Giải SGK Vật lí 10 (Chân trời sáng tạo) Bài 19: Các loại va chạm

Giải bài tập Vật lí 10 Bài 19: Các loại va chạm

Mở đầu trang 120 Vật Lí 10: Làm thế nào để xác định được lực tương tác giữa hai vật khi va chạm nếu không biết được động lượng của các vật trước và sau tương tác. Trong quá trình va chạm (Hình 19.1), động lượng và động năng của hệ có được bảo toàn hay không? Ngoài ra, những kiến thức về động lượng có thể được vận dụng trong thực tiễn như thế nào?

Lời giải:

- Trong quá trình va chạm động lượng và động năng của hệ có được bảo toàn.

- Ngoài ra, những kiến thức về động lượng có thể được vận dụng trong thực tiễn như:

+ Hệ thống túi khí và đai an toàn trong ô tô giúp người ngồi trong xe hạn chế tối đa chấn thương khi xảy ra va chạm giao thông.

+ Vận động viên nhảy xa nhún chân, chùng đầu gối khi tiếp đất mục đích để tăng thời gian va chạm, giảm lực tác dụng.

+ Chế tạo hệ thống động cơ chuyển động bằng phản lực.

1. Mối liên hệ giữa lực tổng hợp tác dụng lên vật và tốc độ thay đổi của động lượng. Mối liên hệ giữa lực tổng hợp tác dụng lên vật và tốc độ thay đổi của động lượng

Câu hỏi 1 trang 120 Vật Lí 10:Chứng minh công thức (19.1): $\overrightarrow{F}=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta t}$

Lời giải:

Ta có: $\Delta \overrightarrow{p}=\overrightarrow{p_2}-\overrightarrow{p_1}=m\left(\overrightarrow{v_2}-\overrightarrow{v_1}\right)$

Theo định luật II Newton:$\overrightarrow{F}=m\overrightarrow{a}=m\frac{\overrightarrow{v_2}-\overrightarrow{v_1}}{\Delta t}$

Từ hai biểu thức trên ta có thể thấy: $\overrightarrow{F}=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta t}$

Câu hỏi 2 trang 120 Vật Lí 10: Đưa ra phương án kéo một tờ giấy ra khỏi cốc nước (Hình 19.2) sao cho cốc nước không đổ. Giải thích và làm thí nghiệm kiểm chứng.

Lời giải:

Phương án: cầm chắc một đầu tờ giấy, giật thật nhanh, dứt khoát, đảm bảo tờ giấy luôn được kéo theo phương song song với bề mặt nằm ngang.

Giải thích: khi ta kéo tờ giấy thật nhanh thì tờ giấy bị thay đổi trạng thái chuyển động trong một khoảng thời gian rất ngắn, trong khi đó cốc nước có quán tính, vẫn giữ nguyên trạng thái chuyển động đứng yên, nên khi đó cốc nước không bị đổ.

Luyện tập trang 121 Vật Lí 10: Một trong những giải pháp khi cứu hộ người dân trong những vụ tai nạn hỏa hoạn ở nhà cao tầng là sử dụng đệm hơi. Đệm hơi được đặt ở vị trí thích hợp để người bị nạn có thể nhảy xuống an toàn (Hình 19.3). Thảo luận để trình bày vai trò của đệm hơi.

Lời giải:

Từ công thức: $\overrightarrow{F}=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta t}$

Khi sử dụng đệm hơi sẽ kéo dài thời gian va chạm, khi đó lực tác dụng sẽ giảm đi đáng kể, điều đó sẽ làm giảm chấn thương cho người bị nạn.

2. Thí nghiệm khảo sát va chạm

Câu hỏi 3 trang 121 Vật Lí 10: Quan sát Hình 19.4 mô tả về hai trường hợp va chạm và nhận xét những tính chất của va chạm:

a) Va chạm giữa hai viên bi da.

b) Va chạm giữa viên đạn và khối gỗ (viên đạn bị mắc lại trong khối gỗ sau khi va chạm).

