Giải Vật Lí lớp 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 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 ở hình trên, động lượng và động năng không được bảo toàn, do hệ này không phải hệ kín và một phần năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt năng, năng lượng âm thanh, ....

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).

Lời giải:

Khi vật chịu tác dụng bởi một lực không đổi $\overrightarrow{F}$ thì gia tốc của vật là $\overrightarrow{a}$. Theo định luật II Newton ta có: $\overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}$

Độ biến thiên động lượng của vật là: $\Delta \overrightarrow{p}=m.\Delta \overrightarrow{v}\Rightarrow m=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta \overrightarrow{v}}$

Thay vào biểu thức định luật II, ta có:

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta \overrightarrow{v}}.\overrightarrow{a} \\ =\Delta \overrightarrow{p}\frac{\overrightarrow{a}}{\Delta \overrightarrow{v}}=\frac{\Delta \overrightarrow{p}}{\Delta \overrightarrow{t}} \end{gathered}$$

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:

Để cốc nước không bị đổ thì vận tốc của tờ giấy phải đủ lớn và di chuyển ra khỏi cốc nước càng nhanh, ít tác động đến cốc nước. Vì vậy cần phải tác động lên tờ giấy một lực thật mạnh

$\Rightarrow$ Phương án: Giật tờ giấy thật nhanh và dứt khoát, tay kéo tờ giấy xuống phía dưới và giật mạnh.

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:

Đệm hơi có vai trò tăng thời gian thay đổi động lượng của người, từ đó lực F nhỏ hơn, con người ít chịu tổn thương.

2. Thí nghiệm khảo sát va chạm

Các loại 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) Một viên bi da đang đứng yên, một viên khác đi tới và va chạm vào viên đang đứng yên. Sau va chạm, 2 viên chuyển động theo hai hướng khác nhau và khác với hướng ban đầu của chúng.

$\Rightarrow$ Va chạm của hai viên bi da là va chạm đàn hồi (sau va chạm, vật lấy lại hình dạng ban đầu và tiếp tục chuyển động tách rời nhau).

b) Ban đầu miếng gỗ đang đứng yên, viên đạn bay tới, mắc vào miếng gỗ. Sau va chạm hai vật dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc.

$\Rightarrow$ Va chạm của viên đạn vào miếng gỗ là va chạm mềm (sau va chạm, hai vật dính vào nhau và chuyển động theo chiều ban đầu).

Thí nghiệm khảo sát va chạm đàn hồi và va chạm mềm

Câu hỏi 4 trang 122 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 một hệ cô lập gồm hai vật.

Theo định luật III Newton, ta có: $\overrightarrow{F_1}=-\overrightarrow{F_2}$ 

Độ biến thiên động lượng: $\Delta \overrightarrow{p_1}=\overrightarrow{F_1}.\Delta t$ ; $\Delta \overrightarrow{p_2}=\overrightarrow{F_2}.\Delta t$

Từ định luật III Newton ta có: $\overrightarrow{F_1}=-\overrightarrow{F_2}\Rightarrow \Delta \overrightarrow{p_1}=-\Delta \overrightarrow{p_2}$

$$\begin{gathered} \Rightarrow \Delta \overrightarrow{p_1}+\Delta \overrightarrow{p_2}=0 \\ \Rightarrow \Delta \overrightarrow{p}=\Delta \overrightarrow{p_1}+\Delta \overrightarrow{p_2}=0 \end{gathered}$$

$\Rightarrow$ Độ biến thiên động lượng của hệ bằng 0, nghĩa là động lượng của hệ được không thay đổi, tức là 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:

Các bước xác định tốc độ của vật trước và sau va chạm:

+ Bước 1: Gắn lò xo 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 lò xo và tấm chắn cổng quang điện

+ 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 đã đi qua cổng quang điện trước và sau va chạm

Tốc độ của hai xe ngay trước và sau va chạm được đo bằng cổng quang điện được bố trí tại nơi xảy ra va chạm.

Dấu của vận tốc có thể âm, có thể dương tùy vào hệ tọa độ ta chọn.

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:

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

Va chạm đàn hồi:

- Trước va chạm, vận tốc của xe 1 mang dấu dương, vận tốc của xe 2 mang dấu âm (nếu vật 2 đang đứng yên thì có vận tốc bằng 0).

- Sau va chạm, vận tốc của xe 1 mang dấu âm, vận tốc của xe 2 mang dấu dương.

Va chạm mềm:

- Trước va chạm, vận tốc của xe 1 mang dấu dương.

- Sau va chạm, vận tốc của hệ mang dấu dương.

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:

Động lượng của từng xe thay đổi sau va chạm nhưng động lượng của cả hệ gần như 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:

 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:

-  Đối với va chạm đàn hồi, năng lượng của hệ không thay đổi sau va chạm.

