke's law and the spring constant · Law Hooke và hằng số lò xo
English
For many materials at small extensions, the extension is proportional to the load — this is Hooke's law 胡克定律. The constant that links them is the spring constant 劲度系数$k$:
$$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$
Unit of $k$: $\text{N m}^{-1}$.
Worked example. A spring stretches by $4.0\ \text{cm}$ when a $2.0\ \text{N}$ load is hung from it. Find its spring constant.
Converting the extension to metres ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):
For the one-mark "state Hooke's law", write it in words: the extension is directly proportional to the applied force (load), provided the limit of proportionality is not exceeded. The spring constant is the force per unit extension; the multiple-choice distractors are "extension per unit force" (that is $1/k$) and $\tfrac{1}{2}Fx$ (the energy stored).
Reading a graph:
A force–extension ($F$ against $x$) graph has gradient $k$ in the Hooke's-law region.
An extension–force ($x$ against $F$) graph has gradient $1/k$ in the Hooke's-law region.
A common trap: if a graph plots length$L$ against force, you can still find the spring constant from the gradient (since $L = L_{0} + F/k$, the gradient is $1/k$ — read it off carefully).
Worked example. A spring has length $90\ \text{mm}$ under a force of $0.80\ \text{N}$ and $115\ \text{mm}$ under $1.30\ \text{N}$. Find the spring constant and the unstretched length.
The extra force $0.50\ \text{N}$ produces the extra extension $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, so $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. At $0.80\ \text{N}$ the extension is $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, so the unstretched length is $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. On a graph of length against force the intercept on the length axis is $L_{0}$, the gradient is $1/k$, and the work done in stretching the spring is the triangle between the line and the level $L = L_{0}$, not the whole area down to the force axis: the rectangle below $L_{0}$ is the unstretched length multiplied by the force, which means nothing.
Limit of proportionality
Hooke's law only holds up to the limit of proportionality 比例极限. Past this point the $F$ against $x$ line curves and is no longer straight. The material may still be elastic 弹性 (it returns to its first length when you remove the load) a little further, then it becomes plastic 塑性.
Springs in series and parallel
You may need to combine spring constants:
Series 串联 (one spring hangs from another): the same load passes through both, the total extension is the sum, so $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
Parallel 并联 (two springs side by side holding the same load): each takes half the load (if they are identical), the extensions are equal, so $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.
Worked example. Springs of spring constant $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ and $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ are joined end to end and a load of $80\ \text{N}$ hangs from them. Find the total extension.
Each spring carries the full $80\ \text{N}$, so the extensions are $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ and $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: a total of $33\ \text{cm}$ (the same as $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ from $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Three identical springs give the largest combined constant when all three are in parallel ($3k$) and the smallest when all are in series ($k/3$). When a load is shared by two identical springs in parallel, each carries half the force and so stores a quarter of the energy of one spring holding the whole load; the pair together stores half as much as the single spring did. A spring constant in $\text{N cm}^{-1}$ is $100$ times smaller than the same constant in $\text{N m}^{-1}$; give the unit the question asks for.
Tiếng Việt
Lò xo tuân theo law Hooke: độ giãn tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
Đối với nhiều vật liệu ở độ giãn nhỏ, độ giãn tỷ lệ thuận với tải trọng — đây là law Hooke. Hằng số liên kết chúng là hằng số lò xo$k$:
$$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$
Đơn vị của $k$: $\text{N m}^{-1}$.
Ví dụ có lời giải. Một lò xo dãn dài $4.0\ \text{cm}$ khi treo một tải trọng $2.0\ \text{N}$. Tìm hằng số lò xo của nó.
Chuyển đổi độ giãn sang mét ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):
Với câu hỏi "nêu law Hooke" worth 1 điểm, hãy viết bằng lời: độ giãn tỷ lệ thuận trực tiếp với lực tác dụng (tải trọng), miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ thuận. Hằng số lò xo là lực trên mỗi đơn vị độ giãn; các đáp án sai trong câu hỏi trắc nghiệm là "độ giãn trên mỗi đơn vị lực" (tức là $1/k$) và $\tfrac{1}{2}Fx$ (năng lượng dự trữ).
Đồ thị tải trọng–độ giãn: đi thẳng lên đến giới hạn tỷ lệ thuận $P$, sau đó bị cong
Đọc đồ thị:
Đồ thị lực–độ giãn ($F$ đối với $x$) có hệ số góc $k$ trong vùng tuân theo law Hooke.
Đồ thị độ giãn–lực ($x$ đối với $F$) có hệ số góc $1/k$ trong vùng tuân theo law Hooke.
Bẫy phổ biến: nếu đồ thị biểu diễn chiều dài$L$ đối với lực, bạn vẫn có thể tìm hằng số lò xo từ hệ số góc (vì $L = L_{0} + F/k$, hệ số góc là $1/k$ — hãy đọc cẩn thận).
