Khởi động trang 110

Đề bài:

• Hình a: Xe tải và xe ô tô con đang chạy cạnh nhau với cùng vận tốc. Khi đèn tín hiệu màu đỏ bật sáng, xe nào muốn dừng lại thì cần phải có một lực hãm lớn hơn? Tại sao?
• Hình b: Cầu thủ đá bóng sút phạt 11 m. Thủ môn khó bắt bóng hơn khi bóng bay tới có tốc độ lớn hay nhỏ? Tại sao?

Lời giải:

Hình a: Xe tải cần lực hãm lớn hơn. Vì xe tải có khối lượng lớn hơn xe ô tô con, mà hai xe chạy với cùng vận tốc → “mức quán tính” của xe tải lớn hơn, muốn dừng lại cần lực hãm lớn hơn.

Hình b: Thủ môn khó bắt bóng hơn khi bóng có tốc độ lớn. Vì tốc độ càng lớn thì bóng càng có “khả năng truyền chuyển động” mạnh khi va chạm vào tay thủ môn → khó kiểm soát và khó bắt.

I. Động lượng

Hoạt động trang 110

Đề bài: Thực hiện các thí nghiệm với 3 viên bi A, B, C (B nặng hơn A và C) trên máng nghiêng (Hình 28.1). Sau đó thảo luận:

• Trong thí nghiệm 1, vận tốc của hai viên bi A và B khi đến chân dốc có giống nhau không? Viên bi nào đẩy viên bi C lăn xa hơn? Tại sao?
• Trong thí nghiệm 2, ứng với độ dốc nào thì viên bi A có vận tốc lớn hơn khi va chạm với bi C? Ở trường hợp nào, viên bi C lăn xa hơn? Tại sao?

Lời giải:

Thí nghiệm 1 (cùng máng, lần lượt thả A rồi B):

• Vận tốc của A và B khi đến chân dốc giống nhau, vì cùng được thả từ cùng độ cao trên cùng máng nghiêng (cùng gia tốc, cùng quãng đường).
• Viên bi B đẩy bi C lăn xa hơn, vì B nặng hơn A (cùng vận tốc, khối lượng lớn hơn → truyền chuyển động mạnh hơn).

Thí nghiệm 2 (chỉ thả bi A, thay đổi độ dốc):

• Độ dốc càng lớn, viên bi A có vận tốc khi va chạm với C càng lớn.
• Khi độ dốc lớn hơn, bi C lăn xa hơn, vì A có vận tốc lớn hơn → truyền chuyển động mạnh hơn cho C.

Kết luận: Vật có khối lượng và vận tốc càng lớn thì khả năng truyền chuyển động trong va chạm càng mạnh.

Câu 1 trang 111 (về ý nghĩa của động lượng)

Đề bài: Tìm thêm ví dụ minh hoạ cho ý nghĩa vật lí trên của động lượng.

Lời giải:

Một số ví dụ minh hoạ:

• Búa đóng đinh: búa nặng vung mạnh (động lượng lớn) → đóng đinh lún sâu vào gỗ.
• Xe tải đâm vào ô tô con: xe tải có khối lượng lớn → đẩy ô tô con đi xa.
• Sóng thần: khối lượng nước cực lớn, vận tốc lớn → quét đổ mọi vật cản trên đường đi.

Câu 2 trang 111 (về ý nghĩa của động lượng)

Đề bài:

a) Động lượng của xe tải hay xe ô tô con trong hình ở đầu bài lớn hơn?

b) Trong trường hợp sút phạt 11 m, tại sao thủ môn khó bắt bóng hơn nếu bóng có động lượng tăng?

Lời giải:

a) Xe tải và xe ô tô con chạy với cùng vận tốc, nhưng xe tải có khối lượng lớn hơn → động lượng của xe tải lớn hơn ($p = m \cdot v$).

b) Khi bóng có động lượng tăng, lúc bóng đập vào tay thủ môn sẽ truyền cho tay một lượng động lượng lớn → tạo ra lực rất mạnh tác dụng lên tay → thủ môn khó giữ bóng và dễ bị bóng bật ra.

