Chương 2. TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ HỌC CHẤT LƯU”
2.2. Đặc điểm, cấu trúc và nội dung của chương “Chất khí”
2.3.2. Những kiến thức có liên quan đến các hiện tượng tự nhiên và trong kĩ thuật, đời sống thực tiễn
Những kiến thức của Vật lí nó thường đi kèm với các hiện tượng tự nhiên xảy ra xung quanh mỗi chúng ta, đồng thời các kiến thức đó cũng là nền tảng cho quá trình hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, trên cơ sở nghiên cứu của đề tài chúng tôi đã khai thác mỗi liên hệ mật thiết này trong những bài học cụ thể:
Bài 1: “Áp suất thủy tĩnh – Nguyên lí Pa-xcan”
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Sau khi học bài “Áp suất thủy tĩnh – Nguyên lí Pa-xcan” giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích câu hỏi: Vì sao thực tế các thợ lặn phải sử dụng các loại áo chuyên dụng có vẻ như rất “nặng nề” khi lặn sâu dưới biển? Bình khí đeo sau lưng người thợ lặn có tác dụng
gì? Cho học sinh quan sát video. Hình 7. Thợ lặn
- Dưới đáy biển, do có dộ sâu lớn nên áp suất do chất lỏng tác dụng lên người thợ lặn có thể có giá trị rất lớn. Nếu không được trang bị quần áo lặn thích hợp thì cơ thể người thợ lặn sẽ không chịu đựng nổi với áp lực do nước gây ra.
- Bình khí đeo sau lưng người thợ lặn ngoài việc cung cấp oxi để họ có thể làm việc trong thời gian khá lâu dưới đáy biển. Ngoài ra sức nặng của nó còn làm cho người thợ lặn dễ lặn xuống sâu và di chuyển dưới đáy biển.
Khi học kiến thức về bình thông nhau giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích tại sao trong thực tế các ấm chứa nước lại được thiết kế phần vòi cao gần như ngang miệng ấm.
Ấm có vòi cao hơn thì đựng được nhiều nước hơn. Vì theo tắc bình thông nhau thì mực nước trong ấm bằng
độ cao của miệng vòi. Hình 8. Bình chứa nước * Những ứng dụng kĩ thuật liên quan đến kiến thức bài học
Sau khi học bài “Áp suất thủy tĩnh - Nguyên lí Pax-can” giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích nguyên lí hoạt động của máy nén thủy lực? Từ đó giải thích tại sao một cái kích ôtô bé có thể nâng được một chiếc ô tô khá lớn ?
Hình 9
Dựa vào sơ đồ hình bên ta thấy khi ấn tay cầm xuống một lực f0 thông qua đòn bẩy pít tông A chịu một lực f hướng xuống (f>f0). Áp lực f gây ra áp suất
A
p f
= S , áp suất này được chất lỏng truyền đi nguyên vẹn sang pít tông B tạo ra áp lực đẩy pít tông B đi lên phía trên. Độ lớn của áp lực tác dụng lên pít tông B là
B B
A
F pS f S
= = S rõ ràng SB lớn hơn SA bao nhiêu lần thì tạo ra được lực F lớn hơn lực f bấy nhiêu lần. Nguyên lí này cũng giải thích được vì sao một cái kích ô tô có thể nâng một chiết ô tô có trọng tải khá lớn.
Ngoài ra các thiết bị kĩ thuật khác cũng liên quan đến nguyên lí Pax-can như:
Máy ép cọc thủy lực (Hình10), máy ép ngói thủy lực (Hình 11), máy ép phẳng thủy lực (Hình 12)
Hình 10 Hình 11 Hình 12
Với kiến thức bình thông nhau giáo viên có thể liên hệ thực tế trong kĩ thuật của hệ thống cung cấp nước thông thường ở các trạm cấp nước lại có môt bể nước to được xây rất cao để chứa nước rồi sau đó nước được dẫn qua đường ống đến nơi tiêu thụ bằng cách yêu cầu học sinh giải thích vì sao phải xây cái bể nước cao như vậy.
Hình 13. Sơ đồ hệ thống cung cấp nước
Trong các hệ thống cấp nước, trước khi đưa đến nơi tiêu thụ thì nược được đưa lên một bể chứa cao (đài). Máy bơm được sử dụng ở trạm bơm cấp I đều đưa nước từ công trình thu lên công trình làm sạch và ở trạm bơm cấp II để đưa nước từ các bển chứa nước sạch lên đài và vào mạng phân phối cho các đối tượng sử dụng Trong kĩ thuật cấp nước hiện nay thì loại máy bơm được sử dụng phổ biến nhất là bơm ly tâm chạy bằng động cơ điện. Sau đó nước sẽ được đưa đến mạng lưới cấp nước đây là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống cấp nước nó làm nhiệm vụ vận chuyển và phân phối nước đến nơi tiêu thụ gồm các đường ống chính, ống nhánh và ống nối phân phối nước. Sở dĩ người ta phải bơm nước lên cao là dựa theo nguyên tắc bình thông nhau việc làm này giúp thuận lợi hơn trong việc chuyển tải nước đến nơi tiêu thụ.
