Sử dụng tiếng anh cho vật lí trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu

Hoàng Văn Quyết khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Vật lí đại cương với đề tài “Sử dụng tiếng anh cho vật lí trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu” được hoàn thành bởi chín

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ -

ĐỖ PHƯƠNG THẢO

SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN

CƠ HỌC CHẤT LƯU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ -

ĐỖ PHƯƠNG THẢO

SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN

CƠ HỌC CHẤT LƯU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý đại cương

Người hướng dẫn khoa học

GV ThS HOÀNG VĂN QUYẾT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ -

ĐỖ PHƯƠNG THẢO

SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN

CƠ HỌC CHẤT LƯU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý đại cương

Người hướng dẫn khoa học

GV ThS HOÀNG VĂN QUYẾT

LỜI CẢM ƠN

Trước khi trình bày nội dung chính của khóa luận, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Hoàng Văn Quyết người đã định hướng chọn đề tài và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành khóa luận này

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo giảng dạy chuyên ngành Vật lý đại cương trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè

đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình học tập để tôi hoàn thành khóa luận này

Hà Nội, tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Đỗ Phương Thảo

LỜI CAM ĐOAN

Dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Văn Quyết khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Vật lí đại cương với đề tài “Sử dụng tiếng anh cho vật lí trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu” được hoàn thành bởi chính sự nhận thức của bản thân, không trùng với bất cứ khóa luận nào khác

Trong khi nghiên cứu khóa luận, tôi đã kế thừa những thành tựu của các nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn

Hà Nội, tháng 05 năm 2018

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Đóng góp của đề tài 2

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THYẾT 3

1.1 TĨNH HỌC CHẤT LƯU 3

1.1.1 Một số khái niệm mở đầu 3

1.1.2 Phương trình cân bằng của chất lưu 4

1.1.3 Sự phân bố áp suất trong chất lưu 5

1.1.4 Nguyên lí Pascal 6

1.1.5 Định luật Archimedes 6

1.2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU LÍ TƯỞNG 7

1.2.1 Một số khái niệm 7

1.2.2 Phương trình liên tục 8

1.2.3 Định luật Bernoulli 9

1.2.4 Hệ quả và ứng dụng của định luật Bernoulli 10

1.3 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU THỰC 11

1.3.1 Định luật Poiseuille 11

1.3.2 Số Reynolds 12

1.4 CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN TRONG CHẤT LƯU 12

1.4.1 Lực cản ma sát 13

1.4.2 Lực cản áp suất 13

1.4.3 Lực nâng 14

CHƯƠNG 2: PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN CƠ HỌC CHẤT LƯU 15 2.1 Exercises about pressure and the Pascal’s Principle 15

2.2 Exercises about buoyancy and Archimedes’s Principle 19

2.3 Exercises about fluid flow and the equation of continuity 23

2.4 Exercises about Bernoulli’s Equation 25

2.5 Exercises about Poiseuille’s Equation 28

2.6 Exercises about friction resistance, pressure resistance, viscosity30 KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

MỞ ĐẦU

1.Lí do chọn đề tài

Thời đại mà chúng ta đang sống là thời đại phát triển bùng nổ của tri thức nhân loại Sống trong thời đại ấy mỗi dân tộc đều phải tìm cách hội nhập Khó khăn chung của đại đa số các nước đang phát triển là do điều kiện lịch sử mang lại, khoảng cách với các nước phát triển không những đã lớn mà còn có khuynh hướng ngày càng lớn hơn và đất nước ta cũng không nằm ngoài những khó khăn chung đó.Vì vậy để đẩy nhanh tốc độ chúng ta cần phải học hỏi kinh nghiệm của các nước tiên tiến và vận dụng một cách sáng tạo để tìm

ra con đường phát triển riêng

Trong chiến lược xây dựng và phát triển, yếu tố đóng vai trò quyết định

sự phát triển thành công là con người Với yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực có trình độ cao đáp ứng với sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, giáo dục - đào tạo đang đối mặt với những thách thức lớn điều đó đòi hỏi ngành giáo dục cần tạo ra những bước tiến mới trong sự nghiệp phát triển giáo dục đào tạo: không ngừng đổi mới giáo dục về cả nội dung, phương pháp

và hình thức tổ chức; chú trọng nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực đặc biệt là nguồn nhân lực chất lượng cao nhằm đáp ứng yêu cầu của xã hội

Cụ thể trong việc Bộ giáo dục xuất bản và đưa sách song ngữ vào giảng dạy thay thế cho sách sử dụng tiếng mẹ đẻ trước đây

