Tiểu luận vật lý đại cương

A - MỞ ĐẦU I Lời mở đầu Vật lý ngành khoa học chuyên sâu thú vị, thu hút nhiều nhà khoa học hết người có niềm đam mê nghiên cứu lĩnh vực nhằm chứng minh, đưa môt công thức phát minh định luật giúp cho xã hội, người ngày phát triển theo chiều hướng lên không dậm chân chỗ hay tụt hậu lại phía sau Vật lý học bao gồm nhiều lĩnh vực như: điện, quang, vật lý hạt nhân,…nhưng có lẽ lĩnh vực học nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, hết “áp suất, loại áp suất, định luật becnulli ứng dụng chúng”, ứng dụng áp suất vào lĩnh vực đời sống hầu hết công nhận áp dụng từ xưa đến nay: máy nén thủy lực, máy nước (James Watt),… Trong vật lý học áp suất đại lượng vật lý định nghĩa đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vng góc với bề mặt vật thể Mặt khác phần đơn vị áp suất phức tạp theo pascal, bar, atmosphere, torr, pound lực inch vng,… Về phân loại có áp suất chất lỏng, áp suất khí quyển,… Đồng thời ta tìm hiểu cách rõ hơn, sâu định luật becnulli ứng dụng thú vị chúng II Lý chọn đề tài Đây đề tài thu vị, liên quan tới vấn đề thực tiễn sống xung quanh chúng ta, giải đáp nhiều thắc mắc to lớn là: hút bớt khơng khí bên vỏ hộp lại bị bẹp nhiều phía, giải thích lực để nâng cánh máy bay, giải thích lặn xuống sâu người thợ lặn phải mặc áo lặn,… Thực tế cấp trung học sở trung học phổ thơng, tìm hiểu cách khái quát áp suất, dạng áp suất định luật becnulli mức độ áp công thức để giải tập (tính áp suất, nguyên lý pascal hay định luật becnulli) chưa thật hiểu rõ chúng Mặt khác, nhằm giúp cho đỡ lo ngại, tự tin với đơn vị phức tạp áp suất hay cách sử dụng công thức cách rõ ràng áp dụng vào tập đại cương, hiểu rõ ứng dụng mà chúng đem lại để áp dụng vào thực tế,… lý mà chúng em định chọn đề tài B - NỘI DUNG I Áp suất Khái niệm áp suất Trong vật lý học, áp suất (thường viết tắt p P) đại lượng vật lý, định nghĩa lực đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vng góc với bề mặt vật thể Trong hệ SI, đơn vị áp suất Newton mét vng (N/m2), gọi Pascal (Pa) mang tên nhà toán học vật lý người Pháp Blaise Pascal kỉ thứ 17 Áp suất Pa nhỏ, xấp xỉ áp suất đồng đô la tác dụng lên mặt bàn Thường áp suất đo với tỉ lệ bắt đầu 1kPa = 1000Pa Phương trình miêu tả áp suất: Trong đó: P= F S P áp suất F áp lực tác dụng lên mặt bị ép có diện tích S Đơn vị áp suất Trong hệ SI: N/m2 hay kg/(m.s2) gọi Pa: 1Pa=1N/m2 p=d.h NBA Ngồi cịn số đơn vị khác: atmosphere (1atm=1,03.105 Pa), Torr, mmHg (1torr=1mmHg=1/760atm=133,3Pa), at (atmosphere kỹ thuật 1at=0,98.105Pa) Đổi đơn vị đo áp suất Đơn vị áp suất Pascal (Pa) bar (bar) Atmosphere Atmosphere Torr (torr) kỹ thuật (at) (atm) Pound lực inch vuông (psi) Pa = N/m2 10-5 1,0197×10-5 9,8692×10-6 bar 100000 = 106 dyne/cm2 1,0197 0,98692 750,06 14,504 