Bài 2: “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí - Định luật Béc-nu-li”
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Khi học bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khi - Định luật Béc-nu-li” giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích tại sao khi tưới cây để nước trong ống có thể phun xa hơn, người ta thường bịt đầu ống chỉ để hở một lỗ nhỏ cho nước phun ra.
- Khi ta bịt đầu ổng chỉ để một lỗ hở nhỏ tức là ta đã làm cho tiết diện ống tại đó thu hẹp lại, nhờ đó vận tốc nước phun ra xẽ lớn hơn (theo định luật Béc-nu-li) và có thể phun ra xa hơn.
- Thông qua kiến thức này các em có thể tự tìm hiểu và giải thích thêm một số hiện tượng tương tự như bơm kim tiêm thì có cấu tạo một đầu rất nhỏ, vòi sen, các vòi xịt rữa xe cũng có cấu tạo tượng tự. Đồng thời các em có thể về nhà tự chế tạo các dụng cụ đơn giản đó để phục vụ cho đời sống hằng ngày.
Cho học sinh quan sát (thông qua video) dòng nước chảy ra từ một cái vòi trên cao ta thấy phần dưới của dòng nước chảy bị nhỏ dần sau đó hãy yêu cầu học sinh giải thích thông qua kiến thức vừa được học về định luật Béc-nu-li.
Khi chất lỏng chảy ra khỏi vòi càng xuống dưới thì vận tốc của chất lỏng càng tăng (nếu bỏ qua ma sát thì chuyển động này giống như chuyển động rơi tự do). Chính vận tốc tăng dần của chất lỏng là nguyên nhân làm cho dòng chất lỏng hẹp dần (theo định luật Béc-nu-li thì ống dòng có tiết diện càng nhỏ thì vận tốc càng lớn).
Giáo viên có thể cho học sinh làm thí nghiệm đơn giản trong quá trình dạy học kiến thức về định luật Béc-nu-li
Cho hai vỏ lon bia đặt gần nhau và thổi một luồng khí vào khe giữa hai vỏ lon thì thấy chúng cũng dịch chuyển vào gần nhau hơn. Yêu cầu học sinh giải thích hiện tượng trên khi học kiến thức về định luật Béc-nu-li.
+ Dụng cụ:
- Hai lon bia rỗng.
- Một ống hút.
+ Tiến hành:
- Đặt hai lon nằm sát nhau. Hình 14 - Đặt ống hút nằm giữa hai lon và thổi vào ống hút một luồng khí + Kết quả: Hai lon bia rỗng chuyển động về phía nhau.
+ Giải thích: Khi thổi khí vào giữa hai lon đã làm không khí tại đó chuyển động thành dòng, áp suất tĩnh tại đó giảm. Do áp suất không khí bên ngoài (xem như đứng yên) lớn hơn áp suất tĩnh giữa hai lon bia. Do có sự chênh lệch áp suất tĩnh bên trong và bên ngoài nên hai lon bia bị đẩy lại gần nhau.
* Những ứng dụng kĩ thuật liên quan đến kiến thức bài học
Thông thường trong đời sống hằng ngày người ta thường dùng các loại bình sơn mini để sơn những vật dụng nhỏ. Ta chỉ cần dung tay ấn vào phía trên bình sơn thì sơn sẽ được phun ra dưới dạng sương. Giáo viên có thể yêu cầu học sinh nêu nguyên tắc hoạt động cơ bản của bình phun sơn. Cho học sinh xem video về hoạt động của bình phun sơn.
Hình 15. Bình phun sơn Khi có dòng khí thổi mạnh vào ống, tại vòi của bình xịt thì áp suất động tăng làm cho áp suất tĩnh giảm. Kết quả là chất lỏng trong bình dâng lên chuyển động đến nơi có áp suất thấp (vòi phun) và phun ra với vận tốc lớn (vì vòi phun có tiết diện nhỏ nên theo định luật Bec-nu-li vận tốc phun ra là lớn). Khi phun ra vòi phun do có vận tốc lớn nên chất lỏng phun ra dưới dạng các hạt nhỏ.
