Giáo án Bài 30. Thực hành: Xác định động lượng của vật trước và sau va chạm

Nhắc lại công thức $p=m\cdot v$ và định luật bảo toàn động lượng; dự đoán và đặt câu hỏi cần kiểm chứng bằng thí nghiệm.

GV chiếu hai xe trên máng đệm khí sắp va chạm. HS trả lời nhanh: (1) Động lượng của một vật được tính thế nào? Đơn vị là gì? (2) Nếu hệ hai xe không chịu ngoại lực theo phương ngang, tổng động lượng trước và sau va chạm quan hệ thế nào? (3) Vì sao phải tính động lượng bằng vận tốc có dấu? Sau đó HS dự đoán: tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm mềm có bằng nhau không, và điều gì có thể làm kết quả đo lệch đi?

HS nêu được: $p=m\cdot v$, đơn vị $\mathrm{kg\cdot m/s}$; trong hệ kín, tổng động lượng trước bằng tổng động lượng sau; vận tốc phải gán dấu theo trục. Dự đoán: tổng động lượng bằng nhau; sai lệch có thể do ma sát, độ nghiêng máng, lực cản không khí, độ phân giải đồng hồ. Câu hỏi mở đầu: “Làm thế nào đo được vận tốc của xe trước và sau va chạm để kiểm chứng điều đó?”

Thiết kế được phương án đo khối lượng, tốc độ qua cổng quang và tính động lượng của từng xe, của hệ trước và sau va chạm.

Nhóm 3–4 HS đọc phương án và thảo luận, trả lời các câu hỏi: (1) Tấm chắn $d = 2$ cm đi qua cổng trong $\Delta t$ thì tốc độ được tính bằng công thức nào? (2) Cần đo những đại lượng nào để tính $p$ của mỗi xe? (3) Khi xe bật ngược qua cổng, làm thế nào để ghi vận tốc? (4) Phải làm gì trước khi đo để giảm sai số? Nhóm hoàn thành bảng dự kiến các bước đo trong Phiếu học tập số 1, phần A.

Phương án gồm: (1) Dùng cân xác định $m_1$, $m_2$ (kể cả phụ kiện gắn thêm). (2) Bật bơm, kiểm tra xe nổi đều; chỉnh máng ngang bằng cách kiểm tra xe đứng yên. (3) Tốc độ: $v=\dfrac{d}{\Delta t}$ với $d = 0{,}02$ m, $\Delta t$ đọc từ đồng hồ hiện số. (4) Gán dấu: chọn chiều dương là chiều chuyển động ban đầu của xe 1; xe chạy ngược chiều đó có $v<0$. (5) Tính $p = m\cdot v$ cho từng xe, rồi tổng $p_{\text{hệ}}$ trước và sau. Biện pháp giảm sai số: cân kể cả tấm chắn, có chặn cuối, không kẹp tay, đo nhiều lần.

Thực hiện thí nghiệm va chạm mềm và va chạm đàn hồi trên đệm khí; đo và ghi đầy đủ số liệu của từng xe trước và sau va chạm.

Nhóm thực hiện hai trường hợp: (A) Va chạm mềm: xe 1 chạy về phía xe 2 đứng yên, hai xe dính nhau (đầu nối dính) rồi cùng qua cổng 2. (B) Va chạm đàn hồi: xe 1 va vào xe 2 đứng yên bằng lò xo; ghi tốc độ hai xe sau va chạm. Trước khi làm thật, nhóm mở mô phỏng 3D trên NeoEdu để dự đoán $v_1$, $v_2$ và so với kết quả đo. Nhóm thực hiện mỗi trường hợp ít nhất 2 lần, ghi số liệu vào Phiếu học tập số 1, phần B. Lưu ý an toàn: không đặt tay vào đường chuyển động của xe.

Bảng số liệu mẫu (tham khảo, số liệu thực tế có thể lệch vài phần trăm): trường hợp A: $m_1 = m_2 = 0{,}20$ kg, $v_1 = +0{,}40$ m/s, $v_2 = 0$; sau va chạm $v_1' = v_2' = +0{,}20$ m/s. Trường hợp B: xe 1 gần như dừng, xe 2 đạt gần $0{,}4$ m/s. Đối với xe 2 nặng 400 g, xe 1 có thể bật ngược với $v_1<0$, phải gán dấu âm. Các số liệu này dùng để đối chiếu với kết quả của nhóm.

Tính động lượng của từng xe và tổng động lượng hệ trước và sau va chạm; so sánh, nhận xét sai số và kết luận về bảo toàn động lượng.

Nhóm tính $p_1$, $p_2$, $p_{\text{trước}}$, $p_{\text{sau}}$, động năng $W_đ$ trước và sau, và sai lệch tương đối $\dfrac{|p_{\text{sau}}-p_{\text{trước}}|}{p_{\text{trước}}}\cdot 100\%$. Trả lời câu hỏi trong Phiếu học tập số 2: (a) Tổng động lượng trước và sau có bằng nhau không? (b) Động năng có được bảo toàn trong va chạm mềm không? (c) Nguyên nhân sai số lớn nhất là gì và làm sao khắc phục?