Câu 1 trang 111 (luyện tập – định nghĩa và vẽ vectơ)

Đề bài:

a) Nêu định nghĩa và đơn vị của động lượng.

b) Vẽ vectơ động lượng của một quả bóng tennis vừa bật khỏi mặt vợt (Hình 28.2).

Lời giải:

a) Định nghĩa và đơn vị:

Động lượng của một vật khối lượng $m$ đang chuyển động với vận tốc $\vec{v}$ là đại lượng được xác định bởi công thức:

$$\vec{p} = m \cdot \vec{v}$$

• Động lượng là đại lượng vectơ, có cùng hướng với vận tốc.
• Đơn vị: kg.m/s.

b) Vẽ vectơ động lượng của quả bóng tennis:

Vectơ động lượng $\vec{p}$ được vẽ tại quả bóng, có cùng hướng với vận tốc $\vec{v}$ của bóng (tức là hướng từ mặt vợt ra ngoài, theo chiều bóng đang bay đi).

Câu 2 trang 111 (luyện tập – phát biểu không đúng)

Đề bài: Phát biểu nào sau đây không đúng khi nói về động lượng?

A. Động lượng của một vật đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động của vật khi tương tác với vật khác. B. Động lượng là đại lượng vectơ. C. Động lượng có đơn vị là kg.m/s. D. Động lượng của một vật chỉ phụ thuộc vào vận tốc của vật đó.

Lời giải:

Đáp án: D

Giải thích: Theo công thức $\vec{p} = m \cdot \vec{v}$, động lượng phụ thuộc vào cả khối lượng $m$ và vận tốc $\vec{v}$, chứ không phải chỉ phụ thuộc vào vận tốc.

Câu 3 trang 111 (luyện tập – tính độ lớn động lượng)

Đề bài: Tính độ lớn động lượng trong các trường hợp sau:

a) Một xe buýt khối lượng 3 tấn đang chuyển động với tốc độ 72 km/h.

b) Một hòn đá khối lượng 500 g chuyển động với tốc độ 10 m/s.

c) Một electron chuyển động với tốc độ $2 \cdot 10^7$ m/s. Biết khối lượng electron bằng $9{,}1 \cdot 10^{-31}$ kg.

Lời giải:

Áp dụng công thức: $p = m \cdot v$

a) $m = 3$ tấn $= 3000$ kg; $v = 72$ km/h $= 20$ m/s.

$$p = 3000 \times 20 = 60\,000 \text{ kg.m/s} = 6 \cdot 10^4 \text{ kg.m/s}$$

b) $m = 500$ g $= 0{,}5$ kg; $v = 10$ m/s.

$$p = 0{,}5 \times 10 = 5 \text{ kg.m/s}$$

c) $m = 9{,}1 \cdot 10^{-31}$ kg; $v = 2 \cdot 10^7$ m/s.

$$p = 9{,}1 \cdot 10^{-31} \times 2 \cdot 10^7 = 1{,}82 \cdot 10^{-23} \text{ kg.m/s}$$

Câu 4 trang 111 (luyện tập – so sánh động lượng hai xe)

Đề bài: Một xe tải có khối lượng 1,5 tấn chuyển động với tốc độ 36 km/h và một ô tô có khối lượng 750 kg chuyển động ngược chiều với tốc độ 54 km/h. So sánh động lượng của hai xe.

Lời giải:

Tóm tắt:

• Xe tải: $m_1 = 1{,}5$ tấn $= 1500$ kg; $v_1 = 36$ km/h $= 10$ m/s.
• Ô tô: $m_2 = 750$ kg; $v_2 = 54$ km/h $= 15$ m/s (ngược chiều xe tải).