Lời giải:

a) Va chạm giữa viên bi da: viên bi trắng đến va chạm vào viên bi đỏ đang đứng yên, sau va chạm viên bi đỏ chuyển động về phía trước, viên bi trắng có thể đứng yên hoặc có thể chuyển động bật ngược lại phía sau.

b) Va chạm giữa viên đạn và khối gỗ: viên đạn bay với vận tốc lớn đến va chạm vào khối gỗ đang đứng yên, sau va chạm đạn ghim vào trong gỗ và cùng chuyển động lên một độ cao nào đó.

Câu hỏi 4 trang 121 Vật Lí 10: Lập luận để chứng tỏ tổng động lượng của hệ hai vật va chạm với nhau được bảo toàn.

Lời giải:

Xét hệ hai vật va chạm với nhau chuyển động trên mặt phẳng ngang nhẵn. Do không có ma sát nên các ngoại lực tác dụng gồm có các trọng lực và các phản lực pháp tuyến, chúng cân bằng nhau, khi đó hợp lực các ngoại lực tác dụng lên hệ bằng 0. Vậy hệ hai vật va chạm với nhau là một hệ cô lập khi đó tổng động lượng của hệ vật được bảo toàn.

Câu hỏi 5 trang 122 Vật Lí 10: Đề xuất phương án xác định tốc độ của hai xe ngay trước và sau va chạm với dụng cụ được gợi ý trong bài.

Lời giải:

Dụng cụ:

- Đệm không khí (1)

- Hai tấm chắn cổng quang điện (2)

- Miếng dính (3)

- Hai xe trượt (4) và một số quả nặng để thay đổi khối lượng của xe.

- Hai cổng quang điện (5) được nối với hai đồng hồ đo thời gian hiện số (6) (có độ chính xác đến 1 ms).

- Thước đo chiều dài có độ chia nhỏ nhất là 1 mm.

- Cân có độ chính xác đến 0,1 g để xác định khối lượng m của mỗi xe và $\Delta m$ của mỗi quả nặng.

Tiến hành thí nghiệm

- Bước 1: Gắn miếng dính vào đầu của xe 1. Gắn 2 tấm chắn cổng quang điện lên mỗi xe.

- Bước 2: Đo tổng khối lượng của xe 1 và xe 2 sau khi đã gắn miếng dính và tấm chắn cổng quang điện, ghi vào bảng số liệu mẫu.

- Bước 3: Giữ xe 2 đứng yên, đẩy cho xe 1 chuyển động đến va chạm với xe 2.

- Bước 4: Đo thời gian hai xe đi qua cổng quang điện trước và sau va chạm.

- Bước 5: xử lí số liệu và đưa ra kết luận.

Câu hỏi 6 trang 122 Vật Lí 10: Khi xác định tốc độ của hai xe ngay trước và sau va chạm, em cần lưu ý gì đến dấu của vận tốc?

Lời giải:

Chúng ta cần phải chọn chiều dương cho cả quá trình va chạm, từ đó xác định được dấu của các vận tốc của mỗi xe trước và sau va chạm.

Câu hỏi 7 trang 122 Vật Lí 10: Dựa vào bảng số liệu ghi nhận được, tính toán động lượng của hai xe trước và sau va chạm.

Lời giải:

Bảng số liệu mẫu về va chạm đàn hồi

Bảng số liệu mẫu về va chạm mềm

Câu hỏi 8 trang 122 Vật Lí 10: Đánh giá sự thay đổi động lượng của từng xe và cả hệ trước và sau va chạm.

Lời giải:

Độ tăng động lượng của xe này bằng độ giảm động lượng của xe kia.

Động lượng của cả hệ trước và sau va chạm được bảo toàn.

Câu hỏi 9 trang 122 Vật Lí 10: Dựa vào kết quả đo vận tốc từ hai thí nghiệm trên, tiến hành tính toán và lập bảng số liệu về động năng của hai xe trước và sau va chạm (như gợi ý ở Bảng 19.2) cho cả hai loại va chạm.

Lời giải:

Sử dụng số liệu ở các bài trên

- Va chạm đàn hồi: $m_1=460g;m_2=776g$

- Va chạm mềm: $m_1=460g;m_2=500g$

Bảng số liệu

Nhận xét: Số liệu va chạm đàn hồi đang có sự chênh lệch khá lớn.

