Tiểu luận vật lý đại cương

Vật lý học bao gồm nhiều lĩnh vực như: điện, quang, vật lý hạt nhân,…nhưng có lẽ lĩnh vực cơ học thì được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, hơn hết là “áp suất, các loại áp suất, định luậ

A - MỞ ĐẦU

I Lời mở đầu

Vật lý là một ngành khoa học chuyên sâu rất thú vị, nó thu hút nhiều nhà khoa học

và hơn hết là những con người có niềm đam mê nghiên cứu một lĩnh vực nào đó nhằm

chứng minh, đưa ra môt công thức mới hay là phát minh ra những định luật mới giúp

cho xã hội, con người ngày càng phát triển theo chiều hướng đi lên chứ không dậm

chân tại 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 cơ học thì được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, hơn hết là “áp suất, các loại

áp suất, định luật becnulli và ứng dụng của chúng”, các ứng dụng của áp suất vào lĩnh

vực đời sống hầu hết được công nhận và áp dụng từ xưa đến nay: máy nén thủy lực,

máy hơi nước của (James Watt),…

Trong vật lý học thì áp suất là một đại lượng vật lý được định nghĩa trên một đơn vị

diện tích nào đó tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt vật thể Mặt khác phần đơn

vị của áp suất khá phức tạp theo pascal, bar, atmosphere, torr, pound lực trên inch vuông,… Về phân loại thì có áp suất chất lỏng, áp suất khí quyển,… Đồng thời ta cũng

sẽ đi tìm hiểu một cách rõ hơn, sâu hơn về định luật becnulli và những ứng dụng thú vị

của chúng

II Lý do chọn đề tài

Đây là một đề tài khá thu vị, liên quan tới những vấn đề thực tiễn trong cuộc sống

xung quanh chúng ta, nó giải đáp được nhiều thắc mắc to lớn như là: vì sao khi hút bớt

không khí bên trong vỏ hộp lại bị bẹp nhiều phía, giải thích được lực để nâng cánh

máy bay, giải thích được tại sao khi lặn xuống sâu người thợ lặn phải mặc bộ áo lặn,…

Thực tế thì ở cấp trung học cơ sở và trung học phổ thông, chúng ta cũng đã tìm hiểu

một cách khái quát về áp suất, các dạng của áp suất cũng như là định luật becnulli

nhưng nó cũng ở mức độ là áp công thức để giải quyết bài tập (tính áp suất, nguyên lý

pascal hay định luật becnulli) chứ chưa thật sự hiểu rõ được chúng

Mặt khác, nhằm giúp cho chúng ta đỡ lo ngại, tự tin hơn với những đơn vị phức tạp

của áp suất hay cách sử dụng các công thức một cách rõ ràng khi áp dụng vào bài tập

đại cương, hiểu rõ hơn về các ứng dụng mà chúng đã đem lại để áp dụng vào trong

thực tế,… và đây cũng chính là lý do mà chúng em quyết định chọn đề tài này

B - NỘI DUNG

I Áp suất

1 Khái niệm áp suất

Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p hoặc P) là một đại lượng vật lý,

được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt của vật thể Trong hệ SI, đơn vị của áp suất bằng Newton trên mét vuông (N/m2),

nó được gọi là Pascal (Pa) mang tên nhà toán học và vật lý người Pháp Blaise Pascal thế kỉ thứ 17 Áp suất 1 Pa là rất nhỏ, nó xấp xỉ bằng áp suất của một đồng đô la tác dụng lên mặt bàn Thường áp suất được đo với tỉ lệ bắt đầu bằng 1kPa = 1000Pa

Phương trình miêu tả áp suất:

2 Đơn vị của áp suất

Trong hệ SI: N/m2 hay kg/(m.s2) còn gọi là Pa: 1Pa=1N/m2 p=d.h NBA

Ngoài ra còn một 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

kỹ thuật (at)

Atmosphere (atm)

Torr (torr) Pound lực

trên inch vuông (psi)

Ví dụ: 1 Pa = 1 N/m2 = 10−5 bar = 10,197×10−6 at = 9,8692×10−6 atm,…

Ghi chú: mmHg là viết tắt của milimét thủy ngân

3 Phân loại áp suất

Với một chiếc đinh ghim nhỏ đầu nhọn, khi tiếp xúc với quả bóng sẽ tạo ra áp suất

đủ lớn để phá vỡ lớp vỏ bóng làm cho bóng bị nổ

Với nhiều chiếc đinh ghim hơn, diện tích tiếp xúc với bề mặt bóng tăng lên làm giảm áp suất dẫn đến tác dụng của áp lực lên quả bóng giảm nên cần phải có nhiều lực hơn mới có thể làm cho quả bóng nổ

Cũng vận dụng kiến thức về áp suất trên, trong các cuộc thi biểu diễn võ thuật các

võ sư cần một bàn chông với nhiều chông hơn để làm giảm áp suất (giảm tác dụng) của

áp lực lên người từ đó có thể thực hiện được các động tác biểu diễn khó nhưng vẫn đảm bảo an toàn

Các loại máy xúc thường được trang bị bánh xích thay vì bánh lốp cao su như ô tô thường nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc với mặt được làm giảm tác dụng của áp lực lên mặt đường nhờ đó mà nó có thể di chuyển được trên các đường lầy lội

