Giải SGK Vật lí 10 (Chân trời sáng tạo) Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Giải Vật Lí 10 Chân trời sáng tạo Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Mở đầu trang 114 Vật Lí 10: Trong thực tế, có rất nhiều quá trình tương tác giữa các hệ vật mà ta không biết rõ lực tương tác, do đó không thể sử dụng trực tiếp định luật II Newton để khảo sát. Ví dụ: Yếu tố nào quyết định sự chuyển động của các mảnh vỡ sau khi pháo hoa nổ? Yếu tố nào làm cho viên đạn thể thao đường kính 9 mm có khả năng gây ra sự tàn phá mạnh khi bắn vào quả táo (Hình 18.1).

Lời giải:

- Yếu tố quyết định sự chuyển động của các mảnh vỡ sau khi pháo hoa nổ:

+ Vận tốc của các mảnh vỡ;

+ Khối lượng của các mảnh vỡ.

- Yếu tố làm cho viên đạn thể thao đường kính 9 mm có khả năng gây ra sự tàn phá mạnh khi bắn vào quả táo:

+ Động lượng của viên đạn lớn;

+ Thời gian va chạm rất ngắn.

1. Động lượng

Câu hỏi 1 trang 114 Vật Lí 10: Từ thí nghiệm trong Hình 18.2: Dự đoán độ dịch chuyển của khúc gỗ trong các trường hợp và cho biết độ dịch chuyển đó phụ thuộc vào những yếu tố nào của viên bi. Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.

Lời giải:

- Viên bi bằng sắt có khối lượng lớn hơn viên bi bằng thủy tinh (ta biết được điều này do 2 viên bi cùng kích thước, cùng hình dạng, khối lượng riêng của sắt lớn hơn thủy tinh).

- Khi thả ở cùng một độ cao, các viên bi va chạm vào khúc gỗ, viên bi bằng sắt làm cho khúc gỗ chuyển động xa hơn. Chứng tỏ độ dịch chuyển của khúc gỗ phụ thuộc vào khối lượng của viên bi.

- Khi thả ở các độ cao khác nhau, viên bi được thả ở độ cao lớn hơn sẽ làm cho khúc gỗ chuyển động xa hơn. Chứng tỏ độ dịch chuyển phụ thuộc vào vận tốc của viên bi (bi được thả ở độ cao lớn hơn thì vận tốc khi va chạm với khúc gỗ lớn hơn).

Câu hỏi 2 trang 115 Vật Lí 10: Cho ví dụ để giải thích tại sao động lượng của một vật lại phụ thuộc vào hệ quy chiếu.

Lời giải:

Do vận tốc của các vật phụ thuộc vào hệ quy chiếu được chọn nên động lượng của chúng cũng sẽ phụ thuộc vào hệ quy chiếu được chọn.

Ví dụ: người ngồi trên xe ô tô đang chuyển động với tốc độ 60 km/h.

- Nếu chọn hệ quy chiếu gắn với xe thì động lượng của người bằng 0 vì vận tốc của người trong hệ quy chiếu này bằng 0.

- Nếu chọn hệ quy chiếu gắn với cột điện bên đường thì động lượng của người này khác 0 vì vận tốc khác 0.

Luyện tập trang 115 Vật Lí 10: Trong một trận bóng đá, cầu thủ A có khối lượng 78 kg chạy dẫn bóng với tốc độ 8,5 m/s. Trong khi đó, cầu thủ B có khối lượng 82 kg (ở đội đối phương) cũng chạy đến tranh bóng với tốc độ 9,2 m/s theo hướng ngược với hướng của cầu thủ A (Hình 18.4). Hãy xác định:

a) hướng và độ lớn của vectơ động lượng của từng cầu thủ.

b) vectơ tổng động lượng của hai cầu thủ.

Lời giải:

a) Hướng của vectơ động lượng của hai cầu thủ cùng hướng với chuyển động của họ (hay là cùng hướng với vectơ vận tốc của họ).

Độ lớn động lượng của cầu thủ A: $p_1=m_1{v}_1=78.8,5=663kg.m/s$

Độ lớn động lượng của cầu thủ B: $p_2=m_2{v}_2=82.9,2=754,4kg.m/s$

b) Vectơ tổng động lượng của hai cầu thủ: $\overrightarrow{p}=\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2}$

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của cầu thủ A.

Độ lớn của động lượng tổng cộng: $p=\left(p_1-p_2\right)=91,4kg.m/s$

Khi đó vectơ động lượng tổng cộng của hai cầu thủ cùng phương với chuyển động của hai cầu thủ nhưng có hướng theo hướng chuyển động của cầu thủ B, độ lớn là 91,4 kg.m/s.