Bước 1: Tính độ lớn động lượng mỗi xe:

$$p_1 = m_1 \cdot v_1 = 1500 \times 10 = 15\,000 \text{ kg.m/s}$$

$$p_2 = m_2 \cdot v_2 = 750 \times 15 = 11\,250 \text{ kg.m/s}$$

Bước 2: So sánh:

• Về độ lớn: $p_1 > p_2$ → động lượng xe tải lớn hơn.
• Về hướng: hai vectơ động lượng ngược chiều nhau (vì hai xe đi ngược chiều).

Câu 5 trang 111 (luyện tập – đơn vị N.s)

Đề bài: Tại sao đơn vị của động lượng còn có thể viết là N.s?

Lời giải:

Đơn vị động lượng là kg.m/s. Ta biến đổi:

$$\text{kg.m/s} = \text{kg} \cdot \dfrac{\text{m}}{\text{s}} = \text{kg} \cdot \dfrac{\text{m}}{\text{s}^2} \cdot \text{s}$$

Mà $\text{kg} \cdot \dfrac{\text{m}}{\text{s}^2} = \text{N}$ (đơn vị lực, theo định luật 2 Newton $F = ma$).

Vậy: kg.m/s = N.s.

II. Xung lượng của lực

1. Xung lượng của lực

Câu 1 trang 111 (về xung lượng – các lực tác dụng ngắn)

Đề bài: Trong các ví dụ sau, các vật đã chịu tác dụng của các lực nào trong thời gian rất ngắn?

• Cầu thủ thực hiện một cú đá vô lê đã đưa được bóng vào lưới đối phương.
• Trong môn bi-a, quả bi-a đang chuyển động thì va chạm vào thành bàn nên nó bị đổi hướng.
• Trong môn chơi gôn, một quả bóng gôn đang nằm yên. Sau một cú đánh, quả bóng bay đi rất nhanh.

Lời giải:

• Cú đá vô lê: Bóng chịu tác dụng của lực do chân cầu thủ tác dụng trong thời gian rất ngắn.
• Bi-a va chạm thành bàn: Bi-a chịu tác dụng của lực đàn hồi từ thành bàn trong thời gian rất ngắn.
• Đánh bóng gôn: Bóng chịu tác dụng của lực do gậy gôn tác dụng trong thời gian rất ngắn.

Câu 2 trang 111 (về xung lượng – biến đổi trạng thái)

Đề bài: Hãy chỉ ra sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật trong các ví dụ trên như thế nào? Tại sao lực tác dụng lên vật trong một khoảng thời gian ngắn lại có thể gây ra biến đổi đáng kể trạng thái chuyển động của vật đó?

Lời giải:

Sự biến đổi trạng thái chuyển động:

• Đá vô lê: bóng từ trạng thái bay ngang/chậm → bay nhanh vào lưới (đổi cả hướng và tốc độ).
• Bi-a va thành bàn: bi-a đang chuyển động → bị đổi hướng.
• Đánh bóng gôn: bóng từ trạng thái nằm yên → bay đi rất nhanh.

Tại sao lực tác dụng trong thời gian ngắn lại gây biến đổi đáng kể?

Vì các lực này có độ lớn rất lớn, nên tích $\vec{F} \cdot \Delta t$ (xung lượng) vẫn đủ lớn để gây ra độ biến thiên động lượng đáng kể của vật, theo công thức $\vec{F} \cdot \Delta t = \Delta \vec{p}$.

2. Liên hệ giữa xung lượng của lực và độ biến thiên động lượng

Câu 1 trang 112

Đề bài:

a) Xung lượng của lực gây ra tác dụng gì?

b) Một quả bóng khối lượng $m$ đang bay ngang với tốc độ $v$ thì đập vào một bức tường và bật trở lại với cùng tốc độ. Xung lượng của lực gây ra bởi tường lên quả bóng là:

A. $mv$ B. $-mv$ C. $2mv$ D. $-2mv$

Lời giải:

a) Xung lượng của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian $\Delta t$ gây ra độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian đó:

$$\vec{F} \cdot \Delta t = \Delta \vec{p}$$

b) Chọn chiều dương là chiều chuyển động ban đầu của quả bóng.

