Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Giải Vật Lí 10 Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Mở đầu trang 100 Vật Lí 10: Va chạm giữa các vật là hiện tượng thường gặp. Lực gây ra do va chạm có thể rất nhỏ như khi các phân tử không khí va chạm lên da chúng ta, nhưng có thể rất lớn như khi các thiên thạch va chạm với nhau ngoài vũ trụ. Ta đã biết rằng động lượng và năng lượng của hệ kín luôn được bảo toàn, tuy nhiên động lượng và năng lượng của từng vật trong va chạm thì có thể thay đổi. Vậy khi các vật va chạm với nhau, động lượng và năng lượng của chúng thay đổi như thế nào?

Lời giải:

+ Khi các vật va chạm với nhau, động lượng của các vật đều thay đổi, tuy nhiên động lượng của vật này giảm bao nhiêu thì động lượng của vật kia tăng bấy nhiêu.

+ Khi các vật va chạm với nhau, động năng của các vật đều thay đổi, tuy nhiên động năng của vật này giảm bao nhiêu thì động năng của vật kia tăng bấy nhiêu. Tổng động năng của hai xe được bảo toàn. 

+ Nếu xét sự va chạm của các vật trên cùng một phẳng nằm ngang thì có thể coi như thế năng của các vật không đổi, dẫn đến năng lượng của hệ được bảo toàn.

I. Đánh giá động lượng và năng lượng của vật va chạm bằng dụng cụ thực hành

Câu hỏi 1 trang 100 Vật Lí 10: Thảo luận, xây dựng phương án thực hành để xác định động lượng, năng lượng của hai xe trước và sau va chạm. Vì sao lại chọn cho các xe đo chuyển động trên giá đỡ nằm ngang?

Lời giải:

- Xây dựng phương án thực hành: 

Muốn xác định động lượng và năng lượng của xe trước và sau va chạm cần xác định khối lượng, vận tốc, độ cao (dùng để tính thế năng) của các xe.

+ Dụng cụ: băng đệm khí; đồng hồ đo thời gian hiện số (chọn đồng hồ có thể hiện thị được thời gian trước và sau); hai cổng quang điện; bơm nén khí; hai xe trượt (có khối lượng bằng nhau); hai tấm cản quang; chốt ghim và các dây nối.

+ Bố trí thí nghiệm:

Bước 1: Điều chỉnh cho băng đệm khí nằm ngang, lắp ống dẫn khí từ bơm nén khí vào băng đệm khí. Cấp điện cho bơm nén khí và điều chỉnh tốc độ của bơm cho thích hợp.

Bước 2: Lắp tấm cản quang vào các chốt cắm thích hợp trên mỗi xe, đặt hai xe lên băng đệm khí.

Bước 3: Lắp hai cổng quang điện vào hai giá đỡ đặt cách nhau một khoảng. Đặt 2 xe trượt ở bên ngoài 2 khoảng hai cổng quang điện, gắn với các chốt ghim được nối với các xe. Nối dây từ hai cổng quang điện vào đồng hồ đo thời gian hiện số. Cấp điện cho đồng hồ đo thời gian hiện số.

+ Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Điều chỉnh đồng hồ hiện về số 0, chỉnh 2 xe về các chốt ghim.

Bước 2: Mở chốt ghim đồng thời gắn ở 2 xe (chốt ghim này giống như một công tắc có tác dụng đẩy 2 xe chuyển động tiến lên phía trước). Khi 2 xe đi qua 2 cổng quang điện, đồng hồ bắt đầu đo thời gian 2 xe đi qua để xác định thời gian (gián tiếp tính được vận tốc trước va chạm của mỗi xe). Sau khi va chạm 2 xe bật ngược trở lại, tiếp tục đi qua cổng quang điện, đồng hồ lại đo thời gian (gián tiếp tính được vận tốc sau va chạm)

+ Cách xử lí kết quả: Sau khi đo được thời gian mỗi xe đi qua cổng quang điện trước và sau va chạm thì tính được vận tốc trước và sau va chạm. Dùng cân để cân khối lượng mỗi xe (bước này tiến hành trước khi thực hiện thí nghiệm). Sau đó sử dụng các công thức đã học để tính động lượng trước và sau va chạm của mỗi xe; động năng của mỗi xe cũng chính là năng lượng của mỗi xe.

+ Nhận xét: tổng động lượng và năng lượng của hai xe trước và sau va chạm gần bằng nhau.

- Chọn cho các xe đo chuyển động trên giá đỡ nằm ngang vì thế năng của các xe không thay đổi, cơ năng của hệ được bảo toàn.

Câu hỏi 2 trang 101 Vật Lí 10: Từ kết quả thí nghiệm của mình, bạn hãy tính động lượng của các xe trước và sau va chạm. So sánh độ thay đổi động lượng của xe 1 và xe 2.

Lời giải:

Tham khảo bảng kết quả thí nghiệm:

Chọn khối lượng hai xe bằng nhau và bằng 0,245 kg.

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm

+ Độ thay đổi động lượng của xe 1: $\Delta \overrightarrow{p_{xe1}}=\overrightarrow{p_1^{\text{'}}}-\overrightarrow{p_1}$

Chiếu xuống chiều dương đã chọn:

$\Delta p_{xe1}=-0,077-0,109=-0,186kg.m/s$

+ Độ thay đổi động lượng của xe 2: $\Delta \overrightarrow{p_{xe2}}=\overrightarrow{p_2^{\text{'}}}-\overrightarrow{p_2}$

Chiếu xuống chiều dương đã chọn:

$\Delta p_{xe2}=0,107+0,077=0,184kg.m/s$

Kết luận: độ thay đổi động lượng của 2 xe gần bằng nhau, nghĩa là xe 1 có động lượng giảm bao nhiêu thì xe 2 có động lượng tăng bấy nhiêu.

