VA CHẠM ĐÀN HỒI


SGK Vật lý 10 NC – Bài 38 – Trang 178

1. Mục tiêu

Đo vận tốc của 2 xe trượt trước và sau va chạm sử dụng MGA và 2 cổng quang điện

Hiểu hơn về sự bảo toàn động lượng trong va chạm đàn hồi

2. Chuẩn bị lý thuyết

Khi va chạm, tương tác giữa hai vật xảy ra trong một thời gian rất ngắn. Trong khoảng thời gian đó xuất hiện các nội lực rất lớn làm thay đổi đột ngột động lượng của mỗi vật. Vì các nội lực của hệ rất lớn nên người ta có thể bỏ qua các ngoại lực thông thường và coi hệ hai vật là hệ kín trong thời gian va chạm. Do đó, ta có thể sử dụng định luật bảo toàn động lượng cho tất cả các va chạm: tổng động lượng của hai vật trước và sau va chạm thì bằng nhau.

Khi va chạm, có thể xuất hiện biến dạng đàn hồi trong khoảng thời gian rất ngắn nhưng sau đó từng vật trở về hình dạng ban đầu và động năng toàn phần không thay đổi. Đây gọi là va chạm đàn hồi

Giả sử có 2 quả cầu rắn, nhẵn va chạm trực diện, khối lượng của các quả cầu là m1 và m2, vận tốc trước va chạm là v1 và v2, vận tốc sau va chạm là v1’ và v2’. Ta sẽ có hệ phương trình chuyển động gồm định luật bảo toàn động lượng và năng lượng cho 2 vật:

m1v1 + m2v2 = m1v1’ + m2v2

1/2 m1v12 + 1/2 m2v22 = 1/2 m1v12 + 1/2 m2v22

Nếu ban đầu vật 2 đứng yên vật 1 chuyển động đến va chạm thì v2 = 0. Ta sẽ thu được vận tốc của vật 1 và 2 sau va chạm có công thức:

v1’ = (m1 – m2)v1 / (m1 + m2); v2’ = 2m1v1 / (m1 + m2)

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

– 1 aMixer MGA

– 2 cổng quang với tay cầm

– Những vật dụng trong bộ thí nghiệm cơ học – động lực học

+ 1 khối cố định với tấm chắn

+ 2 xe trượt

+ 2 cán nhựa (màu đen)

– 2 trụ đỡ với 2 kẹp

– 1 cân máy

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết nối 2 cổng quang điện với CH 1 và CH 2 của MGA.

Bước 2: Gắn bộ va chạm vào xe trượt A, lắp đầu có ren của cán nhựa (màu đen)vào lỗ ở giữa xe trượt A rồi dùng vít vặn vào ren của cán để cố định cán nhựa. Làm tương tự với xe trượt B

v212 Gắn bộ va chạm vào xe trượtv212 gắn cán nhựa vào xe trượtv212 cố định thanh nhựa bằng ốc vít

Bước 3: Đặt xe trượt A đã gắn bộ va chạm và cán nhựa lên cân máy, ghi lại giá trị thu được vào Bảng 1. Cũng làm tương tự với xe B.

v21b1

Bước 4: Đặt thanh đường dẫn lên bàn. Đặt xe A ở giữa thanh đường dẫn. Nếu xe chuyển động, thanh đường dẫn bị nghiêng, ta có thể chèn miếng giấy mỏng vào đầu thấp hơn.

Bước 5: Gắn khối cố định cùng tấm chắn vào đầu cuối của thanh đường dẫn. Đặt 2 xe lên thanh đường dẫn sao cho 2 bộ va chạm đối diện nhau.

v215 gắn khối cố định và tấm chắn vào thanh đường rayv215 đặt 2 xe lên thanh đường dẫn

Bước 6: Gắn 2 cổng quang điện vào giá đỡ. Điều chỉnh độ cao sao cho khi xe di chuyển thì cán nhựa đen sẽ che tia hồng ngoại của cổng quang điện

v216 gắn cổng quang vào giá đỡ

Bước 7: Đặt các giá đỡ sao cho các cổng quang cách nhau 25 cm (gọi cổng quang điện 1 gắn với CH 1 và cổng 2 gắn với CH 2). Đặt xe A và xe B sao cho cán nhựa cách cổng quang 1 và 2 lần lượt là 5 cm và 2 cm.

v217 mô hình thí nghiệm

II. Thu thập dữ liệu

Bước 8: Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Nhẹ nhàng đẩy xe A chuyển động về phía xe B. Quan sát chuyển động của xe A và B trước và sau va chạm, ghi lại quan sát vào Bảng 2.