Ví dụ có lời giải. Một lò xo có chiều dài $90\ \text{mm}$ dưới tác dụng của lực $0.80\ \text{N}$ và $115\ \text{mm}$ dưới $1.30\ \text{N}$. Tìm hằng số lò xo và chiều dài chưa bị dãn.
Lực dư $0.50\ \text{N}$ tạo ra độ giãn dư $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, do đó $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. Tại $0.80\ \text{N}$, độ giãn là $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, vì vậy chiều dài chưa bị dãn là $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. Trên đồ thị chiều dài đối với lực, giao điểm trên trục chiều dài là $L_{0}$, hệ số góc là $1/k$, và công thực hiện để kéo dãn lò xo là tam giác giữa đường cong và mức $L = L_{0}$, không phải toàn bộ diện tích xuống đến trục lực: hình chữ nhật bên dưới $L_{0}$ là chiều dài chưa bị dãn nhân với lực, điều này không có ý nghĩa vật lý.
Chiều dài đối với lực: giao điểm là $L_{0}$, hệ số góc là $1/k$, và chỉ tam giác phía trên $L_{0}$ là công thực hiện
Giới hạn tỷ lệ thuận
Law Hooke chỉ đúng đến giới hạn tỷ lệ thuận. Vượt qua điểm này, đường $F$ đối với $x$ sẽ bị cong và không còn là đường thẳng nữa. Vật liệu vẫn có thể đàn hồi (trở về chiều dài ban đầu khi bỏ tải) thêm một chút, sau đó trở nên dẻo.
Lò xo mắc nối tiếp và song song
Bạn có thể cần kết hợp các hằng số lò xo:
Nối tiếp (một lò xo treo dưới另一个): cùng một tải trọng đi qua cả hai, độ giãn tổng cộng là tổng, do đó $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
Song song (hai lò xo đặt cạnh nhau chịu cùng tải trọng): mỗi cái chịu một nửa tải (nếu chúng giống nhau), độ giãn bằng nhau, do đó $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.
Kết hợp hằng số lò xo: mắc nối tiếp tạo lò xo mềm hơn, mắc song song tạo lò xo cứng hơn
Ví dụ có lời giải. Các lò xo có hằng số lò xo $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ và $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ được nối đuôi nhau và một tải trọng $80\ \text{N}$ được treo lên. Tìm độ giãn tổng cộng.
Mỗi lò xo mang đầy đủ $80\ \text{N}$, nên độ dãn là $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ và $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: tổng cộng là $33\ \text{cm}$ (giống như $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ từ $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Ba lò xo giống nhau sẽ có hằng số kết hợp lớn nhất khi cả ba mắc song song ($3k$) và nhỏ nhất khi mắc nối tiếp ($k/3$). Khi một tải trọng được chia sẻ bởi hai lò xo giống nhau mắc song song, mỗi lò xo chịu một nửa lực và do đó lưu trữ một phần tư năng lượng của một lò xo giữ toàn bộ tải trọng; cặp lò xo cùng nhau lưu trữ một nửa lượng năng lượng so với lò xo đơn lẻ. Hằng số lò xo trong $\text{N cm}^{-1}$ nhỏ hơn $100$ lần so với hằng số tương tự trong $\text{N m}^{-1}$; hãy đưa ra đơn vị mà câu hỏi yêu cầu.
Explore · Khám phá
Hooke's law · định luật Hooke
F = k·x
Force is proportional to extension — the gradient is the spring constant k. · Lực tỷ lệ thuận với độ dãn — hệ số góc là hằng số lò xo k.
Explore · Khám phá
Hooke's law · định luật Hooke
F = kx
Up to the limit, extension is proportional to force — the gradient is the spring constant k. · Trong giới hạn, độ dãn tỷ lệ thuận với lực — độ dốc chính là hằng số lò xo k.
Explore · Khám phá
Hooke's law: F = kx · Định luật Hooke: F = kx
F = ax
Drag the spring constant. Force is proportional to extension — a straight line through the origin whose gradient is the spring constant. · Kéo thanh trượt hằng số lò xo. Lực tỷ lệ thuận với độ dãn — một đường thẳng đi qua gốc tọa độ mà độ dốc là hằng số lò xo.
limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/
điểm gãy
6.1
Stress, strain and the Young modulus · Ứng suất, biến dạng và mô đun Young
English
For a wire of uniform cross-section under a tensile load:
Stress 应力$\sigma = \dfrac{F}{A}$, where $F$ is the load and $A$ is the cross-sectional area 横截面积. Unit: $\text{Pa}$.
Strain 应变$\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, where $x$ is the extension and $L_{0}$ is the original length. Strain has no unit (it is a ratio of lengths).