at 98066,5 0,980665 = 1kgf/cm2 0,96784 735,56 14,223 atm 101325 1,01325 1,0332 = 1atm 760 14,696 torr 133,322 1,3332×10-3 1,3595×10-3 1,3158×10-3 = 1Torr; ≈1 mmHg 19,337×10-3 psi 6894,76 68,948×10-3 70,307×10-3 68,046×10-3 51,715 = lbf/in2 7,5006×10-3 145,04×10-6 Ví dụ: Pa = N/m2 = 10−5 bar = 10,197×10−6 at = 9,8692×10−6 atm,… Ghi chú: mmHg viết tắt milimét thủy ngân Phân loại áp suất - Áp suất khí - Áp suất chất lỏng - Áp suất chất rắn Các ví dụ vật lí áp suất Các lưỡi dao mài mỏng (mảnh) để làm giảm diện tích tiếp xúc với vật cắt từ nâng cao tác dụng áp luật (tăng áp suất nén lên bề mặt vật cắt) làm cho tác dụng cắt dễ dàng Với đinh ghim nhỏ đầu nhọn, tiếp xúc với bóng tạo áp suất đủ lớn để phá vỡ lớp vỏ bóng làm cho bóng bị nổ Với nhiều đinh ghim hơn, diện tích tiếp xúc với bề mặt bóng tăng lên làm giảm áp suất dẫn đến tác dụng áp lực lên bóng giảm nên cần phải có nhiều lực làm cho bóng nổ Cũng vận dụng kiến thức áp suất trên, thi biểu diễn võ thuật võ sư cần bàn chông với nhiều chông để làm giảm áp suất (giảm tác dụng) áp lực lên người từ thực động tác biểu diễn khó đảm bảo an toàn Các loại máy xúc thường trang bị bánh xích thay bánh lốp cao su tơ thường nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc với mặt làm giảm tác dụng áp lực lên mặt đường nhờ mà di chuyển đường lầy lội 5 Giới thiệu số áp suất Áp suất tâm Mặt Trời 2.1016 Pa Áp suất tâm Trái Đất 4.1011 Pa Áp suất lớn tạo phịng thí nghiệm 1,5.1010 Pa Áp suất đáy biển chỗ sâu 1,1.108 Pa Áp suất không khí lốp xe tơ 4.105 Pa Áp suất khí mức mặt biển 1.105 Pa Áp suất bình thường máu 1,6.104 Pa II Áp suất khí Lịch sử Năm 1654, Ghê-rích (1602-1678) thị trưởng thành phố Mác-đơ-buốc Đức làm thí nghiệm chứng minh áp suất sau: Dùng hai bán cầu đồng rỗng, đường kính khoảng 30 cm, mép mài nhẵn úp chặt vào cho vừa khít • Dùng máy bơm rút khơng khí bên cầu qua van gắn vào bán cầu đóng khố van lại • Người ta dùng hai đàn ngựa đàn tám không kéo hai bán cầu rời Nhà bác học Evangelista Torricelli dùng ống thủy tinh dài 1m đầu bịt kín đổ thủy ngân vào ống Sau ơng dùng tay bịt kín đầu cịn lại nhúng vào chậu đựng thủy ngân Ông nhận thấy thủy ngân ống tụt xuống, lại khoảng 76 cm tính từ mặt thống thủy ngân chậu Như vậy, biết áp suất khơng khí thời điểm Torricelli làm thí nghiệm áp suất khơng khí 760mmHg Khái niệm Trái đất bao bọc lớp khơng khí dày hàng nghìn km gọi khí Áp suất khí áp suất khí Trái Đất tác dụng lên vật bên lên bề mặt Trái Đất, hay đơn giản sức nặng lượng khơng khí đè lên bề mặt vật Trái Đất Càng lên cao, áp suất khí tác dụng vào vật giảm Áp suất khí khác địa điểm, thời điểm khác Thí nghiệm a) Hút bớt khơng khí vỏ hộp sữa giấy ta thấy hộp bị bẹp theo nhiều phía → Áp suất khơng khí hộp nhỏ áp suất ngồi b) Năm 1654, Ghê-rích (1602-1678) thị