2. Bài 19. Các loại va chạm

Chọn từ/cụm từ thích hợp để điền vào chỗ trống trong đoạn dưới đây.

Va chạm mềm (còn gọi là va chạm (1) …) xảy ra khi hai vật dính vào nhau và chuyển động với cùng (2) … sau va chạm. Động năng của hệ sau va chạm (3) … động năng của hệ trước va chạm.

A. (1) đàn hồi; (2) vận tốc; (3) bằng.

B. (1) đàn hồi; (2) tốc độ; (3) lớn hơn.                      

C. (1) không đàn hồi; (2) vận tốc; (3) nhỏ hơn.

D. (1) không đàn hồi; (2) tốc độ; (3) bằng.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về khái niệm về va chạm mềm.

Lời giải chi tiết:

Va chạm mềm (còn gọi là va chạm không đàn hồi) xảy ra khi hai vật dính vào nhau và chuyển động với cùng vận tốc sau va chạm. Động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm.

=> Chọn C

Va chạm đàn hồi và va chạm mềm khác nhau ở điểm nào sau đây?

A. Hệ va chạm đàn hồi có động lượng bảo toàn còn va chạm mềm thì động lượng không bảo toàn.

B. Hệ va chạm đàn hồi có động năng không thay đổi còn va chạm mềm thì động năng thay đổi.

C. Hệ va chạm mềm có động năng không thay đổi còn va chạm đàn hồi thì động năng thay đổi.

D. Hệ va chạm mềm có động lượng bảo toàn còn va chạm đàn hồi thì động lượng không bảo toàn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm mềm, va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

- Giống nhau: Động lượng của hệ va chạm bảo toàn trong cả hai trường hợp.

- Khác nhau:

+ Va chạm đàn hồi: Động năng của hệ va chạm không thay đổi.

+ Va chạm mềm: Động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm.

=> Chọn B

Cho hai vật va chạm trực diện với nhau sau va chạm, hai vật dính liền thành một khối và chuyển động với cùng vận tốc. Động năng của hệ ngay trước và sau va chạm lần lượt là W_đ và W_đ’. Biểu thức nào dưới đây là đúng?

A. W_đ = W_đ’                                       B. W_đ < W_đ’

C. W_đ > W_đ’                                        D. W_đ = 2W_đ’

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm mềm

Lời giải chi tiết:

Va chạm mềm: Động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm.

=> Chọn C

Trong điều kiện nào dưới đây, hai vật chuyển động đến va chạm đàn hồi với nhau và đứng yên sau va chạm?

A. Hai vật có khối lượng và vận tốc được chọn một cách thích hợp đến va chạm với nhau.

B. Một vật có khối lượng rất nhỏ đang chuyển động va chạm với một vật có khối lượng rất lớn đang đứng yên.

C. Hai vật có khối lượng bằng nhau, chuyển động ngược chiều nhau với cùng một vận tốc.

D. Không thể xảy ra hiện tượng trên.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

Vì va chạm đàn hồi có những đặc điểm sau: động lượng và động năng của hệ được bảo toàn. Trước va chạm, động năng của hệ khác không. Do đó, sau va chạm, động năng của hệ cũng phải khác không.

=> Chọn D

Khẳng định nào sau đây là không đúng trong trường hợp hai vật cô lập va chạm mềm với nhau?

A. Năng lượng của hệ trước và sau va chạm được bảo toàn.

B. Cơ năng của hệ trước và sau va chạm được bảo toàn.

C. Động lượng của hệ trước và sau va chạm được bảo toàn.

D. Trong quá trình va chạm, hai vật chịu lực tác dụng như nhau về độ lớn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm mềm.

Lời giải chi tiết:

Trong va chạm mềm, động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm nên cơ năng của hệ không bảo toàn.

=> Chọn B

Hai vật nhỏ có khối lượng khác nhau ban đầu ở trạng thái nghỉ. Sau đó, hai vật đồng thời chịu tác dụng của ngoại lực không đổi có độ lớn như nhau và bắt đầu chuyển động. Sau cùng một khoảng thời gian, điều nào sau đây là đúng?

A. Động năng của hai vật như nhau.                                     

B. Vật có khối lượng lớn hơn có động năng lớn hơn.

C. Vật có khối lượng lớn hơn có động năng nhỏ hơn.

D. Không đủ dữ kiện để so sánh.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về động năng.

Lời giải chi tiết:

Ta có: \(\Delta \overrightarrow p  = \overrightarrow F .\Delta t\)

Ban đầu, vật ở trạng thái nghỉ nên:

\(\overrightarrow p  = \overrightarrow F .\Delta t \Rightarrow {p^2} = {F^2}.{\left( {\Delta t} \right)^2} \Rightarrow 2m.{W_d} = {F^2}.{\left( {\Delta t} \right)^2} \Rightarrow {W_d} = \frac{{{F^2}.{{\left( {\Delta t} \right)}^2}}}{{2m}}\)

Như vậy, vật có khối lượng càng lớn thì động năng càng bé.