For the one-mark definitions: stress is the force per unit cross-sectional area (the force acting normally to the area); strain is the extension per unit original length. The unit of stress, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, is $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ in base units. The area of a round wire comes from its diameter $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, and using $d$ in place of $r$ makes the area four times too big. Convert $\text{mm}^{2}$ to $\text{m}^{2}$ with $10^{-6}$.
Worked example. A tensile force of $18\ \text{N}$ acts on a wire of cross-sectional area $3.2\ \text{mm}^{2}$. Find the stress.
$\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. The same force acts along the whole wire, so a bolt whose diameter is $2d$ at one end and $d$ at the other has four times the stress at the narrow end ($\sigma \propto 1/d^{2}$), and a wire of three times the radius carries one ninth of the stress.
The Young modulus 杨氏模量 is the ratio of stress to strain in the Hooke's-law region:
Unit: $\text{Pa}$ (about $10^{11}$ for metals; e.g. steel $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).
Worked example. A steel wire of length $2.0\ \text{m}$ and cross-sectional area $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ stretches by $1.0\ \text{mm}$ under a load of $15\ \text{N}$. Find the Young modulus.
The Young modulus is a property of the material — it does not depend on the wire's shape or size. The spring constant $k$ depends on both the material and the size: $k = EA/L_{0}$.
For the one-mark definition: the Young modulus is the ratio of stress to strain (for a material deformed within its limit of proportionality). Because it belongs to the material, a thicker wire of the same metal has the same Young modulus: it stretches less under the same load because its area is larger, not because the metal is stiffer. A "show that $k = EA/L_{0}$" question wants two lines: $k = F/x$ and $E = FL_{0}/(Ax)$, so $E = kL_{0}/A$. Two things follow: a wire's spring constant stays constant while Hooke's law holds, whatever the force, and a wire of the same metal with twice the diameter has four times the spring constant.
Worked example. A copper wire of length $1.7\ \text{m}$ and diameter $0.64\ \text{mm}$ has Young modulus $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Find its spring constant.
On a stress–strain graph the gradient of the straight part is $E$, so of two materials drawn on the same axes the steeper line is the stiffer material, and a wire with double the Young modulus is drawn as a line through the origin with twice the gradient. On a force–extension graph the gradient is $EA/L_{0}$ and the Young modulus is the gradient multiplied by $L_{0}/A$; only a stress–strain graph has a gradient equal to $E$ itself.
Experiment to find the Young modulus of a metal wire
A standard setup:
Clamp one end of a long, thin wire to a fixed support. Pass the wire over a pulley 滑轮 at the edge of the bench so it hangs straight down.
Measure the original length $L_{0}$ between the clamp and a marker near the pulley, using a metre rule.
Measure the diameter 直径$d$ of the wire at several places with a micrometer 螺旋测微器 and take the average. Work out $A = \pi d^{2}/4$.
Hang weights one at a time. Record the load $F$ and the extension $x$ (how far the marker moves against a fixed scale).
Plot $F$ against $x$. In the straight region the gradient is $EA/L_{0}$, so $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.
Why a long, thin wire? To make the extension big enough to measure well. Why repeat readings and measure $d$ at several places? To reduce random error 随机误差 and check the wire is uniform.
A "describe an experiment" answer earns its marks for the quantities measured and how ($L_{0}$ with a metre rule; $d$ with a micrometer at several points; the load from the masses or a newton meter; the extension from a marker read against a fixed scale, or a vernier scale), the graph ($F$ against $x$, gradient $EA/L_{0}$, or stress against strain, gradient $E$) and the precautions: safety goggles in case the wire snaps, a small load first to straighten kinks, and readings taken on unloading as well as loading to check the wire stayed elastic.
Tiếng Việt
Đối với dây dẫn có tiết diện đều dưới tác dụng của tải trọng kéo:
Ứng suất$\sigma = \dfrac{F}{A}$, trong đó $F$ là tải trọng và $A$ là diện tích tiết diện. Đơn vị: $\text{Pa}$.
Biến dạng$\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, trong đó $x$ là độ dãn và $L_{0}$ là chiều dài ban đầu. Biến dạng không có đơn vị (nó là tỷ lệ giữa các chiều dài).
Đối với các định nghĩa 1 điểm: ứng suất là lực trên một đơn vị diện tích tiết diện (lực tác dụng vuông góc với diện tích); biến dạng là độ dãn trên một đơn vị chiều dài ban đầu. Đơn vị của ứng suất, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, là $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ trong các đơn vị cơ bản. Diện tích của dây tròn lấy từ đường kính $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, và việc thay thế $d$ vào chỗ $r$ sẽ làm diện tích lớn gấp bốn lần. Chuyển đổi $\text{mm}^{2}$ sang $\text{m}^{2}$ với $10^{-6}$.
Ví dụ minh họa. Một lực kéo $18\ \text{N}$ tác dụng lên dây có diện tích tiết diện $3.2\ \text{mm}^{2}$. Tính ứng suất.
