Đang tải... (xem toàn văn)
ĐỀ CƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG KHOA HỌC SỰ SỐNG Chủ đề: Cơ học trong khoa học sự sống P1 A. Kiến thức lý thuyết 1.1.1. Chuyển động của vật chất • Chuyển động phân tử. Trạng thái khí và lỏng (chất lưu), rắn do: Mật độ phân tử Lực tương tác giữa các phân tử với nhau có tác dụng trong phạm vi kích thước phân tử 108 cm gồm lực hút và lực đẩy. Lực hút khi ở xa, lực đẩy khi ở gần nhau. 1.1.1.1. Chất khí lí tưởng và định luật về chất khí lí tưởng • Chất khí lí tưởng là tập hợp các phân tử luôn chuyển động hỗn loạn, không theo phương ưu tiên nào. • Thể tích riêng của các chất khí không đáng kể so với thể tích của bình đựng, lực tương tác bằng 0. • Phương trình trạng thái khí lí tưởng: p.V = α.p0 .V0 .T Trong p0,V0 là áp suất và thể tích ở 0 oC. • Với một phân tử gam khí có V1 thì: p.V1 = RT (1) R= 8,3173. 103 JKmol.K • Các phân tử va chạm với nhau thì hoàn toàn đàn hồi, năng lượng toàn phần của chúng không mất đi do sự va chạm→ sự va chạm này gây nên áp suất của chất khí lên thành bình. • Phương trình của thuyết động học chất khí F = p = 23.n.Ed (2) Ed : động năng trung bình của phân tử khí n: mật độ phân tử • Từ (1) và (2) → động năng trung bình của phân tử không phụ thuộc vào bản chất phân tử, mà tỷ lệ thuận với nhiệt độ → chuyển động càng mạnh thì nhiệt càng tăng: chuyển động nhiệt • Định luật Dalton: áp suất của một hỗn hợp khí lí tưởng bằng tổng tất cả các áp suất riêng của từng loại khí p = p1 + p2 + p3+ … + pn • Ở điều kiện tiêu chuẩn, p = 1 atm, t = 0oC, 1 m3 khí chứa n = 2,687.1025 phân tử. 1.1.1.2. Sức căng mặt ngoài và hiện tượng mao dẫn • Đặc điểm của phân tử chất lỏng: Trạng thái trung gian giữa chất rắn và khí Có hình dạng bình chứa, Có thể chảy thành lớp Lực hút phân tử chiếm ưu thế, nhưng chỉ tương tác trong phạm vi bán kính r = 109 m Các phân tử gần bề mặt có thế năng tương tác lớn hơn thế năng tương tác của các phân tử phía trong. E = σ.S (σ: hệ sô căng bề mặt) • Hệ số căng mặt ngoài: phụ thuộc vào nhiệt độ, tạp chất trong chất lỏng • VD: hệ số căng mặt ngoài: Huyết thanh < nước < huyết thanh khi bị ung thư, xơ cứng động mạch. Nước tiểu tăng muối mật < nước tiểu bình thường = nước • E xu hướng nhỏ nhất, S xu hướng nhỏ nhất: hiện tượng co bề mặt chất lỏng (hình cầu) • Do lực hút không đồng đều ở các vị trí (trong lòng chất lỏng và trên bề mặt chất lỏng) Hiện tượng làm ướt và không làm ướt • Lực hút các phân tử với A (sát thành bình): Lực hút của phân tử khí đối với A: không đáng kể Lực hút của phân tử rắn với A: f2 Lực hút của phân tử lỏng với A: f1 • 2 trường hợp của tổng hợp lực FA = f1 + f2 F hướng về chất lỏng: chất lỏng không dính ướt thành bình F hướng về chất rắn: chất lỏng dính ướt thành bình • Hiện tượng dính ướt và không dính ướt, làm bề mặt chất lỏng gần thành bình luôn bị cong tạo áp suất phụ Δp. Hiện tượng mao dẫn Hiện