trưởng thành phố Mác-đơ-buốc Đức làm thí nghiệm chứng minh áp suất sau: Dùng hai bán cầu đồng rỗng, đường kính khoảng 30 cm, mép mài nhẵn úp chặt vào cho vừa khít • Dùng máy bơm rút khơng khí bên cầu qua van gắn vào bán cầu đóng khố van lại • Người ta dùng hai đàn ngựa đàn tám không kéo hai bán cầu rời → Khi hút hết khơng khí cầu áp suất cầu khơng, vỏ cầu chịu tác dụng áp suất khí từ phía, làm hai cầu ép chặt với Đơn vị áp suất khí Áp suất khí thường đo đơn vị át-mốt-phe, ký hiệu atm: atm = 101325 Pa, áp suất khí mặt nước biển Một đơn vị khác để đo áp suất khí mmHg (milimet thủy ngân) hay gọi Torr (1 Torr = 133,3 Pa = mmHg, 760 mmHg= atm) Các đơn vị sau tương đương, viết số thập phân: 760 mmHg (Torr), 29,92 inHg, 14,696 psi, 1013,25 millibars đơn vị áp suất khí tiêu chuẩn áp suất tiêu chuẩn cho động điện khí nén, hàng khơng khơng gian cơng nghiệp dầu mỏ Ví dụ áp suất khí thực tế a) Bẻ đầu ống thuốc thuốc không chảy b) Trên nắp bình nước có lỗ nhỏ để áp suất khơng khí bình thơng với áp suất khí quyển, đẩy nước xuống III Áp suất chất lỏng # Tại điểm chất lỏng áp suất theo phương # 2.1 Khái niệm Áp suất chất lỏng áp suất vài điểm chất lỏng nước hay khơng khí Áp suất chất lỏng xuất tình sau: Điều kiện hở, gọi "dòng kênh hở" - bề mặt đại dương, bể bơi, khơng khí… Điều kiện đóng - đường ống dẫn khí, dẫn nước… Áp suất chất lỏng điểm lòng chất lỏng giá trị áp lực lên đơn vị diện tích đặt điểm 2.2 Thí Nghiệm a) Thí nghiệm Một bình hình trụ có đáy C lỗ A, B thành bình bọc màng cao su mỏng Hãy quan sát tượng ta đổ nước vào bình (Hình 8.3) + Màng cao su bị biến dạng chứng tỏ điều ? + Có phải chất lỏng tác dụng áp suất lên bình theo phương chất rắn hay không ? Trả lời: Đổ lượng nước vào bình hình trụ, bịt màng cao su đáy hai lỗ thành bình thấy màng cao su bị biến dạng + Các màng cao su bị biến dạng chứng tỏ chất lỏng gây áp suất lên đáy bình thành bình + Chất lỏng gây áp suất theo phương không theo phương chất rắn b) Thí nghiệm Lấy bình trụ thủy tinh có đĩa D tách rời dùng làm đáy Muốn D đậy kín đáy ống ta phải dùng tay kéo dây buộc đĩa D lên Khi nhấn bình vào sâu nước bng tay kéo sợ dây ra, đĩa D không rời khỏi đáy kể quay bình theo cá phương khác chứng tỏ chất lỏng gây theo phương lên vật lịng c) Thí nghiệm Hình minh họa áp suất chất lỏng phụ thuộc vào độ sâu so với mặt thoáng chất lỏng Càng sâu áp suất chất lỏng lớn khiến dịng nước phun có độ dài lớn 2.3 Cơng thức tính áp suất chất lỏng Cũng chất khí, chất lỏng truyền nguyên vẹn áp suất theo phương Phương trình Bernoulli sử dụng để xác định áp suất điểm chất lỏng Chất lỏng giả thiết chất lỏng lý tưởng không nén Chất lỏng lý tưởng chất lỏng không tồn nội ma sát lịng chất lỏng, có độ nhớt khơng Phương trình viết hai điểm a b hệ thống tồn chất lỏng va2 pb vb2 + + za = + + zb  2g  2g pa Với: p = áp suất chất lỏng γ = ρg = mật độ gia tốc trọng trường = trọng lượng riêng chất lỏng v = vận tốc chất lỏng g = gia tốc trọng trường z = độ cao p  = chiều cao cột áp (pressure head) v2 = vận tốc cột áp (velocity head) hay độ cao thủy lực 2g Trên mặt phẳng nằm ngang lịng chất lỏng tất điểm có áp suất Áp suất điểm có độ cao khác áp suất khác  Cơng thức tính áp suất chất lỏng: Giả sử có khối chất lỏng hình trụ, chiều cao h, trọng lượng riêng chất lỏng p Ta có cơng thức tính áp suất gây cột chất lỏng lên điểm A đáy bình là: p = d h • Trong đó: p áp suất đáy cột chất lỏng (N/m2 hay Pa) d trọng lượng riêng chất lỏng (N/m3) h độ cao cột chất lỏng, tính từ điểm tính tới mặt thống chất lỏng (m) Chứng minh Ta có: p = F Mà F = P = 10.m = 10.D.V = 10.D.S.h = d.S.h S Suy ra: p = d S h = d h (đpcm) S Đơn vị: p: Pascal (Pa) d: Newton mét khối (N/m3) h: mét (m) Công thức áp dụng cho điểm lịng chất lỏng, chiều cao cột chất lỏng độ sâu điểm so với mặt thoáng 2.5 Áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối Áp suất tuyệt đối tổng áp suất gây khí cột chất lỏng tác dụng lên điểm lòng chất lỏng Ký hiệu: pa Cơng thức: pa = p0 + h Trong đó: p0 áp suất khí  trọng lượng riêng chất lỏng h độ sâu thẳng đứng từ mặt thoáng chất lỏng đến điểm xét Áp suất tương đối gọi áp suất dư áp suất gây trọng lượng cột chất lỏng Ngoài áp suất tương đối hiệu áp suất tuyệt đối áp suất khí Nếu áp suất tuyệt đối nhỏ áp suất khí ta áp suất chân khơng Ký hiệu: ptđ, pdư Công thức: pdu = h 2.6 Nguyên lý Pascal a) Nguyên lý Pascal Nguyên lý Pascal hay Định luật Pascal (nguyên lý truyền áp lực chất lỏng) nhà bác học người Pháp Pascal phát lợi dụng tính chất khó nén nước ngun lý bình thơng Nhưng thường máy nén thủy lực người ta dùng dầu dầu có hệ số ma sát phân tử nhỏ nên làm giảm hao phí lực tác dụng b) Phát biểu nguyên lý Độ tăng áp suất lên chất lỏng chứa bình kín truyền ngun vẹn cho điểm chất lỏng thành bình Ứng dụng nguyên lý Pascal sử dụng máy thủy lực c) Công thức nguyên lý p = png +  g h Trong đó: png áp suất mặt thoáng chất lỏng (Pa)  khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3) g gia tốc trọng trường, thường lấy giá trị xấp xỉ 9.807 m/s2 h độ sâu lịng chất lỏng tính từ mặt thống d) Ứng dụng Giả sử ta có máy thủy lực có cấu tạo gồm xilanh có tiết diện S1 S2 xilanh chứa đầy chất lỏng thường dầu, bịt kín pít-tơng F1 áp S1 suất truyền ngun vẹn tới pít-tơng lớn có tiết diện S2 gây lực nâng F2 lên pít-tơng theo cơng thức: Khi ta tác dụng lực F1 lên pít-tơng nhỏ S1, lực gây áp suất p = F2 = p.S = F1.S F S  = S1 F1 S1 Điều có nghĩa S2 lớn S1 lần F2 lớn F1 nhiêu lần, ta dùng tay nhấc tơ Ngồi tính thêm độ cao sau lần nén với H2 độ cao lên sau lần nén tạo F2 tiết diện S2 H1 độ cao sau nhấn pít-tơng