$\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. Lực tác dụng dọc theo toàn bộ dây, vì vậy một bu-lông có đường kính $2d$ ở một đầu và $d$ ở đầu kia có ứng suất gấp bốn lần ở đầu hẹp ($\sigma \propto 1/d^{2}$), và một dây có bán kính gấp ba lần sẽ mang lại ứng suất bằng một phần chín.
Ứng suất là tải trọng trên diện tích tiết diện; biến dạng là độ dãn trên chiều dài ban đầu
Mô đun Young là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng trong vùng tuân theo định luật Hooke:
Đơn vị: $\text{Pa}$ (khoảng $10^{11}$ đối với kim loại; ví dụ: thép $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).
Ví dụ minh họa. Dây thép dài $2.0\ \text{m}$ và có diện tích tiết diện $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ bị dãn thêm $1.0\ \text{mm}$ dưới tác dụng của tải trọng $15\ \text{N}$. Tính mô đun Young.
Đồ thị ứng suất – biến dạng, là đường thẳng đến giới hạn tỷ lệ $P$
Mô đun Young là tính chất của vật liệu — nó không phụ thuộc vào hình dạng hay kích thước của dây. Hằng số lò xo $k$ phụ thuộc vào cả vật liệu lẫn kích thước: $k = EA/L_{0}$.
Đối với định nghĩa 1 điểm: mô đun Young là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng (đối với vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỷ lệ). Vì nó thuộc về vật liệu, một dây dày hơn làm từ cùng một loại kim loại sẽ có cùng mô đun Young: nó dãn ít hơn dưới cùng một tải trọng vì diện tích lớn hơn, chứ không phải vì kim loại cứng hơn. Câu hỏi "chứng minh rằng $k = EA/L_{0}$" đòi hỏi hai dòng: $k = F/x$ và $E = FL_{0}/(Ax)$, nên $E = kL_{0}/A$. Hai hệ quả xuất hiện: hằng số lò xo của dây luôn không đổi khi định luật Hooke còn hiệu lực, bất kể lực là bao nhiêu, và một dây cùng loại kim loại nhưng có đường kính gấp đôi sẽ có hằng số lò xo gấp bốn lần.
Ví dụ minh họa. Dây đồng dài $1.7\ \text{m}$ và có đường kính $0.64\ \text{mm}$ có mô đun Young là $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Tính hằng số lò xo của nó.
Trên đồ thị ứng suất – biến dạng, hệ số góc của phần thẳng là $E$, vì vậy đối với hai vật liệu được vẽ trên cùng trục, đường dốc hơn đại diện cho vật liệu cứng hơn, và một dây có mô đun Young gấp đôi sẽ được vẽ dưới dạng đường thẳng qua gốc tọa độ với hệ số góc gấp đôi. Trên đồ thị lực – độ dãn, hệ số góc là $EA/L_{0}$ và mô đun Young bằng hệ số góc nhân với $L_{0}/A$; chỉ có đồ thị ứng suất – biến dạng mới có hệ số góc bằng chính $E$.
Hai kim loại trên một đồ thị ứng suất – biến dạng: đường dốc hơn có mô đun Young lớn hơn
Thí nghiệm tìm mô đun Young của dây kim loại
Một thiết lập tiêu chuẩn:
Kẹp cố định một đầu của dây dài, mỏng vào giá đỡ. Luồn dây qua ròng rọc ở mép bàn để nó treo thẳng xuống.
Đo chiều dài ban đầu $L_{0}$ giữa đầu kẹp và dấu mark gần ròng rọc, sử dụng thước mét.
Đo đường kính$d$ của dây tại nhiều vị trí bằng micromet và lấy trung bình. Tính $A = \pi d^{2}/4$.
Treo các quả cân từng cái một. Ghi lại tải trọng $F$ và độ dãn $x$ (quãng đường di chuyển của dấu mark so với thang đo cố định).
Vẽ đồ thị $F$ theo $x$. Trong vùng tuyến tính, độ dốc là $EA/L_{0}$, do đó $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.
Tại sao phải dùng dây dài, mỏng? Để tạo ra độ dãn đủ lớn để đo lường chính xác. Tại sao phải lặp lại số liệu và đo $d$ ở nhiều vị trí? Để giảm sai số ngẫu nhiên và kiểm tra xem dây có đồng đều hay không.