Câu hỏi 10 trang 122 Vật Lí 10: Đánh giá sự thay đổi năng lượng (thông qua động năng) của hệ trong hai loại va chạm đang xét.

Lời giải:

- Va chạm đàn hồi: động năng của hệ sau va chạm bằng động năng của hệ trước va chạm.

- Va chạm mềm: động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm.

Luyện tập trang 123 Vật Lí 10: Hãy kéo quả nặng đầu tiên của hệ con lắc Newton (Hình 19.5) lệch một góc nhỏ và thả ra. Quan sát, mô tả và giải thích hiện tượng.

Lời giải:

Con lắc đầu tiên sẽ truyền chuyển động nguyên vẹn cho tới con lắc cuối cùng, giúp con lắc cuối cùng đi lên độ cao đúng bằng với độ cao của con lắc đầu tiên.

Giải thích: Vì các quả nặng va chạm đàn hồi với nhau nên động năng của hệ sau va chạm bằng động năng của hệ trước va chạm.

Xem thêm lời giải bài tập Vật Lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

3. Ứng dụng kiến thức động lượng vào cuộc sống

Câu hỏi 11 trang 124 Vật Lí 10: Ngoài việc bảo vệ cho đối phương, việc mang găng tay có bảo vệ gì cho bản thân võ sĩ hay không?

Lời giải:

Ngoài việc bảo vệ cho đối phương, việc mang găng tay có bảo vệ cho bản thân võ sĩ. Cụ thể là bảo vệ cho tay đỡ bị chấn thương, vì có găng tay sẽ tăng thời gian va chạm, khi đó phản lực tác dụng ngược lại vào tay sẽ có độ lớn giảm đi và khả năng bị chấn thương tay giảm đi rất nhiều.

Câu hỏi 12 trang 124 Vật Lí 10:Phân tích ứng dụng kiến thức động lượng trong việc thiết kế đai an toàn và túi khí trong ô tô.

Lời giải:

Khi xảy ra va chạm, người ngồi trong xe vẫn theo quán tính lao người về phía trước. Túi khí trong các xe ô tô được thiết kế sẽ bung ra rất nhanh, ngay sau khi bung lại được tự động xả khí để đỡ được người ngồi trong xe. Nhờ túi khí đỡ, chuyển động phần đầu người sẽ có thêm thời gian giảm vận tốc, lực xuất hiện có giá trị nhỏ, giúp giảm chấn thương. Đồng thời túi khí hấp thụ động năng của người, chuyển thành dạng năng lượng khác. Bên cạnh việc sử dụng túi khí thì người trong xe phải thắt dây đai an toàn để đảm bảo an toàn hơn.

Câu hỏi 13 trang 124 Vật Lí 10: Quan sát Hình 19.10, dựa vào kiến thức động lượng để:

a) Giải thích tại sao một chú chim nhỏ lại có thể gây ra sự cố lớn cho máy bay như vết lõm ở Hình 19.10a trong sự cố ngày 30/9/2015 gần máy bay Nội Bài, Hà Nội.

b) Phân tích định tính cơ chế chuyển động của tên lửa (Hình 19.10b).

c) Giải thích tại sao bãi cát giúp giảm chấn thương cho vận động viên khi tiếp đất (19.10c).

Lời giải:

a) Do tốc độ bay của máy bay rất lớn nên máy bay va chạm với chim trời trong thời gian rất ngắn, dẫn đến việc lực tác dụng giữa máy bay và chim rất lớn, vì vậy trên đầu máy bay có vết lõm lớn như vậy.

b) Cơ chế chuyển động của tên lửa: Động cơ tên lửa hoạt động nhờ nguyên tắc phản lực: khi nhiên liệu cháy trong buồng đốt, nó tạo ra áp suất lên thành buồng đốt cân bằng về mọi hướng. Ở vị trí ống phụt, áp suất bị sụt giảm, vì thế, áp suất (mất cân bằng) ở phía đối diện sẽ đẩy tên lửa tiến về phía trước. Ngoài ra có thể giải thích bằng định luật bảo toàn động lượng hoặc định luật III Newton, khi khối khí chuyển động về phía sau nó sẽ tác dụng lực ngược lại lên động cơ, làm cho động cơ tiến về phía trước.

c) Bãi cát có tác dụng giảm chấn thương cho vận động viên vì: khi vận động viên rơi xuống hố cát, cát sẽ kéo dài thời gian va chạm, độ lớn lực tương tác giảm đi đáng kể.