tượng chất lỏng tự dâng lên cao hoặc tụt xuống trong các ống rỗng trên chiều cao của dung dịch. • Liên quan đến hiện tượng dính ướt và không dính ướt. Ứng dụng hiện tượng mao dẫn • Vật rắn, xốp có nhiều lỗ nhỏ → nước dâng lên và làm ướt vật • Lông thú có chất nhầy bao bọc, không có lỗ nhỏ → nước không dâng lên. • Nước có thể vận chuyển từ đất, qua hệ thống ống dẫn xylem và phloem (mao dẫn) ở rễ và thân lên ngọn cây. Ứng dụng trong KHSS • Các hiện tượng vận chuyển của vật chất trong cơ thể • Vận chuyển vật chất qua màng 1.1.1.3. Định luật về sự chuyển động của chất lỏng Chất lỏng lí tưởng Chất lỏng thực • Định luật bảo toàn thể tích (phương trình liên tục) V = S1 . v1 = S2 . v2 Trong đó: V: Thể tích, v1 và v2: vận tốc chảy của chất lỏng, S1 và S2 : thiết diện → Nơi có thiết diện bé chất lỏng chảy nhanh, nơi có thiết diện lớn, chất lỏng chảy chậm
ĐỀ CƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG KHOA HỌC SỰ SỐNG Chủ đề: Cơ học khoa học sống - P1 A Kiến thức lý thuyết 1.1.1 Chuyển động vật chất • Chuyển động phân tử Trạng thái khí lỏng (chất lưu), rắn do: - Mật độ phân tử - Lực tương tác phân tử với có tác dụng phạm vi kích thước phân tử 10-8 cm gồm lực hút lực đẩy Lực hút xa, lực đẩy gần 1.1.1.1 Chất khí lí tưởng định luật chất khí lí tưởng • Chất khí lí tưởng tập hợp phân tử chuyển động hỗn loạn, khơng theo phương ưu tiên nào. • Thể tích riêng chất khí khơng đáng kể so với thể tích bình đựng, lực tương tác • Phương trình trạng thái khí lí tưởng: p.V = α.p0 V0 T Trong p0,V0 áp suất thể tích oC. • Với phân tử gam khí có V1 thì: p.V1 = RT (1) R= 8,3173 103 J/Kmol.K • Các phân tử va chạm với hoàn toàn đàn hồi, lượng toàn phần chúng không va chạm→ va chạm gây nên áp suất chất khí lên thành bình • Phương trình thuyết động học chất khí F = p = 2/3.n.Ed (2) Ed : động trung bình phân tử khí n: mật độ phân tử • Từ (1) (2) → động trung bình phân tử khơng phụ thuộc vào chất phân tử, mà tỷ lệ thuận với nhiệt độ → chuyển động mạnh nhiệt tăng: chuyển động nhiệt • Định luật Dalton: áp suất hỗn hợp khí lí tưởng tổng tất áp suất riêng loại khí p = p1 + p2 + p3+ … + pn • Ở điều kiện tiêu chuẩn, p = atm, t = oC, m3 khí chứa n = 2,687.1025 phân tử 1.1.1.2 Sức căng mặt tượng mao dẫn • Đặc điểm phân tử chất lỏng: - Trạng thái trung gian chất rắn khí - Có hình dạng bình chứa, - Có thể chảy thành lớp - Lực hút phân tử chiếm ưu thế, tương tác phạm vi bán kính r = 10-9 m - Các phân tử gần bề mặt tương tác lớn tương tác phân tử phía E = σ.S (σ: hệ sơ căng bề mặt) • Hệ số căng mặt ngồi: phụ thuộc vào nhiệt độ, tạp chất chất lỏng • VD: hệ số căng mặt ngoài: - Huyết < nước < huyết bị ung thư, xơ cứng động mạch - Nước tiểu tăng muối mật < nước tiểu bình thường = nước • E xu hướng nhỏ nhất, S xu hướng nhỏ nhất: tượng co bề mặt chất lỏng (hình cầu) • Do lực hút khơng đồng vị trí (trong lịng chất lỏng bề mặt chất lỏng) * Hiện