- Đối với va chạm mềm, năng lượng của hệ sau va chạm nhỏ hơn năng lượng 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:

Dùng tay đưa quả cầu 1 khỏi vị trí cân bằng đến vị trí A nào đó, lệch 1 góc nhỏ so với phương thẳng đứng rồi thả nhẹ, thì quả cầu 1 di chuyển từ A về vị trí cân bằng, va chạm với quả cầu thứ hai. Lực tương tác giữa các quả cầu đã làm quả cầu 1 đứng yên và quả cầu 6 rời khỏi vị trí cân bằng lên đến vị trí B, thấp hơn 1 chút so với vị trí A.

Sau đó quả cầu 6 quay lại vị trí cân bằng, va chạm với quả cầu 5 và làm quả cầu 1 di chuyển lên vị trí C, thấp hơn B và A.

Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi hai quả cầu dừng hẳn ở vị trí cân bằng.

Nếu trong quá trình va chạm trên bỏ qua mọi ma sát thì con lắc 6 sẽ lên đến vị trí có độ cao bằng với độ cao ban đầu của quả cầu 1.

3. Ứng dụng kiến thức động lượng vào cuộc sống

Cách thức giảm chấn thương não trong quyền anh (Boxing)

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: khi đấm đối thủ một lực thì sẽ có một phản lực từ đối thủ tác dụng ngược lại tay của võ sĩ, khi đeo găng tay thì sẽ tăng thời gian truyền chuyển động, giảm độ lớn của lực tác dụng giúp cho tay của võ sĩ được an toàn.

Vai trò của đai an toàn và túi khí trong ô tô

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:

Túi khí, dây đai an toàn là các thiết bị bảo vệ người ngồi trong xe ô tô. Khi xảy ra va chạm, túi khí trong các ô tô được thiết kế sẽ bung ra rất nhanh để đỡ 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.

Luyện tập 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 sân 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) 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:

- Ở Trái Đất, tên lửa chuyển động nhờ vào lực đẩy của khí phụt ra. Khi nhiên liệu được đốt cháy trong buồng đốt, nó tạo ra áp suất lên thành buồng đốt cân bằng về mọi phía. Ở vị trí ống phụt, áp suất bị giảm, vì thế áp suất ở phía đối diện sẽ đẩy tên lửa về phía trước.

- Ở ngoài không gian, tên lửa tuân theo nguyên tắc chuyển động bằng phản lực do nhà vật lí Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (người Nga) đưa ra. Giả sử ban đầu tên lửa đứng yên. Động lượng ban đầu của cả tên lửa bằng 0. Sau khi lượng khí phụt ra phía sau thì tên lửa sẽ chuyển động lên trước với vận tốc ngược hướng với hướng của vận tốc khí phụt ra.

c) Bãi cát giúp tăng lực ma sát, kéo dài thời gian vận động tiếp đất, từ đó làm giảm lực tiếp đất, giúp giảm chấn thương.

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:

Để giảm tối thiểu chấn thương của em bé khi em bé ngã, ta nên để trên sàn nhà bằng những tấm thảm, vì vậy có thể làm giảm lực tiếp xúc của em bé với sàn nhà.

Bài tập (Trang 125)

Bài tập 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:

Gọi khối lượng, vận tốc trước và sau va chạm của chim đại bàng lần lượt là m₁ , v₁ , v₁'

Khối lượng, vận tốc trước và sau va chạm của chim bồ câu lần lượt là m₂ , v₂ , v₂'

Do va chạm của chim đại bàng và chim bồ câu là va chạm mềm nên ta có: v₁' = v₂' = v'.

Ta có: m₁ = 1,8 kg; m₂ = 0,65 kg; v₁ = 18 m/s; v₂ = 7 m/s

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của chim đại bàng.

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

$$\begin{gathered} \sum p_{tr}=\sum p_s \\ \iff m_1.\overrightarrow{v_1}+m_2.\overrightarrow{v_2}=(m_1+m_2).\overrightarrow{v^{\text{'}}} \end{gathered}$$

Chiếu lên chiều dương, ta có:

$m_1.v_1+m_2.v_2=\left(m_1+m_2\right).v\text{'}$

$\Rightarrow v\text{'}=\frac{m_1.v_1+m_2.v_2}{m_1+m_2}=\frac{1,8.18+0,65.7}{1,8+0,65}\approx 15,08\text{ m/s}$

Vậy tốc độ của chúng ngay sau khi chim đại bằng bắt được bồ câu là 15,08 m/s.

Bài tập 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 va chạm vào tấm gỗ là 10 m/s, thời gian tương tác là 2.10^-3 s.

Lời giải:

Động lượng của cánh tay chạm vào khối gỗ là: p = m.v = 1.10 = 10 kg.m/s

Lực trung bình của tay tác dụng lên tấm gỗ là: $F=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{10}{{2.10}^{-3}}=5000\text{ N}$.