2. Định luật bảo toàn động lượng

Câu hỏi 3 trang 116 Vật Lí 10: Trên thực tế, có tồn tại hệ kín lí tưởng hay không? Giải thích.

Lời giải:

Trong thực tế hầu như không tồn tại hệ kín lí tưởng. Vì luôn có sự tương tác giữa các vật trong hệ với môi trường bên ngoài, tuy nhiên để giải quyết các bài toán cũng như giải thích các hiện tượng nên ta có thể bỏ qua sự tác tác bên ngoài hệ khi chúng không đáng kể.

Câu hỏi 4 trang 116 Vật Lí 10: Lập luận để giải thích tại sao hệ hai xe trượt trong thí nghiệm khảo sát định luật bảo toàn động lượng được xem gần đúng là hệ kín.

Lời giải:

Xe chuyển động trên đệm không khí, coi như bỏ qua được ma sát giữa xe với bề mặt đệm, lực cản không khí không đáng kể. Khi đó hệ được xem gần đúng là hệ kín.

Câu hỏi 5 trang 116 Vật Lí 10: Nêu những lưu ý trong khi bố trí dụng cụ như Hình 18.5 để hạn chế sai số của thí nghiệm.

Lời giải:

Những lưu ý khi bố trí thí nghiệm để hạn chế sai số:

- Đặt đệm không khí nằm ngang, không để lệch (đầu cao, đầu thấp).

- Kiểm tra các lỗ khí trên đệm xem có bị kín lỗ nào hay không, để đảm bảo hạn chế tối đa ma sát giữa xe và đệm.

- Tấm chắn cổng quang được lắp cẩn thận, ngay ngắn, không bị lệch.

- Thao tác bấm công tắc dứt khoát.

Câu hỏi 6 trang 116 Vật Lí 10: Nếu chỉ có 1 đồng hồ đo thời gian hiện số thì các em cần thiết lập chế độ đo thời gian như thế nào?

Lời giải:

Nếu chỉ có 1 đồng hồ đo thời gian hiện số thì em sẽ làm thí nghiệm nhiều lần để tiến hành đo:

+ Nối đồng hồ đo thời gian hiện số ở cổng quang điện 1 đặt chế độ đo ở MODE A, đo thời gian xe chạy qua (thời gian trước va chạm) cổng quang điện với quãng đường là độ dài tấm chắn sáng. (đo 3 lần)

+ Sau đó, nối đồng hồ đo thời gian hiện số ở cổng quang điện 2 đặt chế độ đo ở MODE B, đo thời gian xe chạy qua (thời gian sau va chạm) cổng quang điện với quãng đường là độ dài tấm chắn sáng. (đo 3 lần)

Câu hỏi 7 trang 117 Vật Lí 10: Giải thích tại sao chúng ta có thể xác định được vận tốc tức thời của xe dựa vào thời gian xe đi qua cổng quang điện (Hình 18.5). Trình bày lưu ý về dấu của vận tốc tức thời của hai xe trong quá trình tiến hành thí nghiệm.

Lời giải:

- Khi xe đi qua cổng quang điện, đồng hồ đo thời gian tấm cản quang chắn cổng quang điện. Độ dài tấm cản quang là d. Vận tốc tức thời được xác định bằng công thức $v=\frac{d}{t}$.

- Lưu ý về dấu của vận tốc tức thời: ta cần chọn chiều dương cho chuyển động.

Câu hỏi 8 trang 117 Vật Lí 10: Từ kết quả thí nghiệm, hãy tính độ chênh lệch tương đối động lượng của hệ trước và sau va chạm $\frac{\left(p_1-p\text{'}\right)}{p_1}.100\%$. Từ đó, nêu nhận xét về động lượng của hệ trước và sau va chạm.

Lời giải:

Độ chênh lệch tương đối động lượng của hệ trước và sau va chạm $\frac{\left(p_1-p\text{'}\right)}{p_1}.100\%$.

Lần đo 1: $\frac{\left(p_1-p\text{'}\right)}{p_1}.100\%=3,48\%$

Lần đo 2: $\frac{\left(p_1-p\text{'}\right)}{p_1}.100\%=3,75\%$

Lần đo 3: $\frac{\left(p_1-p\text{'}\right)}{p_1}.100\%=2,08\%$

Nhận xét: độ chênh lệch tương đối động lượng khá nhỏ nên có thể coi như động lượng của hệ trước va chạm và sau va chạm gần bằng nhau.

Vận dụng trang 119 Vật Lí 10: Em hãy vận dụng định luật bảo toàn động lượng để chế tạo một số đồ chơi khoa học

Lời giải:

Trò chơi:

Ví dụ 1: dùng quả bóng bay.