xuống độ cao H1 để gây lực F1 tiết diện S1 ta có: F2 S H = = F1 S1 H2 Hình minh họa cách hoạt động máy thủy lực dựa ngun lý Pascal 2.7 Bình thơng a) Khái niệm: Bình thơng loại bình có hai hay nhiều ống thơng đáy với b) Ví dụ bình thơng sống: Hệ thống cung cấp nước c) Thí nghiệm, rút kết luận * Thí nghiệm: Đổ nước vào bình có nhánh thơng (bình thơng nhau) Hãy dựa vào cơng thức tính áp suất chất lỏng đặc điểm áp suất chất lỏng để so sánh áp suất pA, pB dự đốn xem nước bình đứng n mực nước trạng thái trạng thái hình vẽ ? a) pA > pB b) pA < pB c) pA = pB * Kết luận: Trong bình thơng chứa chất lỏng đứng yên, mực chất lỏng nhánh ln độ cao (hình c) 2.8 Vận dụng áp suất khí thực tế a) Khi lặn xuống sâu người thợ lặn phải mặc áo lặn chịu áp suất lớn Vì lặn sâu lòng biển, áp suất nước biển gây lên đến hàng ngàn N/m2, người thợ lặn khơng mặc áo lặn khơng thể chiụ áp suất b) Việc sử dụng chất nổ để đánh bắt cá - Khi ngư dân cho nổ mìn biển gây áp suất lớn, áp suất truyền theo phương gây tác động mạnh vùng rộng lớn Dưới tác động áp suất này, hầu hết sinh vật vùng bị chết  -Việt đánh bắt chất nổ có tác hại : + Hủy diệt sinh vật biển + Ô nhiễm mơi trường sinh thái + Có thể gây chết người khơng cẩn thận • Tun truyền để ngư dân không sử dụng chất nổ để đánh bắt cá • Nghiêm cấm hành vi đánh bắt cá chất nổ  Vì tuyệt đối khơng dùng mìn để đánh bắt cá 2.9 Ứng dụng - Nguyên lý Pascal ứng dụng nhiều lĩnh vực máy nén thủy lực, máy nâng vật với trọng lực lớn, phanh thủy lực xe mô tô, ô tô - Ứng dụng áp suất chất lỏng việc bảo vệ môi trường (The application of liquid pressure in protecting environment) - Một bình kín A có gắn thiết bị B để biết mực chất lỏng chứa làm vật liệu khơng suốt Theo ngun tắc bình thơng nhau, mực chất lỏng bình A ln mực chất lỏng ta nhìn thấy thiết bị B Thiết bị gọi ống đo mực chất lỏng - Áp dụng theo ngun tắc bình thơng để làm đài phun nước - Theo nguyên tắc bình thơng bình nước thường đặt vị trí cao IV Định luật Becnuli 1) Lịch sử - Trong thủy động lực học, nguyên lý Bernoulli phát biểu dịng chất lưu khơng dẫn nhiệt khơng có tính nhớt, tăng vận tốc chất lưu xảy tương ứng đồng thời với giảm áp suất giảm chất lưu Nguyên lý đặt theo tên Daniel Bernoulli, ông cơng bố sách Hydrodynamica vào năm 1738 - Nguyên lý Bernoulli áp dụng cho nhiều loại chất lưu, chúng thể qua kết viết dạng phương trình Bernoulli Thực tế, có dạng phương trình Bernoulli khác cho loại chất lưu khác Nguyên lý Bernoulli thỏa mãn cho trường hợp dịng chảy khơng nén (ví dụ cho dòng chất lỏng) cho dòng chảy nén (ví dụ khí) chuyển động nhỏ tốc độ âm Các dạng phức tạp số trường hợp áp dụng cho trường hợp dòng chảy nén chuyển động với vận tốc lớn 2) Định luật Becnuli cho ống dòng nằm ngang: - Béc-nu-li (Daniel Bernoulli, 1700-1782, nhà bác học người Thụy Sĩ) thiết lập phương trình liên hệ giữ áp suất p vận tốc v điểm khác ống dòng sau: - Đây định luật becnuli phát biểu sau: Trong ống dòng nằm ngang, tổng áp suất tĩnh áp suất động điểm số - Từ phương trình suy ra: + Áp suất tĩnh p điểm khác ống nằm ngang phụ thuộc vào vận tốc điểm Ở chỗ vận tốc v lớn (ống dòng có tiết diện nhỏ) áp suất tĩnh p nhỏ Chỗ tốc độ nhỏ áp suất tĩnh lớn (ống dịng có tiết diện lớn)  người ta gọi áp suất động Ta thấy áp suất toàn phần điểm ống nằm ngang (Áp suất toàn phần: tổng áp suất tĩnh áp suất động xét điểm đường dòng) + Số hạng 3) Ứng dụng định luật * Đo áp suất tĩnh: Đặt ống thủy tinh hở hai đầu, miệng ống song song vối dòng chảy Áp suất tĩnh tỉ lệ với độ cao cột chất lỏng ptinh =  g h1 * Đo áp suất tồn phần: Dùng ống hình trụ hở hai đầu, đầu uốn vng góc với dịng chảy, đặt miệng ống vng góc với dịng chảy, áp suất toàn phần tỉ lệ với độ cao cột chất lỏng ptp =  g h2 *Lực nâng cánh máy bay: Để nghiên cứu tác dụng khơng khí lên cánh máy bay, ta coi máy bay đứng yên khơng khí chuyển động thành dịng theo chiều ngược lại với vận tốc Ta thấy phái trên, dòng khơng khí xít vào so với phần phí cán Vận tốc phần khơng khí phía lớn vận tốc khơng khí phần phía cánh Do vậy, áp suất tĩnh phía nhỏ áp suất tĩnh phần phía tạo nên lực nâng máy bay Trong thực tế cánh máy bay đặt chếch lên tạo nên lực nâng lớn * Ngoài kĩ thuật đời sống có dụng cụ như: lọ nước hoa, bình tưới cây, bình phun thuốc trừ sâu,…cũng hoạt động dựa nguyên tắc định luật becnuli ❖ Nguồn truy cập: Sách giáo khoa lớp 10, sách giáo khoa lớp Vatlypt.com, vi.wikipedia.org, tailieu.vn, baigiang.violet.vn, 123doc.org Hình ảnh truy cập từ google C - KẾT LUẬN Qua tiểu luận giúp cho chúng ta: - Hiểu xâu hơn, rộng định nghĩa áp suất, áp suất chất lỏng, áp suất khí quyển, định luật becnulli ứng dụng chúng - Qua giúp ta biết thêm nhiều công thức vận dụng vào tập đại cương áp dụng chúng vào thực tiễn sống thường ngày - Giải thích vấn đề thực tế xung quanh đồng thời ứng dụng không ngừng nghiên cứu cải thiện chúng cách có hiệu - Hiểu chế cách thức chúng để áp dụng vào nghiên cứu khoa học kĩ thuật đạt nhiền hiệu cao… - The end -  ... Áp suất Khái niệm áp suất Trong vật lý học, áp suất (thường viết tắt p P) đại lượng vật lý, định nghĩa lực đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vng góc với bề mặt vật thể Trong hệ SI, đơn vị áp... Nguyên lý Pascal a) Nguyên lý Pascal Nguyên lý Pascal hay Định luật Pascal (nguyên lý truyền áp lực chất lỏng) nhà bác học người Pháp Pascal phát lợi dụng tính chất khó nén nước ngun lý bình... suất khí Trái Đất tác dụng lên vật bên lên bề mặt Trái Đất, hay đơn giản sức nặng lượng khơng khí đè lên bề mặt vật Trái Đất Càng lên cao, áp suất khí tác dụng vào vật giảm Áp suất khí khác địa