Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
I. Trả lời câu hỏi thảo luận (trang 116)
Câu 1 trang 116
Đề bài: Khi hai xe chuyển động trên đệm khí nằm ngang, hệ hai xe chuyển động có phải là hệ kín không? Vì sao?
Lời giải:
Hệ hai xe chuyển động trên đệm khí nằm ngang có thể coi là hệ kín, vì:
- Trên phương thẳng đứng: trọng lực và phản lực của băng đệm khí lên xe cân bằng nhau.
- Theo phương ngang: nhờ đệm khí, xe lơ lửng nên ma sát rất nhỏ, có thể bỏ qua.
- Lực cản không khí cũng rất nhỏ.
- Khi va chạm, các nội lực giữa hai xe rất lớn so với các ngoại lực còn lại.
→ Tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ hai xe gần bằng 0 → hệ là hệ kín, áp dụng được định luật bảo toàn động lượng.
Câu 2 trang 116
Đề bài: Để xác định động lượng của hai xe trước và sau va chạm cần đo các đại lượng nào?
Lời giải:
Vì $\vec{p} = m \cdot \vec{v}$ nên cần đo các đại lượng:
- Khối lượng $m$ của mỗi xe (dùng cân điện tử).
- Vận tốc $v$ của mỗi xe trước và sau va chạm.
Vận tốc được xác định gián tiếp qua công thức $v = \dfrac{s}{t}$, trong đó:
- $s$: độ dài tấm chắn sáng gắn trên xe (cho trước).
- $t$: thời gian tấm chắn sáng đi qua cổng quang điện (đo bằng đồng hồ hiện số).
Câu 3 trang 116
Đề bài: Hãy thử các trường hợp hai xe va chạm vào nhau và suy nghĩ làm thế nào đo được các đại lượng để xác định động lượng của hai xe trước và sau va chạm.
Lời giải:
Các trường hợp va chạm có thể xảy ra:
a) Va chạm mềm: xe 1 chuyển động đến va vào xe 2 đứng yên, sau va chạm hai xe dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc.
b) Va chạm đàn hồi: hai xe đứng yên, nén lò xo ở giữa rồi cắt dây giữ, lò xo bung ra đẩy hai xe chuyển động ngược chiều nhau.
Cách đo các đại lượng:
- Dùng cân điện tử để cân khối lượng từng xe ($m_1$, $m_2$).
- Đo trước độ dài tấm chắn sáng $s$.
- Dùng cổng quang điện kết nối với đồng hồ đo thời gian hiện số để đo thời gian tấm chắn sáng đi qua cổng.
- Tính vận tốc: $v = \dfrac{s}{t}$
- Tính động lượng: $p = m \cdot v$
Câu 4 trang 116
Đề bài: Thiết kế phương án thí nghiệm để xác định động lượng của hai xe trước và sau va chạm tương ứng với các trường hợp va chạm có thể xảy ra.
Lời giải:
Phương án 1 – Va chạm mềm:
- Đặt xe 2 lên băng đệm khí ở vị trí giữa hai cổng quang điện (đứng yên).
- Đặt xe 1 lên băng đệm khí ở phía ngoài cổng quang điện thứ nhất.
- Đẩy xe 1 chuyển động qua cổng quang điện 1 → đồng hồ đo được thời gian $t_1$ → suy ra $v_1$.
- Xe 1 va chạm với xe 2, hai xe dính lại chuyển động qua cổng quang điện 2 → đo được thời gian $t_1’$ → suy ra vận tốc chung $v_1′ = v_2’$.
- Tính động lượng trước và sau va chạm rồi so sánh.
Phương án 2 – Va chạm đàn hồi:
- Gắn lò xo (hoặc thanh nhựa hình chữ U có dây cao su đàn hồi) vào một xe.
- Đặt cả hai xe đứng yên ở vị trí giữa hai cổng quang điện, dùng dây buộc nén lò xo lại.
- Cắt sợi dây → lò xo bung ra đẩy hai xe đi về hai phía ngược chiều nhau.
- Đo thời gian $t_1’$, $t_2’$ tấm chắn sáng của hai xe đi qua hai cổng quang điện → suy ra $v_1’$, $v_2’$.
- Tính động lượng trước (bằng 0) và sau va chạm, kiểm tra tổng động lượng có bảo toàn.
II. Kết quả thí nghiệm – Số liệu mẫu
Lưu ý: Đây là số liệu mẫu tham khảo của một nhóm học sinh thực hành. Kết quả thực tế sẽ có sai số nhỏ do ma sát còn dư và sai số đo.