Hiện tại vẫn đề rác thải và ô nhiễm môi trường đang ngày càng đặt ra những thách thức cho xã hội. Hiện nay có nhiều loại xe hút rác chuyên dụng trên các đường phố, nông thôn làm nhiệm vụ hút các loại rác, thu gom rác vào thùng nhằm giảm thời gian thu
gom rác và tiết kiệm sức lao động cho công nhân. Giáo viên có thể Hình 16. Xe hút rác
yêu cầu học sinh giải thích nguyên tắc hoạt động cơ bản của bộ phận hút rác từ các loại xe đó sau khi dạy xong bài định luật Béc-nu-li.
Khi chúng ta đi máy bay nếu quan sát ở phía ngoài thì thấy cánh máy bay có lúc kiểu này, lúc kiểu khác, khi xòe, khi khép, đó là cơ chế hoạt động để nâng máy bay lên. Cánh máy bay được sản xuất dựa trên định luật Béc-nu-li (vận tốc
trên của cánh khi vòng lên sẽ tạo ra lực hút. Nó có thể nâng cả chiếc máy bay nặng hàng chục tấn lên trời vì vậy lợi dụng nguyên lí này người ta chế tạo ra máy hút rác để hút rác là không khó. Vận dụng nguyên lý khí động học hàng không bằng cách tạo ra các luồng khí, nên máy có thể nâng rác từ dưới ổ gà lên hay thổi rác từ bệ đường ra để hút…
Và một trong những sản phẩm tại Việt nam là xe hút rác chuyên dụng do hai cha con Phan Đình Phương và Phan Trọng Nghĩa giới thiệu tại hội thảo sáng tạo tại Đà Nẵng ngày 27/4/2005. Xe hút rác khí động học trang bị động cơ Honda 110- 500cc hoặc loại 35HP nhưng có năng suất quét 10-20m2/s, nhanh hơn 20-30 người quét, tiêu thụ xăng E92. Tốc độ di chuyển 15-30km/h, tốc độ quét 3-15km/h, chi phí hút sạch rác bụi cho 1m2 thấp hơn 3 lần so với máy nước ngoài và thấp hơn 3 lần so với quét bằng tay. Năng suất quét thuần túy cực đại khi không có chổi hông là 21.000m2/h, khi có 1 chổi hông là 27.000m2/h, khi có 2 chổi hông là 36.000m2/h (năng suất cực đại 10m2/s). Ngoài ra nông dân có thể dùng ngay máy này để thu gom ngô, thóc, đậu, cà phê và cả muối...
Bài 3: “Ứng dụng của định luật Béc-nu-li”
* Những kiến thức vật lí liên quan đến các hiện tượng tự nhiên, đời sống thực tiễn
Sau khi học xong bài định luật Béc-nu-li thì giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích câu hỏi thực tế: Tại sao ở các sân ga thì các phát thanh viên luôn yêu cầu hành khách đứng cách xa đường ray xe lửa khi có tàu chạy vào sân ga hoặc lúc tàu khỏi hành?
Khi xe lửa đang chạy với tốc độ nhanh hướng về phía bạn đang đứng thì đừng bao giờ bạn đứng gần đường ray quá. Bởi vì bên đoàn tàu đang chạy với tốc độ nhanh đã hình thành một dòng khí, làm cho áp suất động của không khí quanh đó lớn, theo định luật Béc-nu-li dẫn đến áp suất tĩnh của không khí quanh đó nhỏ, gây ra sự chênh lệch áp suất tĩnh giữa không khí bên ngoài và không khí tiếp xúc với tàu. Nếu khi có người đứng gần đường ray xe lửa thì phía trước người chịu áp suất của không khí chuyển động với tốc độ cao sẽ nhỏ hơn áp suất của không khí đứng yên mà phía sau người phải chịu, thân người sẽ bị đẩy về phía xe lửa. Khi xe lửa chạy với tốc độ 50 km/h, ước lượng có một lực đến 8 kilôgam đẩy vào người
đứng bên xe, vì thế khi xe lửa chạy với tốc độ nhanh đừng bao giờ đứng ở nơi quá gần đường ray, điều đó vô cùng nguy hiểm.
Hiện nay để thuận tiện cho việc lưu thông hàng hóa giữa các quốc gia hay các châu lục thì giao thông đường biển cũng phát triển và vấn đề tai nạn giao thông đường biển ngày càng phức tạp do nhiều nguyên nhân trong đó có những nguyên nhân gắn liền với kiến thức vật lí là định luật Béc-nu-li. Các vụ tai nạn tàu thủy cũng sẽ xảy ra khi hai con tàu trên biển chuyển động với vận tốc khá lớn gần như song song và đủ gần. Giáo viên có thể yêu cầu học sinh giải thích tại sao các con tàu lớn khi lưu thông thì chúng phải ở cách nhau một khoảng nhất định.