tượng làm ướt khơng làm ướt • Lực hút phân tử với A (sát thành bình): - Lực hút phân tử khí A: khơng đáng kể - Lực hút phân tử rắn với A: f2 - Lực hút phân tử lỏng với A: f1 • trường hợp tổng hợp lực FA = f1 + f2 - F hướng chất lỏng: chất lỏng khơng dính ướt thành bình - F hướng chất rắn: chất lỏng dính ướt thành bình • Hiện tượng dính ướt khơng dính ướt, làm bề mặt chất lỏng gần thành bình ln bị cong tạo áp suất phụ Δp * Hiện tượng mao dẫn Hiện tượng chất lỏng tự dâng lên cao tụt xuống ống rỗng chiều cao dung dịch • Liên quan đến tượng dính ướt khơng dính ướt * Ứng dụng tượng mao dẫn • Vật rắn, xốp có nhiều lỗ nhỏ → nước dâng lên làm ướt vật • Lơng thú có chất nhầy bao bọc, khơng có lỗ nhỏ → nước khơng dâng lên • Nước vận chuyển từ đất, qua hệ thống ống dẫn xylem phloem (mao dẫn) rễ thân lên * Ứng dụng KHSS • Các tượng vận chuyển vật chất thể • Vận chuyển vật chất qua màng 1.1.1.3 Định luật chuyển động chất lỏng - Chất lỏng lí tưởng - Chất lỏng thực • Định luật bảo tồn thể tích (phương trình liên tục) V = S1 v1 = S2 v2 Trong đó: V: Thể tích, v1 v2: vận tốc chảy chất lỏng, S1 S2 : thiết diện → Nơi có thiết diện bé chất lỏng chảy nhanh, nơi có thiết diện lớn, chất lỏng chảy chậm * Phương trình Bernoulli (Định luật bảo tồn lượng chất lỏng lí tưởng): • Áp suất chất lỏng không nhớt (không ma sát) chảy theo ống nằm ngang tăng nơi có tốc độ chảy giảm ngược lại giảm nơi có tốc độ chảy tang • Phương trình: p + ρ gh + ρv /2 = const P: áp suất chất lỏng ρ: = m/V: khối lượng riêng chất lỏng * Độ nhớt chất lỏng – cơng thức Poiseuille • Chất lỏng thực: chảy lịng chất lỏng có ma sát có khả nén lại chút - Tùy theo tốc độ chảy chất lỏng thực có chuyển động: xốy va thành lớp - Chuyển động thành lớp khi: tốc độ dịng chảy khơng lớn thiết diện ngang ống nhỏ. • Khi chất lỏng chuyển động, lớp có lực ma sát làm thay đổi tốc độ chảy lớp chất lỏng Hệ số nội ma sát xuất lớp chất lỏng thực chuyển động thành lớp Dùng hệ số nhớt để biểu diễn nội lực ma sát (độ nhớt) chất lỏng: η= ηo Am ηo : hệ số nhớt dung môi m = C/M (nồng độ phân tử chất hòa tan) A: số - Máu chảy hệ tuần hoàn chịu ảnh hưởng trực tiếp độ nhớt → ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy. - Đo gián tiếp độ nhớt máu đo tốc độ lắng hồng cầu - Khi chất lỏng chảy ống hẹp (máu chảy hệ mạch): tốc độ dòng chảy trục ống lớn giảm dần theo phướng xa tâm bề mặt ống tốc độ dịng chảy = • Xét ống nằm ngang, có thiết diện nhỏ, không xét trọng lực: v= (∆p(R - r)2) / 8ηL Trong đó: v: vận tốc chất lỏng R: bán kính ống r: khoảng cách từ trục ống đến lớp chất lỏng đề cập L: chiều dài ống η: hệ số nhớt ∆p: độ chênh lệch áp suất đầu ống • Trường hợp khơng nằm ngang, cần xét tới trọng lực :tim bơm máu lên đầu khó mãu xuống chi 1.1.1.4 Chuyển động học a Các định luật Newton chuyển động • Định luật thứ Newton - Một vật đứng yên hay chuyển động thẳng không chịu lực tác dụng