Vận dụng trang 124 Vật Lí 10: Giả sử trong nhà em có em bé nhỏ, hãy đề xuất phương án xử lí nền nhà để hạn chế đến mức tối thiểu chấn thương khi em bé ngã. Giải thích tại sao chọn phương án đó.

Lời giải:

Phương án: nên sử dụng các loại thảm, xốp trải nhà để hạn chế chấn thương cho em bé.

Giải thích: xốp, thảm vừa mềm, chống va đập, khi có va đập thì có tác dụng kéo dài thời gian va chạm, giảm độ lớn của lực nên hạn chế được chấn thương.

Bài tập (trang 125)

Bài 1 trang 125 Vật Lí 10: Trong không trung, một con chim đại bàng nặng 1,8 kg bay đến bắt một con chim bồ câu nặng 0,65 kg đang bay cùng chiều với tốc độ 7 m/s. Biết tốc độ của chim đại bàng ngay trước khi bắt được bồ câu là 18 m/s (Hình 19P.1). Hãy tính tốc độ của chúng ngay sau khi chim đại bàng bắt được bồ câu.

Lời giải:

Động lượng của chim đại bàng trước khi bắt được bồ câu: $\overrightarrow{p_1}=m_1\overrightarrow{v_1}$

Động lượng của bồ câu trước khi bị đại bàng bắt: $\overrightarrow{p_2}=m_2\overrightarrow{v_2}$

Tổng động lượng của chim đại bàng và bồ câu trước va chạm:

$\overrightarrow{p_t}=\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2}=m_1\overrightarrow{v_1}+m_2\overrightarrow{v_2}$

Tổng động lượng của chúng ngay sau khi chim đại bàng bắt được bồ câu:

$\overrightarrow{p_s}=\left(m_1+m_2\right)\overrightarrow{v}$

Coi hệ này là hệ kín nên có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng:

$\overrightarrow{p_t}=\overrightarrow{p_s}\iff m_1\overrightarrow{v_1}+m_2\overrightarrow{v_2}=\left(m_1+m_2\right)\overrightarrow{v}$

Tốc độ của chúng ngay sau khi chim đại bàng bắt được bồ câu:

$\overrightarrow{v}=\frac{m_1\overrightarrow{v_1}+m_2\overrightarrow{v_2}}{m_1+m_2}$

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của đại bàng, chiếu biểu thức vectơ xuống ta có:

$v=\frac{m_1{v}_1+m_2{v}_2}{m_1+m_2}=\frac{1,8.18+0,65.7}{1,8+0,65}=15,08m/s$

Hoặc có thể áp dụng nhanh công thức trong va chạm mềm để tính toán.

Bài 2 trang 125 Vật Lí 10: Một võ sĩ Karate có thể dùng tay để chặt gãy một tấm gỗ như Hình 19P.2. Hãy xác định lực trung bình của tay tác dụng lên tấm gỗ. Lấy khối lượng của bàn tay và một phần cánh tay là 1 kg, tốc độ của cánh tay ngay trước khi chạm vào tấm gỗ là 10 m/s, thời gian tương tác là 2.10^-3 s.

Lời giải:

Sử dụng công thức: $\overrightarrow{F}.\Delta t=m.\Delta \overrightarrow{v}\Rightarrow \overrightarrow{F}=\frac{m.\Delta \overrightarrow{v}}{\Delta t}$

Độ lớn của lực: $F=\frac{m.\Delta v}{\Delta t}=\frac{1.10}{{2.10}^{-3}}=5000N$

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 17: Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Bài 20: Động học của chuyển động tròn

Bài 21: Động lực học của chuyển động tròn. Lực hướng tâm

Bài 22: Biến dạng của vật rắn. Đặc tính của lò xo