Câu trả lời cho dạng bài "mô tả một thí nghiệm" được chấm điểm dựa trên các đại lượng đo và cách thực hiện ($L_{0}$ bằng thước mét; $d$ bằng micromet tại nhiều vị trí; tải trọng từ các quả cân hoặc đồng hồ đo lực; độ dãn từ vạch đánh dấu đọc trên thang cố định, hoặc thang vernier), biểu đồ ($F$ theo $x$, hệ số góc $EA/L_{0}$, hoặc ứng suất theo biến dạng, hệ số góc $E$) và các thận trọng: kính bảo hộ trong trường hợp dây bị đứt, đặt tải nhỏ trước để làm thẳng các khúc khuỷu, và lấy số readings cả khi tăng tải lẫn khi giảm tải để kiểm tra xem dây vẫn còn đàn hồi hay không.
Elastic and plastic behaviour · Hành vi đàn hồi và dẻo
Syllabus · Chương trình
English
understand and use the terms elastic deformation, plastic deformation and elastic limit
understand that the area under the force–extension graph represents the work done
determine the elastic potential energy of a material deformed within its limit of proportionality from the area under the force–extension graph
recall and use $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ for a material deformed within its limit of proportionality
Tiếng Việt
hiểu và sử dụng các thuật ngữ biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và giới hạn đàn hồi
hiểu rằng diện tích bên dưới đồ thị lực – độ dãn đại diện cho công thực hiện
xác định năng lượng thế đàn hồi của vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỉ lệ từ diện tích bên dưới đồ thị lực – độ dãn
ghi nhớ và sử dụng $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ cho vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỉ lệ của nó
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
As the load grows:
Elastic and straight (Hooke obeyed) — up to the limit of proportionality. Removing the load returns the object to its first length.
Elastic but curved — between the limit of proportionality and the elastic limit 弹性极限. The extension is no longer straight in the load, but on unloading the object still returns to its first length.
Plastic — past the elastic limit. On unloading, the object does not return to its first length; a permanent extension stays.
Hooke's law only holds in the straight, elastic region.
In words: elastic deformation means the object returns to its original length (or shape) when the load is removed; plastic deformation means it does not, and a permanent extension remains; the elastic limit is the maximum load (or extension) for which the deformation is still elastic; the limit of proportionality is the point beyond which the extension is no longer proportional to the load. On a graph the limit of proportionality is where the line stops being straight. The elastic limit lies a little beyond it and cannot be read from a loading line alone. So in a "which statement must be correct" item, the end of the straight part is the limit of proportionality, but whether a later point is the elastic limit or the breaking point cannot be told from the shape of the loading line.
On a force–extension graph for a material taken into the plastic region and then unloaded, the loading line and the unloading line are different. The unloading line is parallel to the first Hooke line but shifted to the right (the permanent extension left when the load reaches zero). The area between the loading and unloading lines is the energy turned into thermal energy 热能 in the material.
A rubber band 橡皮筋 also has different loading and unloading curves, but it returns to its original length: its deformation is elastic. The area between the two curves is again energy dissipated as thermal energy (elastic hysteresis 弹性滞后), and the energy recovered on unloading is the area under the lower curve. The two-mark "explain why the work done in stretching the wire is not equal to the energy recovered when the force is removed" answer says that the wire was taken past its elastic limit, so part of the deformation is plastic and a permanent extension remains, and that part of the work done became thermal energy in the wire.
Tiếng Việt
Khi tải trọng tăng lên:
Đàn hồi và thẳng (tuân theo định luật Hooke) — đến giới hạn tỷ lệ. Bỏ tải trọng sẽ trả lại vật về chiều dài ban đầu.
Đàn hồi nhưng cong — giữa giới hạn tỷ lệ và giới hạn đàn hồi. Độ dãn không còn thẳng theo tải trọng nữa, nhưng khi giảm tải, vật vẫn trở về chiều dài ban đầu.
Dẻo — vượt quá giới hạn đàn hồi. Khi giảm tải, vật không trở về chiều dài ban đầu; một độ dãn vĩnh viễn còn lại.
Định luật Hooke chỉ đúng trong vùng thẳng và đàn hồi.
Nói bằng lời: biến dạng đàn hồi có nghĩa là vật trở về chiều dài (hoặc hình dạng) ban đầu khi tải trọng bị bỏ đi; biến dạng dẻo có nghĩa là nó không trở về, và một độ dãn vĩnh viễn còn lại; giới hạn đàn hồi là tải trọng tối đa (hoặc độ dãn tối đa) mà tại đó biến dạng vẫn còn tính đàn hồi; giới hạn tỷ lệ là điểm mà sau đó độ dãn không còn tỷ lệ thuận với tải trọng nữa. Trên biểu đồ, giới hạn tỷ lệ là nơi đường thẳng ngừng thẳng. Giới hạn đàn hồi nằm hơi xa hơn và không thể đọc trực tiếp từ đường tăng tải duy nhất. Vì vậy, trong câu hỏi "mệnh đề nào chắc chắn đúng", phần kết thúc của đoạn thẳng là giới hạn tỷ lệ, nhưng liệu một điểm sau đó là giới hạn đàn hồi hay điểm gãy thì không thể phân biệt chỉ từ hình dạng đường tăng tải.