Cách làm: thổi hơi vào quả bóng bay sau đó dùng tay bịt chặt đầu để không cho khí ở trong quả bóng bay thoát ra. Sau đó đưa quả bóng bay lên, đột ngột thả tay để cho khí ở trong quả bóng bay thoát ra ngoài, khi đó khí thoát ra đồng thời đẩy quả bóng bay tiến lên phía trước.

Ví dụ 2: trò chơi thuyền gắn động cơ.

Cách làm: dùng một tấm ván, có gắn các bánh xe, phía trên tấm ván gắn một chiếc quạt nhỏ chạy bằng động cơ (hoặc pin) như hình vẽ. Bật quạt thì gió từ quạt thổi về phía sau, đẩy cho tấm ván tiến về phía trước.

Bài tập (trang 119)

Bài 1 trang 119 Vật Lí 10: Hãy tính độ lớn động lượng của một số hệ sau

a) Một electron khối lượng 9,1.10^-31 kg chuyển động với tốc độ 2,2.10⁶ m/s.

b) Một viên đạn khối lượng 20 g bay với tốc độ 250 m/s.

c) Một chiếc xe đua thể thức I (F1) đang chạy với tốc độ 326 km/h. Biết tổng khối lượng của xe và tài xế khoảng 750 kg.

d) Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời với tốc độ 2,98.10⁴ m/s. Biết khối lượng Trái Đất là 5,972.10²⁴ kg.

Lời giải:

Tính độ lớn động lượng

a) Động lượng của electron: $p=mv=9,{1.10}^{-31}.2,{2.10}^6={2.10}^{-24}kg.m/s$

b) Động lượng của viên đạn: $p=mv=0,02.250=5kg.m/s$

c) Động lượng của chiếc xe đua: $p=mv=750.\frac{326}{3,6}=67916,7kg.m/s$

d) Động lượng của Trái Đất: $p=mv=2,{98.10}^4.5,{972.10}^{24}=1,{78.10}^{29}kg.m/s$

Bài 2 trang 119 Vật Lí 10: Một quả bóng tennis khối lượng 60 g chuyển động với tốc độ 28 m/s đến đập vào một bức tường và phản xạ lại với cùng một góc 45^o như Hình 18P.1. Hãy xác định các tính chất của vectơ động lượng trước và sau va chạm của bóng.

Lời giải:

Vectơ động lượng trước và sau va chạm hợp với nhau một góc 90⁰.

Độ lớn động lượng trước và sau va chạm bằng nhau và bằng:

$p=mv=0,06.28=1,68kg.m/s$

Bài 3 trang 119 Vật Lí 10: Một viên đạn nặng 6 g được bắn ra khỏi nòng của một khẩu súng trường 4 kg với tốc độ 320 m/s.

a) Tìm tốc độ giật lùi của súng.

b) Nếu một người nặng 75 kg tì khẩu súng vào vai và ngắm bắn thì tốc độ giật lùi của người là bao nhiêu?

Lời giải:

a) Coi hệ này là hệ kín.

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của đạn sau khi bắn ra khỏi nòng súng.

Động lượng của hệ trước va chạm: $\overrightarrow{p_t}=\overrightarrow{0}$

Động lượng của hệ sau va chạm: $\overrightarrow{p_s}=\overrightarrow{p_d}+\overrightarrow{p_s}=m_d\overrightarrow{v_d}+m_s\overrightarrow{v_s}$

Theo định luật bảo toàn động lượng: $\overrightarrow{p_t}=\overrightarrow{p_s}\iff \overrightarrow{0}=m_d\overrightarrow{v_d}+m_s\overrightarrow{v_s}\iff \overrightarrow{v_s}=-\frac{m_d}{m_s}\overrightarrow{v_d}$

Chiếu biểu thức vecto xuống chiều chuyển động:

$v_s=-\frac{m_d}{m_s}{v}_d=-\frac{0,006}{4}.320=-0,48m/s$

Chứng tỏ súng chuyển động giật lùi với tốc độ là 0,48 m/s.

b) Nếu tì súng lên vai thì coi như súng và người gắn với nhau.

Ta vẫn áp dụng công thức về định luật bảo toàn động lượng.

$\overrightarrow{p_t}=\overrightarrow{p_s}\iff \overrightarrow{0}=m_d\overrightarrow{v_d}+\left(m_s+m_{ng}\right)\overrightarrow{v}\iff \overrightarrow{v}=-\frac{m_d}{m_s+m_{ng}}\overrightarrow{v_d}$

Chiếu biểu thức vectơ xuống chiều chuyển động:

$v=-\frac{m_d}{m_s+m_{ng}}{v}_d=-\frac{0,006}{4+75}.320=-0,24m/s$

Vậy người sẽ giật lùi với tốc độ 0,24 m/s.

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

Bài 16: Công suất – Hiệu suất

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

Bài 19: Các loại va chạm

Bài 20: Động học của chuyển động tròn

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