=> Chọn C

Vật 1 khối lượng m đang chuyển động với tốc độ v₀ đến va chạm đàn hồi với vật 2 có cùng khối lượng và đang đứng yên. Nếu khối lượng vật 2 tăng lên gấp đôi thì động năng của hệ sau va chạm

A. không đổi                                       B. tăng 2 lần

C. giảm 1,5 lần                                    D. tăng 1,5 lần

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

Vì va chạm là đàn hồi nên động năng của hệ sau va chạm bằng động năng của hệ trước va chạm và bằng động năng của vật 1 trước va chạm: \({W_d} = \frac{1}{2}m.v_0^2\).

=> Chọn A

Trong giờ học Vật lí, một bạn học sinh đã phát biểu rằng: “Nếu sau khi va chạm với nhau, hai vật chuyển động với cùng tốc độ thì hai vật đó đã xảy ra va chạm mềm”. Em hãy cho biết phát biểu trên có hợp lí hay không?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm mềm.

Lời giải chi tiết:

Phát biểu trên không hợp lí. Hai vật được xem là va chạm mềm nếu sau va chạm, hai vật dính liền thành một khối và chuyển động với cùng vận tốc. Tuy nhiên, trong trường hợp sau khi va chạm với nhau, hai vật chuyển động với cùng tốc độ thì hướng chuyển động của chúng vẫn có thể khác nhau. Vì vậy, không thể kết luận đây là va chạm mềm.

So sánh sự giống và khác nhau giữa va chạm đàn hồi và va chạm mềm.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi và va chạm mềm.

Lời giải chi tiết:

- Giống nhau: Động lượng của hệ va chạm bảo toàn trong cả hai trường hợp.

- Khác nhau:

+ Va chạm đàn hồi: Động năng của hệ va chạm không thay đổi.

+ Va chạm mềm: Động năng của hệ sau va chạm nhỏ hơn động năng của hệ trước va chạm.

Trong tai nạn xe hơi, tại sao khả năng bị thương trong va chạm trực diện lại lớn hơn va chạm từ phía sau?

Gợi ý: Sử dụng kiến thức về vận tốc tương đối và lực trung bình để giải thích.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

Vì vận tốc tương đối của hai xe trong trường hợp chuyển động ngược chiều (va chạm trực diện) lớn hơn so với vận tốc tương đối của hai xe trong trường hợp chuyển động cùng chiều (va chạm từ phía sau). Điều đó có nghĩa rằng độ biến thiên động lượng của mỗi xe trong trường hợp va chạm trực diện sẽ lớn hơn trong va chạm từ phía sau. Do đó, khả năng bị thương khi xảy ra va chạm trực diện sẽ lớn hơn.

Trong các vụ tại nạn trực diện, đầu xe là phần bị hư hại nhiều nhất (bị biến dạng hoặc thậm chí vỡ thành các mảnh nhỏ) như Hình 19.1. Tại sao các kĩ sư lại không thiết kế đầu xe bằng các vật liệu cứng hơn để hạn chế thiệt hại khi va chạm.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

Khi thiết kế xe, sự an toàn của hành khách phải được đặt lên hàng đầu. Đầu xe được chế tạo từ vật liệu có độ cứng thấp và tính đàn hồi cao (như thép, nhôm, …) để hấp thụ bớt phần động năng của hai xe khi va chạm. Khi đó, động năng của hai xe chuyển hóa một phần thành năng lượng làm biến dạng đầu xe hoặc động năng của các mảnh vỡ. Trong khi đó, khung bao quanh khoang ca bin sẽ được chế tạo từ vật liệu có độ cứng cao, độ biến dạng thấp để chống lại ngoại lực tác dụng khi va chạm và bảo vệ người ngồi trong xe.

Đồ thị trong Hình 19.2 mô tả sự phụ thuộc của độ lớn F tác dụng lên một chất điểm theo thời gian. Biết chất điểm có khối lượng 1,5 kg và ban đầu ở trạng thái nghỉ. Xác định tốc độ của chất điểm tại các thời điểm:

a) t = 3 s.                                 b) t = 5 s.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về lực tác dụng theo thời gian.

Lời giải chi tiết:

a) \(\Delta p = F.\Delta t \Rightarrow {v_{t = 3s}} = \frac{{F.\Delta t}}{m} = 8m/s.\)

b) \(\Delta p = F.\Delta t \Rightarrow {v_{t = 5s}} - {v_{t = 3s}} = \frac{{F.\Delta t}}{m} \Rightarrow {v_{t = 5s}} = {v_{t = 3s}} + \frac{{F.\Delta t}}{m} \approx 5,33m/s.\)

Con lắc đạn đạo là thiết bị được sử dụng để đo tốc độ của viên đạn. Viên đạn được bắn vào một khối gỗ lớn treo lơ lửng bằng dây nhẹ, không dãn. Sau khi va chạm, viên đạn ghim vào trong khối gỗ. Sau đó, toàn bộ hệ khối gỗ và viên đạn chuyển động như một con lắc lên độ cao h (Hình 19.3). Xét viên đạn có khối lượng m1 = 5 g, khối gỗ có khối lượng m2 = 1 kg và h = 5 cm. Lấy g = 9,8 m/s2. Bỏ qua lực cản của không khí.

a) Tính vận tốc của hệ sau khi viên đạn ghim vào khối gỗ.

b) Tính tốc độ ban đầu của viên đạn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm mềm.