Lực–độ dãn vượt quá giới hạn đàn hồi: $P$ và $E$ được đánh dấu, với độ dãn vĩnh viễn $B$ còn lại sau khi giảm tảiMáy thử nghiệm đa năng (kéo) hiện đại kéo giãn mẫu và ghi lại lực cũng như độ dãn
Trên biểu đồ lực–độ dãn của một vật liệu được kéo vào vùng dẻo rồi giảm tải, đường tăng tải và đường giảm tải khác nhau. Đường giảm tải song song với đường Hooke ban đầu nhưng bị dịch chuyển sang phải (độ dãn vĩnh viễn còn lại khi tải trọng đạt về 0). Diện tích nằm giữa đường tăng tải và đường giảm tải chính là năng lượng chuyển hóa thành nhiệt năng trong vật liệu.
Một dây cao su cũng có đường tăng tải và giảm tải khác nhau, nhưng nó trở về chiều dài ban đầu: biến dạng của nó là đàn hồi. Diện tích giữa hai đường này lại là năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt năng (hysteresis đàn hồi), và năng lượng thu hồi được khi giảm tải là diện tích dưới đường thấp hơn. Câu trả lời hai điểm "giải thích tại sao công thực hiện để kéo dây không bằng năng lượng thu hồi được khi lực bị bỏ đi" nói rằng dây đã bị kéo vượt quá giới hạn đàn hồi, nên một phần biến dạng là dẻo và độ dãn vĩnh viễn còn lại, và một phần công thực hiện đã trở thành nhiệt năng trong dây.
Dây cao su trở về chiều dài ban đầu, nhưng diện tích giữa đường tăng tải và giảm tải là năng lượng mất đi dưới dạng nhiệt năng
Energy stored in a stretched material · Năng lượng dự trữ trong vật liệu bị kéo giãn
English
The work done in stretching a material from $0$ to extension $x$, as the load grows from $0$ to $F$, is the area under the force–extension graph.
Why the area: work done is force multiplied by the distance moved, but here the force grows as the material stretches, so the work is the sum of $F\,\Delta x$ over many small extensions, which is the area under the line. Within the limit of proportionality the force rises uniformly from $0$ to $F$, so the average force is $\tfrac{1}{2}F$ and the work is $\tfrac{1}{2}Fx$. On a force–extension graph the gradient is the spring constant.
Hooke's-law material
When Hooke's law holds, the $F$ against $x$ graph is a straight line through the origin. The area under it from $0$ to $x$ is a triangle:
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$
This is the elastic potential energy 弹性势能 stored in a spring or wire stretched within its limit of proportionality. An equal form:
$$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$
Worked example. A spring of spring constant $50\ \text{N m}^{-1}$ is stretched by $0.20\ \text{m}$, within its limit of proportionality. Find the elastic potential energy stored.
Worked example. A wire of spring constant $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ is already extended by $2.0\ \text{mm}$. Find the work done to increase its extension to $3.0\ \text{mm}$.
The stored energy rises from $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ to $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. This is the trapezium under the line between the two extensions, not $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Because $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ at fixed $k$, doubling the extension of a wire stores four times the energy ($0.65\ \text{J}$ becomes $2.6\ \text{J}$), and a stored energy gives the extension as $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: a spring of $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ storing $0.32\ \text{J}$ is compressed by $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. For two wires joined end to end the tension is the same in both, so the total energy stored is $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ with each wire's own extension.
Non-Hooke material
For a graph that is not a straight line (a stretched rubber band, or a spring past its limit of proportionality), find the area by counting grid squares or by using trapezia 梯形. The same idea holds: the area under the force–extension graph is the work done on the material. To estimate the work done up to the breaking point, count the squares under the whole curve (part squares as halves) and multiply by the energy one square represents, the force step multiplied by the extension step; saying that the area was found by counting squares is the "explain your reasoning" mark.
Comparing stored energy
A common multiple-choice case: two materials are stretched by the same force, or by the same extension. Using $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:
same $F$, smaller $k$ (less stiff) → larger $x$ → more energy stored.
same $x$, larger $k$ (stiffer) → larger $F$ → more energy stored.
A sketch of $E_{\text{P}}$ against extension or compression is a curve through the origin that gets steeper ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), not a straight line. Of two wires of the same length and area under the same load, the one with the smaller Young modulus extends more and so stores more energy.
When a stretched spring is released onto a mass, the elastic potential energy becomes kinetic energy 动能 (and gravitational potential energy if the mass rises). Set $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ equal to $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (plus any $mgh$) to find the speed or height.
Tiếng Việt
Công thực hiện để kéo giãn một vật liệu từ $0$ đến độ dãn $x$, khi tải trọng tăng từ $0$ đến $F$, chính là diện tích dưới biểu đồ lực–độ dãn.