Bảng 30.1. Thí nghiệm va chạm mềm
Độ dài tấm chắn sáng: $s = 0{,}05$ m
| Lần | $m_1$ (kg) | $m_2$ (kg) | $t_1$ (s) | $v_1$ (m/s) | $p_1$ (kg.m/s) | $p_2$ (kg.m/s) | $p$ (kg.m/s) | $t_1’$ (s) | $v_1′ = v_2’$ (m/s) | $p’$ (kg.m/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,300 | 0,300 | 0,050 | 1,00 | 0,300 | 0 | 0,300 | 0,100 | 0,50 | 0,300 |
| 2 | 0,400 | 0,300 | 0,050 | 1,00 | 0,400 | 0 | 0,400 | 0,088 | 0,57 | 0,399 |
| 3 | 0,300 | 0,400 | 0,050 | 1,00 | 0,300 | 0 | 0,300 | 0,117 | 0,43 | 0,301 |
Cách tính (lần 1):
- $v_1 = \dfrac{s}{t_1} = \dfrac{0{,}05}{0{,}050} = 1{,}00$ m/s
- $p_1 = m_1 \cdot v_1 = 0{,}300 \times 1{,}00 = 0{,}300$ kg.m/s
- $p_2 = 0$ (xe 2 đứng yên) → $p = p_1 + p_2 = 0{,}300$ kg.m/s
- $v_1′ = v_2′ = \dfrac{s}{t_1′} = \dfrac{0{,}05}{0{,}100} = 0{,}50$ m/s
- $p’ = (m_1 + m_2) \cdot v_1′ = 0{,}600 \times 0{,}50 = 0{,}300$ kg.m/s
Bảng 30.2. Thí nghiệm va chạm đàn hồi
Độ dài tấm chắn sáng: $s = 0{,}05$ m
(Trước va chạm cả hai xe đứng yên → $p_1 = 0$, $p_2 = 0$)
| Lần | $m_1$ (kg) | $m_2$ (kg) | $p_1$ (kg.m/s) | $p_2$ (kg.m/s) | $t_1’$ (s) | $t_2’$ (s) | $v_1’$ (m/s) | $v_2’$ (m/s) | $p_1’$ (kg.m/s) | $p_2’$ (kg.m/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,300 | 0,300 | 0 | 0 | 0,125 | 0,125 | 0,40 | 0,40 | 0,120 | 0,120 |
| 2 | 0,300 | 0,400 | 0 | 0 | 0,100 | 0,133 | 0,50 | 0,38 | 0,150 | 0,152 |
| 3 | 0,400 | 0,300 | 0 | 0 | 0,167 | 0,125 | 0,30 | 0,40 | 0,120 | 0,120 |
Cách tính (lần 1):
- $v_1′ = \dfrac{s}{t_1′} = \dfrac{0{,}05}{0{,}125} = 0{,}40$ m/s (chiều dương theo xe 1)
- $v_2′ = \dfrac{s}{t_2′} = \dfrac{0{,}05}{0{,}125} = 0{,}40$ m/s (ngược chiều)
- $p_1′ = m_1 \cdot v_1′ = 0{,}300 \times 0{,}40 = 0{,}120$ kg.m/s
- $p_2′ = m_2 \cdot v_2′ = 0{,}300 \times 0{,}40 = 0{,}120$ kg.m/s (ngược chiều với $p_1’$)
III. Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm (trang 118)
Câu 1 trang 118
Đề bài: Từ số liệu thí nghiệm theo Bảng 30.1 và Bảng 30.2, hãy so sánh các kết quả xác định động lượng của hai xe trước và sau va chạm trong hai thí nghiệm.
Lời giải:
Thí nghiệm 1 – Va chạm mềm:
| Lần | $p$ trước (kg.m/s) | $p’$ sau (kg.m/s) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,300 | 0,300 | $p \approx p’$ |
| 2 | 0,400 | 0,399 | $p \approx p’$ |
| 3 | 0,300 | 0,301 | $p \approx p’$ |
→ Tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm gần như bằng nhau (sai số rất nhỏ).
Thí nghiệm 2 – Va chạm đàn hồi:
- Trước va chạm: $p_1 + p_2 = 0$.
- Sau va chạm: hai xe chuyển động ngược chiều nhau với độ lớn động lượng gần bằng nhau ($p_1′ \approx p_2’$).
- Theo vectơ: $\vec{p}_1′ + \vec{p}_2′ \approx \vec{0}$.
→ Tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm đều xấp xỉ bằng 0.
Kết luận: Trong cả hai thí nghiệm, tổng động lượng của hệ hai xe được bảo toàn, phù hợp với định luật bảo toàn động lượng. Sai số nhỏ trong kết quả là do ma sát còn dư trên đệm khí và sai số khi đo thời gian, đo khối lượng.
Câu 2 trang 118
Đề bài: Em có thể đề xuất một phương án thí nghiệm khác để xác định động lượng của hai xe trước và sau va chạm.
Lời giải:
Một số phương án thí nghiệm khác có thể đề xuất:
a) Dùng máng nhẵn và xe trượt:
- Thay băng đệm khí bằng máng phẳng nhẵn, dùng hai xe trượt có ma sát nhỏ.
- Đo vận tốc bằng cách đo quãng đường và thời gian chuyển động (dùng thước và đồng hồ bấm giây).
b) Dùng máy quay video kết hợp phần mềm phân tích chuyển động:
- Quay video toàn bộ quá trình hai xe va chạm.
- Dùng phần mềm Tracker (hoặc tương tự) để xác định vị trí xe ở từng khung hình → tính vận tốc trước và sau va chạm.
c) Dùng cảm biến chuyển động (motion sensor):
- Gắn cảm biến gia tốc/vận tốc lên mỗi xe.
- Đọc trực tiếp giá trị vận tốc trước và sau va chạm trên thiết bị.
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