Trên thực tế việc lồng ghép tiếng anh vào giảng dạy ở các môn học nói chung và môn vật lý nói riêng thực sự là điều rất cần thiết và trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Trước những nhu cầu đó của xã hội, tôi quyết định chọn“ Sử dụng tiếng anh cho vật lý trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu” làm

đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

- Phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu bằng tiếng anh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Các kiến thức phần cơ học chất lưu và tiếng anh cho chuyên ngành Vật lý

- Phạm vi: Xét trong Vật lý cổ điển

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Trình bày logic khoa học lý thuyết phần cơ học chất lưu

- Phân dạng các bài toán cơ học chất lưu bằng tiếng anh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu

6 Đóng góp của đề tài

- Làm tài liệu tham khảo cho học sinh phổ thông và sinh viên

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THYẾT 1.1 TĨNH HỌC CHẤT LƯU

1.1.1 Một số khái niệm mở đầu

Chất lưu bao gồm chất lỏng và chất khí là những chất dễ chảy, dễ trượt

Về mặt cơ học chất lưu có thể quan niệm là một môi trường liên tục tạo thành bởi các chất điểm liên kết với nhau bằng những nội lực tương tác (nói chung

là lực hút) Các chất lưu có tính chất tổng quát sau:

- Chúng có hình dạng không xác định (phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa)

- Các chất lưu bao gồm các chất lưu dễ nén (chất khí) và các chất lưu khó nén (chất lỏng) Khi chất lưu bị nén (hay giãn) trong chất lưu xuất hiện những lực đàn hồi tác dụng, gọi là lực biến dạng đàn hồi thể tích

- Khi một chất lưu chuyển động, giữa các lớp chất lưu chuyển động với những vận tốc khác nhau, có những lực tương tác gọi là lực nội ma sát hay lực nhớt Nếu có hai lớp chất lưu chuyển động với những vận tốc lần lượt là v và 1

Chất lưu lí tưởng: Chất lưu lí tưởng là chất lưu hoàn toàn không nén

được và trong chất ấy không có lực nhớt tác dụng Nói cách khác, trong chất lưu lí tưởng chỉ có lực biến dạng đàn hồi thể tích tác dụng mà không có lực biến dạng đàn hồi trượt tác dụng

Hệ quả: Lực tương tác giữa các lớp chất lưu lí tưởng luôn luôn vuông

góc với mặt tiếp xúc giữa các lớp Nói cách khác, lực tương tác giữa các phần

tử chất lưu lí tưởng xung quanh lên phần tử chất lưu ta xét luôn vuông góc với

bề mặt

Một chất lưu không lí tưởng gọi là một chất lưu thực Theo định nghĩa

như vậy thì mọi chất lưu đều là chất lưu thực Tuy nhiên, một chất lỏng rất

linh động (không nhớt) và vận tốc chuyển động giữa các lớp chất lưu là nhỏ

có thể tạm coi là chất lưu lí tưởng

1.1.2 Phương trình cân bằng của chất lưu

Xét một phần tử chất lưu có dạng hình trụ, trục của nó song song với trục

0x , diện tích đáy là dS , chiều dài dx

Lực tác dụng lên phần tử này có

hai loại: lực mặt và lực khối Lực mặt là

lực của các phần tử xung quanh tác dụng

lên phần tử này, luôn vuông góc với mặt

giới hạn của nó Lực khối là lực tác

dụng lên toàn thể tích phần tử chất lưu

Hình chiếu của lực mặt trên phương trục 0x tác dụng lên phần tử chất

lưu chính bằng hợp lực tác dụng lên hai đáy là p dS x và px dx dS Các lực

tác dụng lên mặt xung quanh đều vuông góc với 0x nên hình chiếu của chúng

lên 0x bằng không, p là áp suất Vậy, hình chiếu của lực mặt tác dụng lên

Ta thấy tổng hình chiếu này tỉ lệ với dV , nên ta có hình chiếu của lực mặt tác dụng lên một đơn vị thể tích chất lưu trên phương trục 0x là:

 x

P F

x



 

Lực này xuất hiện do sự thay đổi của áp suất trong lòng chất lưu

Tương tự ta có hình chiếu của lực mặt tác dụng lên một đơn vị thể tích

chất lưu trên phương 0 y và 0z là: F y P;F z P

Khi chất lưu ở trạng thái cân bằng, tổng các lực tác dụng lên từng phần

tử của chất lưu phải bằng không Từ    1 , 2 ta có:

gradP dV gdV

hay gradPg (3) Phương trình  3 là phương trình thủy tĩnh học hay phương trình cân bằng của chất lưu