v21b2

Bước 9: Khi cán của xe B chuyển động qua cổng quang điện 2, nhấn nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Ta sẽ thu được đồ thị từ 2 cổng quang với 2 vùng trũng (vùng trũng xanh xuất hiện khi cán xe A đi qua cổng quang 1, vùng trũng đỏ xuất hiện khi cán xe B đi qua cổng quang 2).

v219 đồ thị thu được

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng bt5 để phóng to vùng trũng sao cho nó chiếm hơn 1/2 bề rộng đồ thị.

v219 phóng to đồ thị

Chú ý: Nếu khi phóng to đồ thị bạn không ấn vào giữa vùng trũng thì đồ thị sẽ bị lệch. Khi đó, ấn vào biểu tượng bt7 rồi ấn vào vùng rìa (màu vàng) để dịch chuyển đồ thị về vị trí mong muốn. Nếu ấn quá nhiều lần phóng to ta có thể nhấn vào biểu tượng bt6 rồi thu nhỏ đồ thị

v219 dịch chuyển đồ thị

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào cạnh đi xuống của đường trũng xanh. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện trên đồ thị. Tiếp tục nhấn chọn vào điểm ở cạnh đi lên của đường trũng và dấu ‘+’ thứ 2 sẽ xuất hiện. Đọc giá trị “Độ lệch thời gian” (được khoanh chữ nhật) và ghi lại giá trị vào Bảng 3 (được kí hiệu T1).

v2111 đánh dấu điểmv2111 phân tích đồ thị

Bước 12: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa đi các dấu ‘+’ và giá trị vừa đọc được. Nhấn vào biểu tượng bt6 để thu nhỏ đồ thị đến khi nào cả 2 đường trũng đỏ và xanh xuất hiện.

Bước 13: Lặp lại bước 10 và 11 nhưng với đường trũng màu đỏ, ghi lại giá trị vào Bảng 3 (được kí hiệu T2).

Bước 14: Lặp lại thí nghiệm thêm 4 lần nữa. Mỗi lần như vậy ta đặt xe A và xe B về vị trí ban đầu rồi đẩy xe A chuyển động. Ghi lại các giá trị T1 và T2 vào Bảng 3.

v21b3

III. Phân tích kết quả

Sau đây ta sẽ vẽ đồ thị của m1v1 theo m2v2, lần lượt làm các bước sau:

Bước 15: Nhấn vào biểu tượng bt16 trong mục “Trình đơn công cụ”, chọn “Đầu vào dữ liệu riêng”, nhấn “Chạy”

v2311 đầu vào dữ liệu riêng

Bước 16: Nhấn vào biểu tượng btch (khoanh hình chữ nhật). Nhập tên và đơn vị vào 2 cột lần lượt là “m1v1” đơn vị “kgm/s”, “m2v2” đơn vị “kgm/s”

v2310 nhấn CH để chọn tênv2116 Nhập tên và đơn vị

Bước 17: Nhấn vào nút bt0  bắt đầu nhập các giá trị thu được từ Bảng 1 các cột giá trị. Sau khi nhập xong nhấn vào biểu tượng bt10 rồi nhấn vào biểu tượng bt17 để thu được dạng đồ thị của m1v1 theo m2v2

v2117 nhập vào dữ liệuv2117 đồ thị thu được

Bước 18: Nhấn vào biểu tượng bt20 rồi chọn “Hồi qui tuyến tính”ta sẽ thu được một đường thẳng có dạng y = ax + b phù hợp nhất với những điểm đã có trên đồ thị. Giá trị độ dốc hay gradient a của đường thẳng thu được cho ta biết về tính chất mối liên hệ động lượng giữa 2 vật. R2 biểu thị độ phù hợp, nếu R2 = 1 thì đường thẳng thu được phù hợp hoàn toàn với những điểm đã có.

v2118 hồi qui tuyến tính

Bước 19: Lặp lại các bước từ 15 đến 19 vẽ đồ thị của 1/2m1v12 theo 1/2m2v22 với giá trị thu được trong Bảng 3.

5. Kết luận

Thí nghiệm với thiết bị Addest nhỏ gọn, lắp đặt đơn giản, giá trị thu được định lượng. Ngoài ra, ta cũng có thể phân tích kết quả thu được trong bảng số liệu.

Các câu hỏi thảo luận:

1. Va chạm thực hiện trong thí nghiệm là va chạm đàn hồi hay không đàn hồi? Giải thích tại sao?

2. Từ kết quả về mối liên hệ theo độ dốc (gradient) của m1v1 với m2v2 ta có thể rút ra kết luận gì về định luật bảo toàn động lượng trong va chạm. Giải thích?

3. Từ kết quả về mối liên hệ theo độ dốc (gradient) của động năng của xe A với xe B đưa ra kết luận về tính chất của định luật bảo toàn năng lượng. Giải thích?