Công thực hiện để kéo giãn vật liệu là diện tích dưới biểu đồ lực–độ dãn
Tại sao là diện tích: công thực hiện là lực nhân với quãng đường di chuyển, nhưng ở đây lực tăng dần khi vật liệu bị kéo giãn, nên công là tổng của $F\,\Delta x$ trên nhiều khoảng độ dãn nhỏ, tương đương với diện tích dưới đường. Trong giới hạn tỷ lệ, lực tăng đều từ $0$ đến $F$, nên lực trung bình là $\tfrac{1}{2}F$ và công là $\tfrac{1}{2}Fx$. Trên biểu đồ lực–độ dãn, hệ số góc chính là hằng số lò xo.
Vật liệu tuân theo định luật Hooke
Khi định luật Hooke đúng, biểu đồ $F$ theo $x$ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Diện tích dưới nó từ $0$ đến $x$ là một tam giác:
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$
Đây là năng lượng thế đàn hồi dự trữ trong lò xo hoặc dây bị kéo giãn trong giới hạn tỷ lệ của nó. Một dạng tương đương:
$$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$
Ví dụ giải. Một lò xo có hằng số lò xo $50\ \text{N m}^{-1}$ bị kéo dãn bởi $0.20\ \text{m}$, nằm trong giới hạn tỷ lệ của nó. Tính năng lượng thế đàn hồi dự trữ.
Ví dụ minh họa. Một dây có độ cứng $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ đã bị kéo dãn thêm $2.0\ \text{mm}$. Tìm công thực hiện để tăng độ dãn của dây lên $3.0\ \text{mm}$.
Năng lượng dự trữ tăng từ $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ đến $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. Đây là diện tích hình thang dưới đường thẳng giữa hai độ dãn, không phải $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Vì $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ ở một độ cứng $k$ cố định, khi kéo dãn gấp đôi một dây sẽ lưu trữ năng lượng gấp bốn lần ($0.65\ \text{J}$ trở thành $2.6\ \text{J}$), và từ năng lượng dự trữ ta suy ra độ dãn là $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: một lò xo có độ cứng $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ lưu trữ năng lượng $0.32\ \text{J}$ sẽ bị nén đi $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. Đối với hai dây nối đầu cuối lại với nhau, lực căng trong cả hai dây là như nhau, do đó tổng năng lượng dự trữ là $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ tương ứng với độ dãn riêng của mỗi dây.
Vật liệu không tuân theo định luật Hooke
Đối với đồ thị không phải là đường thẳng (dây cao su kéo dãn, hoặc lò xo vượt quá giới hạn tỷ lệ), hãy tìm diện tích bằng cách đếm ô lưới hoặc sử dụng hình thang. Nguyên tắc vẫn giữ nguyên: diện tích dưới đồ thị lực – độ dãn chính là công thực hiện lên vật liệu. Để ước tính công thực hiện đến điểm gãy, hãy đếm các ô dưới toàn bộ đường cong (các ô nhỏ được tính là nửa) và nhân với năng lượng mà một ô đại diện, tức là bước lực nhân với bước độ dãn; việc nêu rằng diện tích được tìm thấy bằng cách đếm ô sẽ nhận được điểm "giải thích lập luận".
So sánh năng lượng dự trữ
Một dạng câu hỏi trắc nghiệm phổ biến: hai vật liệu bị kéo dãn bởi cùng một lực, hoặc bởi cùng một độ dãn. Sử dụng $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:
cùng $F$, độ dãn $k$ nhỏ hơn (ít cứng hơn) → lớn hơn $x$ → nhiều năng lượng dự trữ hơn.
cùng $x$, độ dãn $k$ lớn hơn (cứng hơn) → lớn hơn $F$ → nhiều năng lượng dự trữ hơn.
Phác thảo $E_{\text{P}}$ theo độ dãn hoặc nén là một đường cong đi qua gốc tọa độ và ngày càng dốc hơn ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), chứ không phải là đường thẳng. Đối với hai dây có cùng chiều dài và tiết diện chịu cùng một tải trọng, dây nào có mô đun Young nhỏ hơn thì sẽ dãn nhiều hơn và do đó lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Khi một lò xo đang bị kéo dãn được thả ra một khối vật, thế năng đàn hồi chuyển thành động năng (và thế năng trọng trường nếu khối vật nâng lên). Đặt $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ bằng $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (cộng thêm bất kỳ $mgh$ nào) để tìm vận tốc hoặc độ cao.