1.1.3 Sự phân bố áp suất trong chất lưu

Ở trạng thái cân bằng, áp suất chất

lưu là như nhau trên mỗi mặt phẳng nằm

ngang (mặt đẳng áp là những mặt phẳng

ngang) Mặt thoáng chất lưu phải là một

mặt phẳng nằm ngang vì nó chính là một Hình 1.2

mặt đẳng áp có áp suất bằng áp suất khí quyển Vậy, mặt thoáng chất lưu cân bằng không phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa Nếu bình gồm nhiều nhánh thông nhau thì mặt thoáng trong các nhánh phải có cùng độ cao (nguyên tắc bình thông nhau) tất nhiên ở đây ta đã bỏ qua sự dính ướt

Sự phụ thuộc áp suất vào độ sâu:

(4) Trong đó: P là áp suất tại mặt thoáng 0 z0

z là độ sâu của điểm khảo sát đối với mặt thoáng

Từ  4 ta có hiệu áp suất giữa hai điểm A và B có độ sâu z và A z là: B

1.1.4 Nguyên lí Pascal

Nguyên lí: Trong một chất lưu lí tưởng ở trạng thái cân bằng thì áp suất tại mỗi điểm là như nhau theo mọi phương và bất kỳ một độ tăng áp suất nào cũng được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm trong toàn khối chất lưu

Ứng dụng: Nguyên lí Pascal được vận dụng làm máy ép thủy tĩnh, áp kế,

- Lực mặt tác dụng vuông góc với mặt S tại mỗi điểm, phần mặt S ở

càng sâu chịu tác dụng càng lớn Do đó, tổng lực mặt tác dụng lên khối chất lưu hướng lên trên và có độ lớn là: FdV F A

Khi chất lưu cân bằng, tổng các lực tác dụng lên khối chất lưu bằng không:

Nội dung định luật: Bất cứ một

vật rắn nào nằm trong chất lưu đều chịu tác dụng một lực đẩy từ dưới lên trên, lực này có điểm đặt tại trọng tâm của phần chất lưu bị vật choán chỗ và có cường độ bằng trọng lượng của phần chất lưu bị vật ấy choán chỗ

1.2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU LÍ TƯỞNG

1.2.1 Một số khái niệm

Hình 1.3

Để khảo sát chuyển động của chất lưu ở trạng thái dừng người ta dựa vào khái niệm đường dòng và ống dòng

Đường dòng: Đường dòng là những đường cong mà tiếp tuyến với nó tại

mỗi điểm trùng với giá của vectơ vận tốc hạt chất lưu tại điểm đó ở thời điểm

nhỏ sao cho vận tốc của các hạt chất

lưu ở mỗi tiết diện của ống được coi là

như nhau Lượng chất lưu chảy qua

tiết diện S và 1 S của ống trong thời 2

gian dt là:

1 1 1 1

2 2 2 2

,

Hệ quả: ở nơi tiết diện ngang của ống dòng càng nhỏ (đường dòng càng

mau) vận tốc của chất lưu càng lớn và ngược lại

1.2.3 Định luật Bernoulli

Xét chuyển động của một khối

chất lưu ở trạng thái dừng trong một

ống dòng giới hạn bởi hai tiết diện S 1

và S trong trường trọng lực Giả thiết 2

ống dòng đủ nhỏ để vận tốc và áp suất

ở mỗi tiết diện là không đổi

Gọi P v là áp suất và vận tốc 1, 1

chất lưu ở tiết diện S ; Hình 1.5 1

P v là áp suất và vận tốc chất lưu ở tiết diện 2, 2 S2

Ta có độ biến thiên cơ năng của đoạn ống ấy trong khoảng thời gian dt là:

Theo định luật biến thiên cơ năng thì độ biến thiên ấy bằng công của

ngoại lực tác dụng lên lượng chất lưu đó:

2v ghP có giá trị như nhau tại mọi tiết diện của ống dòng

Kết luận trên càng chính xác khi tiết diện của ống dòng càng nhỏ để có thể coi tại mọi tiết diện của ống áp suất và vận tốc của các hạt chất lưu là như nhau Điều đó chỉ hoàn toàn đúng khi tiết diện của ống dòng tiến tới không, nghĩa là ống dòng thu về một đường dòng Vậy ta có thể biểu diễn kết quả trên một cách chính xác như sau:

Dọc theo một đường dòng ở trạng thái dừng thì đại lượng

S ở phía dưới có độ sâu h đối với mặt thoáng

chất lưu Phương trình viết cho tiết diện S 0

của bình và tiết diện S của lỗ nhỏ là: 1

Vì S0 S , từ phương trình liên tục ta có: 1 1

00

rơi tự do đạt được sau khi cũng đi được độ cao h

Công thức  7 được gọi là công thức Torricelli

 Hiện tượng vòi phun

Ta biết, trong ống dòng nằm ngang chỗ

nào có tiết diện nhỏ thì vận tốc đường dòng

lớn và áp suất tĩnh nhỏ Hiên tượng này được

ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và sinh hoạt

hàng ngày Hình 1.7 mô tả một bơm phun

Luồng khí chuyển động trong một ống từA

đến M Tại M vì tiêt diện của ống nhỏ nên

áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển Chất lỏng

trong bình được hút lên M và phun ra ngoài

cùng luồng khí

Hiện tượng phun được ứng dụng vào chế tạo bộ hòa khí (cacbuaratơ) của động cơ đốt trong, chế tạo các loại bình bơm như bình bơm thuốc trừ sâu, bình xịt nước hoa, súng phun sơn, …

Trong đó : R bán kính bên trong của ống :

Nội dung: Lượng chất lưu chảy qua một ống thẳng trong một đơn vị thời

gian tỉ lệ với hiệu áp suất ở hai đầu ống, tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của bán kính ống, tỷ lệ nghịch với độ dài ống và hệ số nhớt của chất lưu

1.3.1 Số Reynolds

Bằng thực nghiệm khi nghiên cứu chuyển động của chất lưu trong một ống Reynolds đã tìm thấy tính chất của dòng chảy phụ thuộc vào một đại lượng không thứ nguyên R được gọi là số Reynolds e

v là vận tốc trung bình theo tiết diện ống

 là hệ số nhớt của chất lưu

1.4 CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN TRONG CHẤT LƯU

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi có sự chuyển động tương đối của vật đối với chất lưu thì xuất hiện các lực tác dụng lên vật mà hợp lực của nó được kí hiệu là R

Người ta phân tích R thành hai thành phần

+ Một thành phần hướng ngược chiều chuyển động của vật rắn với chất lưu được gọi là lực cản

cầu bán kính r chuyển động đối với chất

lưu ta thấy các lớp chất lưu chuyển động

quanh vật một cách đối xứng Lực cản tác

dụng ở đây chỉ là lực ma sát – lực nhớt

 F ms tác dụng lên vật

Biểu thức của lực cản ma sát phải có dạng: F ms k v r 0

Hệ số tỉ lệ k phụ thuộc vào hình dạng của vật Thực nghiệm cho thấy đối với vật hình cầu k 6 Vậy khi một vật hình cầu chuyển động trong chất lưu thực với vận tốc v0 nhỏ thì chịu tác dụng của lực nhớt có giá trị:

F ms 6rv0  8 Công thức  8 được gọi là công thức S tốc

1.4.2 Lực cản áp suất

Thực nghiệm cho thấy khi vận tốc

tăng đến giá trị ứng với số Reynolds dạt

giá trị tới hạn R thì chế độ chảy thành eth

lớp của chất lưu bị phá vỡ Các đường

dòng phía sau vật tách ra và tạo thành

những cuộn xoáy, sự đối xứng của đường

Hình 1.8

dòng xung quanh vật bị phá vỡ, do vậy làm mất tính đối xứng của trường áp suất bao quanh vật hình cầu

Từ thực nghiệm và lí thuyết (dựa trên công thức định luật Bernoulli) cho thấy lực cản áp suất phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lưu và bình phương vận tốc chuyển động tương đối giữa vật và chất lưu  2

v và chế độ xoáy tức hình dạng kích thước của vật

Biểu thức của lực cản áp suất: 1 2

Vật chuyển động trong chất lưu

ngoài lực cản còn có lực nâng hay lực hạ

tùy theo hình dạng của vật

Khảo sát chuyển động của vật có

dạng nửa hình trụ chuyển động trong

chất lưu lí tưởng F nh 0 Từ sự phân

bố đường dòng ta dễ dàng thấy P AP B

Do vậy, hợp lực của áp lực tác dụng lên vật cho ta lực F hướng từ dưới lên

trên Lực này gọi là lực nâng

Lực nâng được vận dụng trong kỹ thuật chế tạo các loại máy bay, tầu ngầm

Hình 1.10

CHƯƠNG 2: PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN CƠ HỌC CHẤT LƯU 2.1 Exercises about pressure and the Pascal’s Principle

Exercise 2.1.1

a) Determine the total force and the absolute pressure on the bottom of a

swimming pool 28.0m by 8.5m whose uniform depth is 1.8 m

b) What will be the pressure against the side of the pool near the bottom?

Exercise 2.1.2 In the hydraulic system

shown in the diagram, the 200kg cylinder

has a cross-sectional area of 50.0cm2 The

cylinder on the right has a cross-sectional

area of 2

2.50cm Fig 2.1

a) Determine the weight  F required to hold the system in equilibrium b) If the left-hand cylinder is pushed down 10cm , determine through what distance F will move

Solution

a) Apply Pascal’principle :