Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Mở đầu

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, xét tùy vào từng loại va chạm là đàn hồi hay va chạm mềm ta sẽ thấy được động lượng của chúng tăng giảm như thế nào.

- Ví dụ trong va chạm đàn hồi thì động lượng, động năng của vật này tăng bao nhiêu thì động lượng, động năng của vật kia giảm đi bấy nhiêu.

- Trong va chạm mềm thì động năng của sau va chạm nhỏ hơn động năng trước va chạm.

- Năng lượng bị giảm đi do một phần cơ năng biến đổi thành các dạng năng lượng khác như năng lượng nhiệt, năng lượng âm thanh,…

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:

Đặt hai xe có khối lượng bằng nhau lên giá đỡ nằm ngang. Cho hai xe va chạm vào nhau. Sau va chạm hai xe chuyển động rời xa nhau, đọc và ghi tốc độ của từng xe trước và sau va chạm. Từ kết quả thu được, tính và đánh giá động lượng, năng lượng của hai xe trước và sau va chạm.

Ví dụ bảng số liệu:

Chọn cho các xe chuyển động theo phương ngang để thế năng trọng trường của các xe không thay đổi và coi như trọng lực và phản lực bởi mặt ngang tác dụng lên xe cân bằng, khi đó hệ hai xe coi như kín theo phương ngang. Khi đó so sánh cơ năng của hai xe ta chỉ cần xác định động năng của hai xe mà không cần so sánh thế năng (do thế năng không đổi).

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:

Hai xe có khối lượng bằng nhau và bằng m (kg).

Độ thay đổi động lượng của xe 1 là giảm 0,128.m (kg.m/s)

Xe 2 thì động lượng tăng một lượng là 0,122.m (kg.m/s)

Độ thay đổi động lượng của hai xe gần bằng nhau. (sự sai lệch do sai số ngẫu nhiên)

Vậy động lượng xe 1 giảm bao nhiêu thì xe 2 tăng bấy nhiêu.

1. Đánh giá động lượng của hai xe trước và sau va chạm

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:

2. Sự thay đổi năng lượng trong va chạm giữa hai xe

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:

Cho khối lượng mỗi xe là 0,245 kg.

Tổng động năng của hai xe trước va chạm là:

 W_tr = $\frac{1}{2}.m.v_1^2+\frac{1}{2}.m.v_2^2=\frac{1}{2}.0,245.0,{444}^2+\frac{1}{2}.0,245.0,{316}^2=$ 0,036 (J)

Tổng động năng của hai xe sau va chạm là:

 W_s = $\frac{1}{2}.m.v_{1s}^2+\frac{1}{2}.m.v_{2s}^2=\frac{1}{2}.0,245.0,{316}^2+\frac{1}{2}.0,245.0,{438}^2=$ 0,036 (J)

Tổng động năng của hai xe sau va chạm gần bằng tổng động năng của hai xe trước va chạm.

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:

Ta thấy động năng không được bảo toàn, vì một phần đã chuyển hóa thành nhiệt năng, năng lượng âm thanh, năng lượng do biến dạng trong va chạm.

II. Một số hiện tượng va chạm trong thực tiễn

Luyện tập

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. Để hãm lại chuyển động của bóng một cách an toàn, khi bắt bóng thì thủ môn phải co tay, cuộn người lại, làm tăng thời gian xảy ra va chạm giữa bóng và tay, giúp giảm lực tác dụng lên tay, hạn chế các tổn thương lên cơ và xương tay.

2. Túi khí hay 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, 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. Lưu ý: Túi khí trong xe ô tô không thể bảo vệ người ngồi trong xe nếu người sử dụng không thắt dây an toàn hoặc bế giữ người hoặc đồ vật trước vị trí túi khí.

3. Trong quá trình va chạm với mặt sàn, một phần động năng của quả bóng đã chuyển thành nhiệt năng, năng lượng âm thanh, năng lượng do biến dạng khi va chạm, nên cơ năng của quả bóng không được bảo toàn, vì vậy nó không nảy lên được đến 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:

Toàn bộ quá trình bung túi khí được diễn ra với vận tốc 320 km/h, chỉ trong 0,04 giây tất cả các túi khí đều được căng phồng. Do đó một số nghiên cứu cho thấy trẻ nhỏ là đối tượng dễ bị tổn thương do túi khí bởi lực bung lớn vì cơ thể của trẻ nhỏ chưa chịu được lực tác dụng khi túi khí bung ra. Cơ thể trẻ nhỏ dễ bị mất thăng bằng hơn người lớn vì vậy dễ bị sai tư thế và ngã xuống sàn hoặc đập về các phía khác gây ra các chấn thương nghiêm trọng.

Vận dụng trang 104 Vật lí 10:

Bạn cần sử dụng một quả bóng nhỏ như quả bóng tenis 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:

Quả bóng chuyền hơi khá mềm, có tính đàn hồi lớn, khi được thả rơi, nó va chạm với mặt sàn bị sàn tác dụng một phản lực và bị biến dạng lớn. Do đó quả bóng chuyền hơi dự trữ một thế năng đàn hồi, khi quả bóng trở lại trạng thái ban đầu, theo định luật bảo toàn năng lượng thế năng đàn hồi chuyển hóa thành động năng của quả bóng tenis. Do khối lượng của quả bóng tenis nhỏ nên vận tốc đầu mà quả bóng tenis nhận được khá lớn ($v=\sqrt{\frac{2W}{m}}$). Theo định luật bảo toàn năng lượng, toàn bộ động năng này chuyển hóa thành thế năng ở vị trí cao nhất khi quả nóng tenis bay lên.