Trường hợp mẫu A: $p_{\text{trước}} = 0{,}2 \times 0{,}4 = 0{,}08$ kg·m/s; $p_{\text{sau}} = (0{,}2+0{,}2)\times 0{,}2 = 0{,}08$ kg·m/s; bằng nhau. $W_{đ,\text{trước}} = \dfrac{0{,}2\times 0{,}4^2}{2} = 0{,}016$ J; $W_{đ,\text{sau}} = 0{,}008$ J: động năng giảm do va chạm mềm. Kết luận: trong phạm vi sai số, tổng động lượng hệ được bảo toàn; động lượng riêng của từng xe thay đổi do trao đổi nội lực. Sai lệch thường cỡ vài phần trăm, do ma sát và độ phân giải đồng hồ; nếu sai lệch lớn cần kiểm tra lại độ ngang của máng và cân.

Củng cố công thức $v=\dfrac{d}{\Delta t}$, $p=m\cdot v$, cách gán dấu, sai lệch tương đối và đánh giá điều kiện đo.

HS làm nhanh các bài sau (làm cá nhân 6 phút, đối chiếu cặp đôi 3 phút, GV chữa 3 phút): (1) Tấm chắn 0,02 m qua cổng trong 0,05 s; tốc độ bao nhiêu m/s? (2) Xe 0,2 kg có $v=-0{,}4$ m/s; $p$ bao nhiêu kg·m/s? (3) Hai xe 0,2 kg cùng $v=0{,}2$ m/s sau va mềm; tổng $p$ bao nhiêu? (4) $p$ trước 0,080; $p$ sau 0,076 kg·m/s; sai lệch tương đối theo $p$ trước bao nhiêu phần trăm? (5) Khi xe bật ngược, cần xử lí số đo tốc độ thế nào? A. Đổi khối lượng thành âm; B. Gán dấu vận tốc theo trục đã chọn; C. Đổi thời gian thành âm; D. Giữ mọi vận tốc dương. (6) Đánh giá phép đo: a) Cân cả phụ kiện gắn xe; b) Bảo toàn $p$ nghĩa là từng xe giữ nguyên $p$; c) Máng nghiêng có thể tạo ngoại lực ngang; d) Số liệu mẫu không thay báo cáo quan sát thật. Đúng hay sai? (7) Vì sao dùng máng đệm khí? A. Xoá khối lượng; B. Loại trọng lực; C. Bảo toàn động năng trong mọi va chạm; D. Giảm ma sát, giúp hệ gần kín theo phương ngang. (8) Với $m_1=m_2=0{,}2$ kg; trước $v_1=0{,}4$ m/s, $v_2=0$; sau cùng $0{,}2$ m/s: tính $p$ và $W_đ$ trước và sau.

Đáp án: (1) 0,4 m/s (v = 0,02/0,05 = 0,4). (2) −0,08 kg·m/s (p = 0,2×(−0,4)). (3) 0,08 kg·m/s ((0,2+0,2)×0,2). (4) 5% (|0,076−0,080|/0,080×100 = 5%). (5) Đáp án B: gán dấu vận tốc theo trục đã chọn; cổng cho thời gian dương, chiều vận tốc quan sát riêng. (6) a) Đúng; b) Sai, vì nội lực trao đổi $p$ giữa các xe, từng xe có thể thay đổi $p$; c) Đúng; d) Đúng. (7) Đáp án D: đệm khí giảm ma sát, hệ gần kín theo phương ngang; không quyết định kiểu va chạm. (8) $p_{\text{trước}}=p_{\text{sau}}=0{,}08$ kg·m/s; $W_{đ,\text{trước}}=0{,}016$ J; $W_{đ,\text{sau}}=2\times 0{,}2\times 0{,}2^2/2=0{,}008$ J; động lượng bảo toàn, động năng giảm 0,008 J do va mềm.

Vận dụng kiến thức động lượng để phân tích một tình huống va chạm thực tế và đề xuất lập luận dựa trên số liệu đo được.

Tình huống: trong thử nghiệm an toàn, một xe con va chạm với rào chắn hoặc một xe khác. GV nêu hai câu hỏi: (1) Vì sao cần đo vận tốc của xe trước và sau va chạm để đánh giá mức độ va chạm? (2) Nếu hệ hai xe trên đệm khí được thay bằng một xe và một vật cố định, động lượng của hệ có còn được bảo toàn không? Vì sao? HS viết đoạn văn ngắn 5–7 câu, có thể giao về nhà để hoàn thiện với số liệu của nhóm.

HS nêu được: vận tốc trước và sau cho phép tính động lượng và động năng, từ đó đánh giá sự thay đổi của hệ; khi vật cố định (rào chắn) tham gia, hệ không kín vì rào chắn tác dụng ngoại lực lên xe, nên động lượng của xe không bảo toàn; khi xét hệ gồm cả xe và Trái Đất/rào chắn thì định luật được áp dụng với hệ phù hợp. Kết luận ví dụ: đo đúng vận tốc và tính toán có dấu giúp đánh giá chính xác mức thay đổi động lượng của xe trong va chạm.