Đây là câu chuyện có thật xảy ra vào mùa thu năm 1912, chiếc tàu biển
‘Olimpich’ một trong những chiếc tàu lớn nhất thời bấy giờ đang chạy trên mặt biển và đồng thời cách nó 100m chiếc thiết giáp “Hau kơ” nhỏ hơn nhiều cũng đang lao đi gần như song song với nó khi hai con tàu chạy đến một vị trí đủ gần thì chiếc tàu nhỏ gần như phục tùng một lực vô hình nào đó quay đầu về phía con tàu lớn rồi lao thẳng về phía con tàu mũi tàu “Hau kơ” đâm ngang vào tàu “Olimpich” điều này được giải thích dựa vào định luât Béc-nu-li như sau:
Khi hai con tàu đi gần như là song song thì phần biển giữa chúng giống như một “con sông nhỏ” trong các con sông thì thường bờ sông không chuyển động còn ở đây thì ngược lại xem như nước không chuyển động mà bờ sông lại chuyển động nhưng tác dụng của các lực chẳng vì thế mà thay đổi: ở phần hẹp của con sông di động này nước ép vào thành yếu hơn so với khoảng không gian xung quanh tàu hay nói cách khác hai sườn tàu đối diện nhau chịu một chịu một áp suất của nước nhỏ hớn với áp suất phần ngoài tàu nên các tàu sẽ có xu hướng tiến gần nhau, tất nhiên con tàu bé sẽ chuyển hướng rõ rệt còn con tàu lớn thì gần như là đứng yên.
Vào những mùa mưa bão thì có những trường hợp nhà bị tốc mái mặc dù đa phân gió chủ yếu thổi từ trên xuống. Giáo viên có thể cho học sinh quan sát một video liên quan đến hiện tượng này đồng thời yêu cầu học sinh dùng kiến thức về định luật Béc-nu-li để giải thích hiện tượng trên.
Hình 17. Nhà tốc mái
Nếu một cơn gió mạnh thổi xuống mái nhà thì áp suất động xung quanh ở đó tăng theo định luật Béc-nu-li thì áp suất tĩnh ở đó giảm nên áp suất không khí bên trong nhà lớn hơn sẽ có xu hưởng đẩy mái tôn lên phía trên. Tuy các mái nhà đều được thiết kế để chống đỡ một độ chênh lệch áp suất lớn hướng xuống tương đối lớn (như mưa, vật dụng trên mái nhà, tuyết …) nhưng nhiều khi không tính đến một độ chênh lêch áp suất lớn hướng lên do đó có thể làm tốc mái.
Trong bóng đá những quả sút phạt của các cầu thủ có quỹ đạo bóng rất xoáy đó chính là do hiệu ứng Magnus giáo viên có thể cho học sinh quan sát video sút phạt của một cầu thủ bóng đá đồng thời yêu cầu học sinh giải thích hiệu ứng Magnus trong bóng
đá sau khi học xong bài “Định luật Béc-nu-li”. Hình 18. Sút phạt Tại một phía mặt bên của bóng, chiều quay của nó cùng chiều với chuyển động của dòng không khí (giả thiết) và như vậy dòng khí ở mặt bên này sẽ đi nhanh hơn so với dòng khí ở phần giữa gần trục quay của bóng. Theo nguyên lý Béc-nu-li, áp suất tại một mặt bên của bóng, nơi có dòng khí chuyển động nhanh hơn sẽ nhỏ hơn áp suất ở phần giữa. Tại mặt bên kia của bóng thì điều này xảy ra ngược lại, vì tại đó chiều quay của bóng sẽ ngược với chiều chuyển động của dòng khí, làm giảm tốc độ dòng khí và từ đó làm tăng áp suất. Như vậy, có một sự không cân bằng về lực và quả bóng sẽ đi lệch sang một bên. Những hiện tượng như thế này thường được gọi là “hiệu ứng Magnus”.
Vào mùa hè, ngồi trong những con hẻm nhỏ ta thường thấy mát hơn. Giáo viên có thể cho học sinh giải thích khi dạy học kiến thức về định luật Béc-nu-li.
Do con hẻm có tiết diện không gian hẹp hơn những con đường lớn nên khi dòng không khí chuyển động (gió) qua những con hẻm nhỏ sẽ có vận tốc lơn hơn những chỗ rộng (đường lớn). Điều đó làm cho người ngồi trong hẻm nhỏ cảm thấy mát hơn.
Giáo viên có thể cho học sinh làm một thí nghiệm vui + Dụng cụ:
- Một quả bóng bàn.
- Một chiếc máy sấy tóc.
+ Tiến hành:
- Đặt máy sấy tóc có đầu hướng lên trên và khởi động máy. Hình 19 - Thả nhẹ quả bóng rơi xuống đầu máy sấy đang bật.