lực tác dụng vào cân - Qn tính: tính chất vật bảo tồn vận tốc khơng chịu lực tác dụng • Định luật thứ Newton - Gia tốc a chất điểm thu tỉ lệ thuận với lực tác dụng tỉ lệ nghịch với khối lượng vậ • Định luật thứ Newton - Khi vật A tác dụng lên vật B lực, vật B tác dụng lên vật A lực. - Hai lực có giá, độ lớn, ngược chiều đặt vào hai vật khác - Một hai lực gọi lực tác dụng, lực gọi phản lực. * Gia tốc trọng trường trường lực hấp dẫn trái đất • Gia tốc trọng trường (g): vật rơi tự t rong không gian gần trái đất có gia tốc phương thẳng đứng, vng góc với trái đất hướng vào tâm trái đất • Định luật vạn vật hấp dẫn vũ trụ (G: số hấp dẫn vũ trụ). • Càng lên cao, gia tốc trọng trường giảm, mặt đất: g=9,8 m/s2) F1 = F2 = G m1 x m2r^2 * Chuyển động quay vật rắn • Vật rắn chuyển động khơng thay đổi hình dạng • Gồm chuyển động tịnh tiến (vận tốc, gia tốc) chuyển động quay • Tác dụng quay vật phụ thuộc - Độ lớn lực tác dụng F - Vị trí điểm đặt lực M • Đặc trưng tác dụng lực làm quay vật • Mooment quay (M): 𝑴 = r.𝑭 • Định luật newton: gia tốc góc (β) vật rắn quay quanh trục tỉ lệ thuận với momen lưc (đối với trục quay đó) tỉ lệ nghịch với mơmen qn tính 𝑴 = J 𝜷 * Địn bẩy • Địn bẩy loại vật rắn chịu tác dụng hai lực: lực cản (kháng trở) F1và lực phát động F2, có điểm tựa trục quay • Điều kiện cân đòn bẩy là: Tổng moment lực phát động lực cản phải 0 • Có loại địn bẩy -F1F2= r1r2 • Trọng tâm vật: điểm đặt Lực hấp dẫn (trọng lực) tồn vật đó, thay cho tồn lực hấp dẫn đặt lên phần nhỏ vật 1.1.2 Sóng âm siêu âm 1.1.2.1 Một số khái niệm • Mơi trường đàn hồi mơi trường cấu tạo phần tử mà chúng có lực liên kết Lực liên kết phụ thuộc vào khoảng cách x hai phân tử • Dao động chuyển động lặp lại nhiều lần theo thời gian • Khi truyền dao động, phần tử môi trường đàn hồi dao động quanh vị trí cân mà khơng dịch chuyển lan đến vùng khác, đồng thời q trình truyền lượng • Sóng lan truyền tín hiệu (mang lượng), từ điểm đến điểm môi trường mà khơng có di chuyển thành dịng phần tử môi trường * Phân loại sóng học • Sóng dọc: phân tử mơi trường dao động theo phương truyền sóng. - Mơi trường: rắn, lỏng - Sóng âm, sóng lị xo •Sóng ngang: phân tử mơi trường dao động vng góc với phương truyền sóng - Mơi trường: rắn, lỏng, khí - Sóng mặt nước, sợi dây cao su * Đặc điểm sóng học • Biên độ sóng A: biên độ dao động phần tử mơi trường có sóng truyền qua. • Chu kỳ sóng T: chu kỳ dao động phần tử mơi trường sóng truyền qua. • Tần số f: đại lượng nghịch đảo chu kỳ sóng : f = 1/T • Tốc độ truyền sóng v: tốc độ lan truyền dao động môi trường v phụ thuộc vào môi trường nhiệt độ, nhiệt độ cao v nhanh, v rắn > v lỏng > v khí. • Bước sóng λ: quảng đường mà sóng truyền chu kỳ. λ = v.T = v/f * Các tính chất vật lý sóng âm • Hiện tượng phản xạ (Px) • Hiện tượng khúc xạ (Kx) • Hiện tượng tán xạ • Hiện tượng nhiễu xạ • Hiện tượng hấp thụ • Hiệu ứng 10 Doppler