6.2
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
Hooke's law
the extension is directly proportional to the applied force, provided the limit of proportionality is not exceeded
spring constant
the force per unit extension
limit of proportionality
the point beyond which the extension is no longer proportional to the applied force
elastic limit
the maximum force (or extension) for which the material returns to its original length when the force is removed
elastic deformation
the material returns to its original length (shape) when the force is removed
plastic deformation
the material does not return to its original length when the force is removed; a permanent extension remains
stress
the force per unit cross-sectional area
strain
the extension per unit original length
Young modulus
the ratio of stress to strain (within the limit of proportionality)
elastic potential energy
the energy stored in an object because it has been stretched or compressed
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
Định luật Hooke
độ dãn tỷ lệ thuận trực tiếp với lực tác dụng, miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ
Độ cứng
lực trên một đơn vị độ dãn
Giới hạn tỷ lệ
điểm mà sau đó độ dãn không còn tỷ lệ thuận với lực tác dụng nữa
Giới hạn đàn hồi
lực tối đa (hoặc độ dãn) mà tại đó vật liệu trở về chiều dài ban đầu khi lực bị loại bỏ
Biến dạng đàn hồi
vật liệu trở về chiều dài (hình dạng) ban đầu khi lực bị loại bỏ
Biến dạng dẻo
vật liệu không trở về chiều dài ban đầu khi lực bị loại bỏ; một độ dãn vĩnh viễn còn lại
Ứng suất
lực trên một đơn vị diện tích tiết ngang
Biến dạng
độ dãn trên một đơn vị chiều dài ban đầu
Mô đun Young
tỷ số giữa ứng suất và biến dạng (trong giới hạn tỷ lệ)
Thế năng đàn hồi
năng lượng được lưu trữ trong vật thể do nó bị kéo dãn hoặc nén
6.2
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Hooke's law ($F = kx$) holds only up to the limit of proportionality.
Stress $= F/A$, strain $= x/L$, Young modulus $=$ stress$/$strain (gradient of the straight part of the stress-strain graph) — watch the units (Pa).
Energy stored $=$area under the force-extension graph$= \frac{1}{2}Fx$ in the elastic region.
Distinguish elastic (returns to shape) from plastic (permanent) deformation.
Common mistakes
Using the diameter as the radius in $A = \pi r^{2}$, or leaving an area in $\text{mm}^{2}$. Halve the diameter first; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
Reading the work done off a length–force graph as the whole area down to the axis. Only the triangle above $L_{0}$ is work.
Treating stored energy as proportional to extension. It goes as $x^{2}$: double the extension, four times the energy; and the work done between two extensions is the difference of two $\tfrac{1}{2}kx^{2}$ values.
Stating Hooke's law without its condition. "Provided the limit of proportionality is not exceeded" is part of the law.
Swapping the limit of proportionality (the end of the straight line) and the elastic limit (the end of elastic behaviour, a little beyond it).
Saying a thicker wire has a larger Young modulus. The modulus is the material's; the thicker wire has a larger spring constant.
Tiếng Việt
Định luật Hooke ($F = kx$) chỉ đúng cho đến giới hạn tỷ lệ.
Ứng suất $= F/A$, biến dạng $= x/L$, mô đun Young $=$ = ứng suất$/$/biến dạng (độ dốc của phần thẳng trên đồ thị ứng suất - biến dạng) — chú ý đơn vị (Pa).
Năng lượng dự trữ $=$ = diện tích dưới đồ thị lực - độ dãn$= \frac{1}{2}Fx$ trong vùng đàn hồi.
Phân biệt biến dạng đàn hồi (trở về hình dạng) và biến dạng dẻo (vĩnh viễn).
Lỗi thường gặp
Sử dụng đường kính làm bán kính trong $A = \pi r^{2}$, hoặc để lại diện tích trong $\text{mm}^{2}$. Hãy chia đôi đường kính trước; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
Đọc công thực hiện từ đồ thị chiều dài – lực như là toàn bộ diện tích xuống trục hoành. Chỉ có tam giác nằm trên $L_{0}$ mới là công.
Coi năng lượng dự trữ tỷ lệ thuận với độ dãn. Nó thay đổi theo $x^{2}$: kéo dãn gấp đôi, năng lượng gấp bốn lần; và công thực hiện giữa hai độ dãn là hiệu của hai giá trị $\tfrac{1}{2}kx^{2}$.
Nêu định luật Hooke mà không kèm điều kiện. "Miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ" là một phần của định luật.
Hoán đổi giới hạn tỷ lệ (cuối của đường thẳng) và giới hạn đàn hồi (cuối của hành vi đàn hồi, nằm hơi xa hơn về phía sau).
Nói rằng dây dày hơn có mô đun Young lớn hơn. Mô đun là thuộc tính của vật liệu; dây dày hơn chỉ có độ cứng lớn hơn.
Interactive lessons on this topic · Bài học tương tác về chủ đề này
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Chọn một môn và trang sẽ điều hướng theo — ghi chú, tài liệu, video và bài tập đều mở ở đó.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Nhập để tìm ghi chú, bài học, mã, từ vựng và câu hỏi đề thi cũ trên mọi môn học.