Câu hỏi 3 trang 101 Vật Lí 10: Từ kết quả thí nghiệm ở bảng 2.1, vận tốc của xe 1 là +0,444 m/s. Điền dấu đại số của vận tốc, động lượng từng xe vào bảng 2.2.

Lời giải:

Để điền được dấu bảng này ta cần chọn chiều dương cho chuyển động, trong gợi ý đã chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm.

Câu hỏi 4 trang 102 Vật Lí 10: Từ kết quả thí nghiệm của mình, bạn hãy tính động năng của từng xe đo trước và sau va chạm. So sánh tổng động năng của hai xe trước và sau va chạm.

Lời giải:

Chọn khối lượng hai xe bằng nhau và bằng 0,245 kg.

Do đã chọn mốc tính thế năng ở mặt phẳng nằm ngang (mặt phẳng chứa giá đỡ nằm ngang để làm thí nghiệm) nên thế năng bằng 0. Do đó năng lượng của hệ bằng tổng động năng của các xe.

Nhận thấy tổng động năng trước và sau va chạm bằng nhau và bằng 0,036 J.

Câu hỏi 5 trang 103 Vật Lí 10: Trong va chạm hoàn toàn mềm, hãy thảo luận và cho biết phần động năng bị giảm đã chuyển thành dạng năng lượng nào?

Lời giải:

Trong va chạm hoàn toàn mềm, sau va chạm hai vật dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc, phần giảm động năng này được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như: nhiệt năng (do va chạm với nhau), năng lượng âm thanh (phát ra tiếng khi va chạm), năng lượng do biến dạng, …

II. Một số hiện tượng va chạm trong thực tiễn

Luyện tập trang 103 Vật Lí 10: Hãy thảo luận để tìm hiểu các hiện tượng thực tế sau:

1. Giải thích tại sao khi bắt bóng thì thủ môn phải co tay, cuộn người lại?

2. Hãy dựa vào các hiểu biết về động lượng và lực trong hiện tượng va chạm để giải thích tác dụng của túi khí ô tô giúp giảm chấn thương của người trong xe ô tô xảy ra va chạm?

3. Tại sao khi thả quả bóng xuống mặt sàn, khi nảy lên, bóng không thể lên tới độ cao ban đầu?

Lời giải:

1. Thủ môn co tay, cuộn người lại để làm kéo dài thời gian va chạm giữa tay người với bóng nhằm giảm lực tác dụng lên tay để tránh bị chấn thương và bắt bóng dính hơn.

2. 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.

3. Do khi quả bóng rơi và nảy lên, nó ma sát với không khí, va chạm với mặt sàn nên một phần năng lượng bị chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng quả bóng, mặt sàn và không khí xung quanh. Ngoài ra, một phần năng lượng còn bị chuyển hóa thành năng lượng âm (do va chạm với sàn phát ra tiếng) nên năng lượng sau khi rơi nhỏ hơn năng lượng ban đầu dẫn đến quả bóng không thể lên tới độ cao ban đầu.

Câu hỏi 6 trang 104 Vật Lí 10: Tại sao nếu người lớn bế em bé ngồi ở ghế trước xe ô tô, khi xảy ra va chạm, em bé có thể bị những chấn thương nghiêm trọng mặc dù người lớn đã cài dây đai an toàn và túi khí hoạt động bình thường?

Lời giải:

Lý do là túi khí được thiết kế với mục đích bảo vệ cho người lớn. Khi được kích hoạt, túi khí sẽ bung ra với vận tốc lên tới 300 km/h. Cơ thể người trưởng thành có thể chịu được lực tác động này nhưng cơ thể trẻ nhỏ có phần lưng và cổ rất yếu nên dễ bị tổn thương. Về cấu trúc sinh học, trẻ nhỏ cũng có tỉ lệ đầu lớn so với cơ thể nên khó giữ thăng bằng hơn người trưởng thành. Chính vì vậy, trẻ nhỏ dễ bị sai tư thế vào thời điểm túi khí bung ra, tạo nên các chấn thương nghiêm trọng.

Vận dụng trang 104 Vật Lí 10: Bạn cần sử dụng một quả bóng nhỏ như quả bóng tennis đặt bên trên một quả bóng chuyền hơi và thả rơi hệ hai quả bóng từ một độ cao nhỏ, sau khi quả bóng chuyền va chạm với mặt đất, hãy quan sát và ghi nhận chiều cao đạt được của các quả bóng. Chú ý chỉ tiến hành tại nơi rộng rãi.

Dựa vào định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng, thảo luận để giải thích kết quả tại sao quả bóng nhỏ có thể đạt được độ cao khá lớn so với độ cao khi thả hai quả bóng.

Lời giải:

Khi thả hệ hai quả bóng chuyền hơi và quả bóng tennis, ta thấy quả bóng nhỏ có thể đạt được độ cao khá lớn so với độ cao khi thả hai quả bóng riêng lẻ. Nguyên nhân là do khi quả bóng chuyền hơi chạm đất nảy lên thì đồng thời quả bóng tennis cũng va chạm với quả bóng chuyền và nảy lên. Điều này, làm tăng động năng cho quả bóng tennis (tức là quả bóng được cung cấp thêm năng lượng) và làm giảm động năng của quả bóng chuyền hơi, dẫn đến quả bóng tennis có thể đạt được độ cao khá lớn.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài tập chủ đề 3

Bài 1: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Bài tập chủ đề 4

Bài 1: Chuyển động tròn

Bài 2: Sự biến dạng