• Động lượng ban đầu: $p_1 = m \cdot v$
• Sau va chạm bóng bật lại với cùng tốc độ nhưng ngược chiều: $p_2 = -m \cdot v$

Độ biến thiên động lượng cũng chính là xung lượng của lực từ tường:

$$\vec{F} \cdot \Delta t = \Delta p = p_2 – p_1 = -mv – mv = -2mv$$

Đáp án: D. $-2mv$

Câu 2 trang 112 (thủ môn bắt bóng)

Đề bài: Thủ môn khi bắt bóng muốn không đau tay và khỏi ngã thì phải co tay lại và lùi người một chút theo hướng đi của quả bóng. Thủ môn làm thế để:

A. làm giảm động lượng của quả bóng. B. làm giảm độ biến thiên động lượng của quả bóng. C. làm tăng xung lượng của lực quả bóng tác dụng lên tay. D. làm giảm cường độ của lực quả bóng tác dụng lên tay.

Lời giải:

Đáp án: D

Giải thích: Khi thủ môn co tay và lùi người theo hướng bóng đi, thời gian va chạm $\Delta t$ tăng lên. Mà độ biến thiên động lượng $\Delta p$ của bóng là không đổi (bóng vẫn phải dừng lại). Theo công thức:

$$F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t}$$

Khi $\Delta t$ tăng → $F$ giảm → tay đỡ đau hơn, không bị ngã.

Câu 3 trang 112 (bài tập bóng gôn)

Đề bài: Một quả bóng gôn có khối lượng 46 g đang nằm yên, sau một cú đánh quả bóng bay lên với tốc độ 70 m/s. Tính xung lượng của lực và độ lớn trung bình của lực tác dụng vào quả bóng. Biết thời gian tác dụng là $0{,}5 \cdot 10^{-3}$ s.

Lời giải:

Tóm tắt:

• $m = 46$ g $= 0{,}046$ kg
• $v_1 = 0$ (nằm yên); $v_2 = 70$ m/s
• $\Delta t = 0{,}5 \cdot 10^{-3}$ s

Bước 1: Tính xung lượng của lực (bằng độ biến thiên động lượng):

$$F \cdot \Delta t = \Delta p = m \cdot v_2 – m \cdot v_1 = 0{,}046 \times 70 – 0 = 3{,}22 \text{ kg.m/s}$$

Vậy xung lượng của lực là 3,22 N.s.

Bước 2: Tính độ lớn trung bình của lực:

$$F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t} = \dfrac{3{,}22}{0{,}5 \cdot 10^{-3}} = 6440 \text{ N}$$

Kết quả: Xung lượng của lực là 3,22 N.s và lực trung bình tác dụng vào bóng là 6440 N.

Câu 4 trang 112 (so sánh động lượng hai vật)

Đề bài: Hai vật có khối lượng lần lượt là $m_1 = 1$ kg và $m_2 = 2$ kg, chuyển động với vận tốc có độ lớn lần lượt là $v_1 = 3$ m/s và $v_2 = 2$ m/s.

a) Tính động lượng của mỗi vật.

b) Vật nào khó dừng lại hơn? Vì sao?

Lời giải:

a) Tính động lượng:

$$p_1 = m_1 \cdot v_1 = 1 \times 3 = 3 \text{ kg.m/s}$$

$$p_2 = m_2 \cdot v_2 = 2 \times 2 = 4 \text{ kg.m/s}$$

b) Vật nào khó dừng lại hơn?

Để dừng một vật, cần một xung lượng của lực có độ lớn bằng động lượng của vật đó:

$$F \cdot \Delta t = \Delta p = p$$

Vật có động lượng càng lớn thì càng cần xung lượng lớn hơn để dừng → càng khó dừng.

Vì $p_2 > p_1$ (4 > 3) nên vật thứ hai khó dừng lại hơn vì có động lượng lớn hơn.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn