8. Cấu trúc của luận văn
2.2.3. Hệ thống bài tập thí nghiệm
2.2.3.1. Bài tập thí nghiệm định tính
a) Bài tập thí nghiệm quan sát, mô tả, giải thích hiện tượng
Bài 1: Em hãy giải thích vì sao quả bong bóng được bơm đầy không khí, để ngoài trời nắng một lúc thì quả bong bóng sẽ nổ?
Hướng dẫn giải
Theo phương trình trạng thái, ta có:
2 2 2 1 1 1 T V p T V p =
Với p1, V1, T1 là áp suất, thể tích, nhiệt độ tuyệt đối ban đầu. p2, V2, T2 là áp suất, thể tích, nhiệt độ tuyệt đối lúc sau.
Khi T2 tăng thì đồng thời p2 và V2 tăng. V2 tăng vượt quá một giá trị cho phép thì quả bong bóng sẽ nổ.
Bài 2: Em hãy giải thích vì sao ta bơm được không khí vào ruột của xe đạp bằng ống bơm ? (coi nhiệt độ không khí không đổi)
Khi ta nén pit-tông trong ống bơm thì theo công thức của định luật Bôi-lơ – Ma- ri-ôt (p1.V1= p2.V2), thể tích V2 giảm nên áp suât p2 tăng ( với p2 là áp suất trong ống bơm khi nén).
Khi áp suất p2 lớn hơn áp suất không khí trong ruột xe đạp thì van xe đạp bị ép xuống và được mở ra, không khí từ ống bơm sẽ đi vào ruột xe đạp.
Bài 3:Vì sao nhiệt độ ở trên đỉnh núi thấp hơn nhiệt độ ở chân núi. Em hãy giải thích hiện tượng này ?( biết rằng càng lên cao áp suất càng giảm)
Hướng dẫn giải
Ta có thể tích khí không đổi, theo định luật Sác-lơ, ta có:
2 2 1 1 T p T p =
Từ công thức, ta thấy p2 giảm thì nhiệt độ T2 giảm.
Bài 4: Trong một ngày ẩm trời, một vài người nói “không khí nặng nề”. Khối lượng riêng của không khí ẩm so với không khí khô có cùng áp suất và nhiệt độ khác nhau như thế nào ?
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Không khí ẩm có khoảng cách giữa các phân tử khí như thế nào so với không khí khô?
- Hãy viết công thức tính khối lượng riêng của chất khí.
- Cùng một thể tích thì không khí ẩm có khối lượng như thế nào so với không khí khô?
Giải
- Do không khí ẩm chứa nhiều hơi nước và khoảng cách giữa các phân tử không khí ẩm gần hơn khoảng cách giữa các không khí khô và theo công thức:
V m
= ρ
Trong cùng một thể tích thì không khí ẩm có khối lượng khí lớn hơn không khí khô nên khối lượng riêng của không khí ẩm lớn hơn khối lượng riêng của không khí khô. Cho nên lúc trời ẩm người ta nói không khí nặng nề.
Bài 5:Hai phòng có kích thước bằng nhau, thôngvới nhau bằng một cửa mở. Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình trong hai phòng được duy trì tại các giá trị khác nhau. Trong phòng nào có nhiều không khí hơn ?
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Em hãy viết công thức của phương trình trạng thái khí lí tưởng. - Hai phòng có thể tích và áp suất như thế nào ?
Giải
- Từ phương trình trạng thái khí lí tưởng:
RT M
m V p. =
- Hai phòng có cùng thể tích và áp suất,do đó phòng nào có nhiệt độ thấp hơn thì khối lượng không khí nhiều hơn.
Bài 6: Tại sao nhiệt độ sôi của một chất lỏng phụ thuộc vào áp suất khí quyển ?
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Giữa áp suất khí quyển và áp suất của một chất lỏng có mối liên quan như thế nào ?
- Trong cùng thể tích và cùng nhiệt độ thì áp suất càng lớn thì khối lượng của chất lỏng như thế nào ?
- Khối lượng lớn thì khoảng cách giữa các phân tử như thế nào ?
Giải
Do chất lỏng chịu tác dụng của áp suất khí quyển nên áp suất khí quyển lớn thì áp suất của chất lỏng sẽ lớn.
Trong cùng một thể tích và cùng nhiệt độ thì chất nào có áp suất lớn thì có khối lượng lớn nên khối lượng riêng lớn. Khoảng cách giữa các phân tử gần nhau khi đó làm cho nhiệt độ sôi của chất lỏng tăng lên.
Do đó, nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc và áp suất khí quyển.
Bài 7: Tại sao khói bốc lên mà không chìm xuống từ một ngọn nến ?
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Nhiệt độ không khí có mối quan hệ với mật độ không khí như thế nào ? - Không khí nặng có độ cao như thế nào so với không khí nhẹ ?
Giải
- Không khí ở gần ngọn nến có nhiệt độ lớn, khoảng cách giữa các phân tử rất xa, mật độ không khí thấp, khối lượng không khí nhẹ.
- Không khí ở xung quanh xa ngọn nến có nhiệt độ thấp hơn, mật độ không khí nặng hơn, khối lượng lớn hơn và nặng hơn.
- Do đó không khí ở gần ngọn nến sẽ chuyển động lên phía trên.
Bài 8: Nếu không khí nóng dâng lên, tại sao ở đỉnh núi thì lạnh hơn ở mặt biển ( Gợi ý: không khí dẫn nhiệt rất kém)
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Ở trên đỉnh núi, mật độ không khí rất thấp, khoảng cách giữa cách phân tử khí như thế nào ?
- Ở mặt biển, mật độ không khí như thế nào ?
Giải
- Ở trên đỉnh núi mật độ không khí thấp, khoảng cách giữa các phân tử rất lớn. Do không khí dẫn nhiệt kém nên ta cảm thấy lạnh.
- Ở mặt biển, mật độ không khí dầy hơn, khoảng cách giữa các phân tử không khí rất nhỏ nên không khí ở mặt biển nóng hơn.
Bài 9: Một khí cầu bằng cao su kín chứa khí rất nhẹ. Thả Khí cầu ra và nó bay lên trong khí quyển. Mô tả và giải thích nhiệt độ của khí và kích thước của khí cầu.
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Khối lượng riêng của khí cầu so với khối lượng riêng của không khí như thế nào?
- Vì sao khí cầu bay lên ?
Giải
Do khí cầu có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của không khí nên khí cầu bay lên.
- Khi bay lên nhiệt độ của khí cầu sẽ giảm theo nhiệt độ của môi trường xung quanh, áp suất cũng giảm và bằng với áp suất khí quyển ( do vỏ khí cầu bằng cao su).
- Nếu coi nhiệt độ khối khí thay đổi không đáng kể thì kích thước của khí cầu sẽ tăng lên.
Bài 10: Em hãy giải thích vì sao những chiếc đèn gió lại bay lên được ?
Giải
- Không khí bên trong của những chiếc đèn gió được đốt nóng, mật độ không khí rất thấp, không khí nhẹ.
- Ở bên ngoài trời, không khí lạnh hơn, mật độ không khí lớn hơn và khối lượng riêng của không khí nặng hơn.
Do đó đèn gió nhẹ hơn nên bay lên trên được.
b) Bài tập lập phương án thí nghiệm
Bài 1: Làm thế nào với một chiếc cân nhạy và một chiếc thước bạn có thể xác định được áp suất trong một quả bóng đá?
Câu hỏi hướng dẫn giải:
- Một vật có thể tích đặt trong không khí có chịu tác dụng của lực đẩy Acsimet không?
- Vậy kết quả mà chiếc cân cân được có biểu thức như thế nào ?
- Mật độ không khí có mối quan hệ tỉ lệ như thế nào với áp suất p trong quả bóng?
Giải
Tất cả các vật trong không khí đều chịu tác dụng của một lực đẩy và có giá trị bằng trọng lượng của khối lượng bị chiếm chỗ. Vậy ta có thể viết kết quả cân của một quả bóng có áp suất p dưới dạng sau:
M = Mb + Ma – m
Trong đó Mb là khối lượng của vetxi (ruột) và vỏ da, Ma là khối lượng của không khí chứa trong quả bóng, m là khối lượng của không khí bị chiếm chỗ. Ta dễ dàng thấy rằng nếu bỏ qua thể tích của vetxi và vỏ da ( do bỏ qua lực đẩy acsimet lên chúng) thì đối với quả bóng chứa không khí ở áp suất khí quyển, hai số hạng sau của phương trình trên là bằng nhau và phép cân chỉ cho khối lượng Mb của vetxi và vỏ da.
Vì bơm thực tế không làm thay đổi thể tích V của quả bóng, nên số hạng cuối cùng của vế phải phương trình ở trên là không đổi cũng như số hạng đầu tiên. Gọi M va M0 là khối lượng của quả bóng (được xác định bằng cân ) ứng với khi bơm lên tới áp suất p và khi có áp suất bên trong bằng áp suất khí quyển p0. Hiệu M – M0 chia cho thể tích V của quả bóng sẽ cho sự tăng mật độ ( khối lượng riêng) của không khí từ ρ0 tương ứng với áp suất khí quyển p0 đến ρ tương ứng với áp suất p cần tìm. Ta có : 0 0 = ρ −ρ − V M M
Do thể tích quả bóng không thay đổi khi bơm, nên khối lượng riêng của khí tăng tỉ lệ thuận với áp suất :
0 0 p p = ρ ρ
Từ hai phương trình trên suy ra :
) ( ) ( 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V M M p p V M M p p p= = + − = + − ρ ρ ρ ρ ρ
Trong biểu thức này, hiệu hai khối lượng được xác định bằng cân, thể tích V được tính sau khi đo đường kính bằng một cái thước, còn p0 và ρ0 có thể tra trong sách tra cứu về vật lí (cụ thể p0 =1at và ρ0 = 1,293 kg/m3).
Bài 2: Cho một bóng đèn điện đã bị cháy. Hỏi phải làm thế nào để xác định áp suất bên trong bóng đèn đó nếu chỉ có bình hình trụ chứa nước và một chiếc thước chia độ?
Câu hỏi hướng dẫn giải:
- Ta xác định thể tích của bóng đèn như thế nào ?
- Ta tháo chui đèn ra, khi đó áp suất bóng đèn lúc này có bằng áp suất khí quyển không? Thể tích lúc này được xác định như thế nào ?
- Vậy áp trước khi tháo chui đèn có phải là áp suất cần tìm không?
- Coi nhiệt độ là không đổi, ta áp dụng định luật nào để tìm được áp suất p của bóng đèn.
- Hãy viết phương trình định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
Giải
Trước hết phải thận trọng gỡ bỏ chuôi kim loại ở đuôi đèn để bóng đèn không bị vỡ, rồi nhúng nó chìm hoàn toàn vào nước trong bình và dùng thước đo mức dâng lên của nước trong bình ∆h1. Sau đó vẫn để bóng đèn trong nước, bẻ gãy đầu của ống hút để nước tràn vào trong đèn nhưng khí không thoát ra ngoài.
Ở áp suất p cần tìm, khí chiếm toàn bộ thể tích V1 của bóng đèn. Nếu bỏ qua thể tích của thành thủy tinh, thì V1 đúng bằng tiết diện ngang của bình nhân với mức dâng lên của nước ∆h1 khi nhúng đèn hoàn toàn vào nước: V1 = S. ∆h1
Khi đầu ống hút bị bẻ gãy, áp suất khí trong đèn bằng áp suất khí quyển ( áp suất của cột nước bên trên đèn nhỏ không đáng kể so với áp suất khí quyển ) và thể tích của nó chỉ bằng V2 = S. ∆h2.
Nếu xem nhiệt độ của khí trong đèn là không đổi theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, ta có:
2 0 1 p S. h h pS∆ = ∆ hay 1 2 0 h h p p ∆ ∆ =
∆h1 và ∆h2 có thể đo bằng thước, còn p0 có thể đọc trên khí áp kế hoặc cho là bằng 1at (760 mmHg).
Bài 3: Hãy thử giải bài tập trên bằng cách dùng một xoong chứa đầy nước, một chiếc cân cùng bộ quả cân.
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Ta làm thí nghiệm thay đổi trạng thái của khối khí bằng cách nhúng bóng đèn vào trong nước, rồi bẻ gãy chui đèn, khi đó áp suất khí trng bóng đèn bằng áp suất khí quyển. Ta cần xác định thể tích khí lúc này và thể tích khí ban đầu là xác định được áp suất ban đầu p của bóng đèn.
- Thông qua chiếc cân xác định thể tích như thế nào ? - Hãy viết công thức của định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
Giải
Ta thận trọng tháo bỏ chuôi kim loại ở đuôi đèn, rồi đem cân bóng đèn. Giả sử khối lượng của nó là m1. Bây giờ, ta nhúng bóng đèn ngập trong nước rồi bẻ đầu ống hút. Khi nước không còn chảy vào bóng đèn nữa, trong đèn chỉ còn phần không gian chứa khí nén tới áp suất khí quyển p0 là không bị chiếm bởi nước; ta lấy bóng đèn ra khỏi nước và xác định khối lượng của nó. Giả sử bây giờ khối lượng là m2. Bây giờ, ta đổ đầy nước vào bóng đèn và xác định khối lượng là m3.
Ta dễ dàng thấy rằng hiệu m3- m1 cho ta khối lượng của nước choán toàn bộ thể tích của bóng đèn. Chia hiệu này cho khối lượng riêng ρ của nước ta tìm được thể tích bên trong của bóng đèn. Đây cũng là thể tích của chính chất khí ở áp suất p cần tìm.
Mặt khác, hiệu m3 – m2 chia cho khối lượng riêng ρ của nước cho ta thể tích của chính khối khí đó ở áp suất khí quyển p0.
Ta thừa nhận rằng trong quá trình nén nói trên nhiệt độ của khí không thay đổi, và ta có thể viết thể viết theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt:
ρ ρ 1 0 3 2 3 m m p m m p − = − Từ đó suy ra áp suất cần tìm: 1 3 2 3 0 m m m m p p − − =
Bài 4: Cho một ống thủy tinh hẹp được hàn kín một đầu. Ống chứa một cột khí ngân cách với không khí bên ngoài bằng một cột thủy ngân. Dùng một chiếc thước chia độ đến milimét, hãy xác định áp suất khí quyển.
Câu hỏi hướng dẫn giải
- Hãy viết công thức xác định áp suất khí trong ống, khi đặt ống thẳng đứng với đầu hở hướng lên trên.
- Tương tự, hãy viết công thức xác định áp suất khí, khi đặt ống thẳng đứng với đầu hở xuống phía dưới.
- Hãy viết công thức của định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
Giải:
Nếu ta đặt ống thẳng đứng với đầu hở hướng lên trên, thì không khí trong ống chịu một áp suất:
gh p
p1 = 0 +ρ
ở đây p0 là áp suất khí quyển, ρ là khối lượng riêng của thủy ngân, g là gia tốc trọng trường, và h là độ cao của cột thủy ngân. Áp suất này nén khí tới thể tích:
S l V1 = 1
( l1 là chiều dài của cột không khí, S là diện tích tiết diện ngang của ống). Trong ống đặt thẳng đứng với lỗ hở phía dưới, áp suất khí bây giờ là:
gh p
Và thể tích của cột khí:
S l V2 = 2
Nếu cho rằng cả hai trường hợp nhiệt độ đều như nhau, theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, ta có: S l gh p S l gh p0 )1 ( 0 ) 2 ( +ρ = −ρ Suy ra: 1 2 1 2 0 l l l l gh p − + =ρ
Khối lượng riêng ρ của thủy ngân và gia tốc trọng trường g có thể tra trong bảng, trong khi đó l1, l2, h có thể đo bằng thước.
Bài 5: Một pittông chứa khối khí có thể tích V1 và nhiệt độ t1 là 270C. Nung nóng đẳng áp khối khí, thì thể tích của khối khí tăng một lượng ∆V, nhiệt độ lúc
này là t. Hãy dùng thước kẻ, xác định nhiệt độ của khối khí lúc này.
Câu hỏi hướng dẫn giải:
- Quá trình của khối khí là quá trình gì? Em hãy viết công thức của quá trình đó? - Đại lượng nào bài toán đã cho và tìm đại lượng nào ?
- Thước kẻ dùng để xác định đại lượng cần tìm nào ?
Giải
Ta có: V1 = S.l1 là thể tích ban đầu
T1 = t1+273 = 27+273= 300 K là nhiệt độ ban đầu. V2 = V1 + ∆V = S.l2 là thể tích lúc sau.
T2 = t2 + 273 là nhiệt độ lúc sau.
Theo công thức của quá trình đẳng áp :
2 2 1 1 T V T V = Suy ra : 273 300 2 2 1 + = t l l
273 300 1 2 2 = − l l t
Dùng thước kẻ, ta đo các đại lượng l1 và l2 thay vào biểu thức trên sẽ tìm được nhiệt độ t2
Bài 6: Một píttông như hình vẽ, có chứa khối khí ở bên trong nhiệt độ ban đầu