Lời giải chi tiết:

a) Chọn gốc thế năng tại vị trí thấp nhất của con lắc.

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho hệ ngay sau khi va chạm cho đến khi con lắc đạt độ cao cực đại:            \(\frac{1}{2}\left( {{m_1} + {m_2}} \right).{v^2} = \left( {{m_1} + {m_2}} \right).g.h \Rightarrow v = \sqrt {2g.h}  \approx 0,99m/s.\)

b) Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ khối gỗ - viên đạn ngay trước và sau va chạm:

\({m_1}.\overrightarrow {{v_0}}  = \left( {{m_1} + {m_2}} \right).\overrightarrow v  \Rightarrow \overrightarrow {{v_0}}  = \frac{{\left( {{m_1} + {m_2}} \right).\overrightarrow v }}{{{m_1}}}\).

Ta có tốc độ ban đầu của viên đạn là: \({v_0} = \frac{{\left( {{m_1} + {m_2}} \right).v}}{{{m_1}}} \approx 198,99m/s.\)

Một ô tô con khối lượng 1,2 tấn đang chuyển động với tốc độ 25 m/s thì va chạm vào đuôi của một xe tải khối lượng 9 tấn đang chạy cùng chiều với tốc độ 20 m/s (Hình 19.4). Sau va chạm, ô tô con vẫn chuyển theo hướng cũ với tốc độ 18 m/s.

a) Xác định vận tốc của xe tải ngay sau va chạm.

b) Xác định phần năng lượng tiêu hao trong quá trình va chạm. Giải thích tại sao lại có sự tiêu hao năng lượng này.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về va chạm đàn hồi.

Lời giải chi tiết:

a) gọi m1, m2 lần lượt là khối lượng xe oto và xe tải: v1, v1’, v2, v2’ lần lượt là vận tốc của xe oto con, xe tải ngay trước và sau va chạm.

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ xe oto con – xe tải ngay trước và sau khi xảy ra va chạm: \({m_1}.\overrightarrow {{v_1}}  + {m_2}.\overrightarrow {{v_2}}  = {m_1}.\overrightarrow {{v_1}} ' + {m_2}.\overrightarrow {{v_2}} '\left( * \right)\)

Chiếu (*) lên hướng chuyển động ban đầu của oto con:

\({m_1}.{v_1} + {m_2}.{v_2} = {m_1}.{v_1}' + {m_2}.{v_2}' \Rightarrow {v_2}' = \frac{{{m_1}.{v_1} + {m_2}.{v_2} - {m_1}.{v_1}'}}{{{m_2}}} \approx 20,93m/s.\)

Như vậy, xe oto tải vẫn chuyển động theo hướng cũ với tốc độ 20,93 m/s.

b) Năng lượng tiêu hao trong quá trình va chạm:

\(E = \frac{1}{2}{m_1}.v_1^2 + \frac{1}{2}{m_2}.v_2^2 - \left( {\frac{1}{2}{m_1}.v_1^{2'} + \frac{1}{2}{m_2}.v_2^{2'}} \right) \approx 9308J.\)

Năng lượng tiêu hao làm biến dạng kết cấu của hai xe, động năng các mảnh vỡ, nhiệt lượng ở bề mặt tiếp xúc, …

Một khẩu pháo được gắn chặt vào xe và xe có thể di chuyển dọc theo đường ray nằm ngang như Hình 19.5. Khẩu pháo bắn ra một viên đạn khối lượng 200 kg với tốc độ 125 m/s theo hướng hợp với phương ngang một góc 450. Biết khối lượng của khẩu pháo và xe là 5000 kg. Tính tốc độ giật lùi của khẩu pháo.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về định luật bảo toàn động lượng.

Lời giải chi tiết:

Gọi \(\overrightarrow {{v_1}} ;\,\overrightarrow {{v_2}} \) lần lượt là vận tốc của viên đạn và khẩu pháo ngay sau khi bắn; m1, m2 lần lượt là khối lượng của viên đạn và khẩu pháo.

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ viên đạn – khẩu pháo ngay trước và sau khi bắn:

\(\overrightarrow 0  = {m_1}.\overrightarrow {{v_1}}  + {m_2}.\overrightarrow {{v_2}}  \Rightarrow \overrightarrow {{v_2}}  =  - \frac{{{m_1}.\overrightarrow {{v_1}} }}{{{m_2}}}\).

Nghĩa là pháo giật lùi cùng phương, ngược chiều vecto vận tốc của đạn với tốc độ:

\({v_2} = \frac{{{m_1}.{v_1}}}{{{m_2}}} = 5m/s.\)

Tốc độ giật lùi của khẩu pháo trên phương ngang: \({v_{2x}} = {v_2}.\cos {45^0} \approx 3,54m/s.\)