5 Giới thiệu một số áp suất

Áp suất lớn nhất tạo được trong phòng thí nghiệm 1,5.1010 Pa

Áp suất dưới đáy biển ở chỗ sâu nhất 1,1.108 Pa

Áp suất của không khí trong lốp xe ô tô 4.105 Pa

Áp suất khí quyển ở mức mặt biển 1.105 Pa

Áp suất bình thường của máu 1,6.104 Pa

II Áp suất khí quyển

Nhà bác học Evangelista Torricelli đã dùng một ống thủy tinh dài 1m một đầu bịt kín rồi đổ thủy ngân vào ống Sau đó ông dùng tay bịt kín đầu còn lại và nhúng vào một chậu đựng thủy ngân Ông nhận thấy thủy ngân trong ống tụt xuống, còn lại khoảng 76 cm tính từ mặt thoáng thủy ngân trong chậu

Như vậy, có thể biết áp suất không khí tại thời điểm Torricelli làm thí nghiệm thì

áp suất không khí là 760mmHg

2 Khái niệm

Trái đất được bao bọc bởi một lớp không khí dày hàng nghìn km gọi là khí quyển

Áp suất khí quyển là áp suất của khí quyển Trái Đất tác dụng lên mọi vật ở bên

trong nó và lên trên bề mặt Trái Đất, hay đơn giản là sức nặng của lượng không khí đè lên bề mặt cũng như mọi vật Trái Đất Càng lên cao, áp suất khí quyển tác dụng vào

vật càng giảm Áp suất khí quyển khác nhau ở các địa điểm, thời điểm khác nhau

Người ta dùng hai đàn ngựa mỗi đàn tám con nhưng vẫn không kéo được hai bán cầu rời ra

→ Khi hút hết không khí trong quả cầu ra thì áp suất trong quả cầu bằng không, trong khi đó vỏ quả cầu chịu tác dụng của áp suất khí quyển từ mọi phía, làm hai quả cầu ép

chặt với nhau

4 Đơn vị đó áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển thường được đo bằng đơn vị át-mốt-phe, ký hiệu là atm: 1 atm =

101325 Pa, đây cũng chính là áp suất khí quyển tại mặt nước biển

Một đơn vị khác để đo áp suất khí quyển là mmHg (milimet thủy ngân) hay gọi

là Torr (1 Torr = 133,3 Pa = 1 mmHg, 760 mmHg= 1 atm) Các đơn vị sau là tương đương, nhưng chỉ viết số thập phân: 760 mmHg (Torr), 29,92 inHg, 14,696 psi, 1013,25 millibars 1 đơn vị áp suất khí quyển tiêu chuẩn là áp suất tiêu chuẩn cho động

cơ điện khí nén, trong hàng không không gian và trong công nghiệp dầu mỏ

5 Ví dụ về áp suất khí quyển trong thực tế

a) Bẻ một đầu ống thuốc nhưng thuốc không chảy ra

b) Trên nắp bình nước có lỗ nhỏ để áp suất không khí trong bình thông với áp suất khí quyển, đẩy nước xuống

III Áp suất chất lỏng

# Tại mọi điểm của chất lỏng áp suất theo mọi phương là như nhau #

2 Điều kiện đóng - trong đường ống dẫn khí, dẫn nước…

Áp suất chất lỏng tại một điểm bất kì trong lòng chất lỏng là giá trị áp lực lên một đơn

vị diện tích đặt tại điểm đó

2.2 Thí Nghiệm

a) Thí nghiệm 1

Một bình hình trụ có đáy C và các lỗ A, B ở thành bình được bọc màng cao su mỏng Hãy quan sát hiện tượng khi ta đổ nước vào bình (Hình 8.3)

+ Màng cao su bị biến dạng chứng tỏ điều gì ?

+ Có phải chất lỏng chỉ tác dụng áp suất lên bình theo một phương như chất rắn hay không ?

Trả lời: Đổ một lượng nước vào trong một bình hình trụ, được bịt bằng màng cao su ở đáy và hai lỗ ở thành bình thấy màng cao su bị biến dạng

+ Các màng cao su bị biến dạng chứng tỏ chất lỏng gây ra áp suất lên đáy bình

và thành bình

+ Chất lỏng gây ra áp suất theo mọi phương chứ không theo một phương như chất rắn

c) Thí nghiệm 3

Hình minh họa áp suất của chất lỏng phụ thuộc vào độ sâu so với

mặt thoáng của chất lỏng Càng ở dưới sâu áp suất của chất lỏng

càng lớn khiến dòng nước phun ra có độ dài lớn hơn

2.3 Công thức tính áp suất chất lỏng

Cũng như chất khí, chất lỏng truyền đi nguyên vẹn áp suất theo mọi phương Phương trình Bernoulli có thể được sử dụng để xác định áp suất tại bất kì một điểm trong chất lỏng Chất lỏng được giả thiết là chất lỏng lý tưởng và không nén được Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng không tồn tại nội ma sát trong lòng chất lỏng, có độ nhớt bằng không Phương trình được viết giữa hai điểm a và b bất kì trong một hệ thống chỉ tồn tại 1 chất lỏng

b b

b a

a

g

v p

z g

v

2 2

2 2



Với:

= vận tốc cột áp (velocity head) hay độ cao thủy lực

Trên cùng một mặt phẳng nằm ngang trong lòng chất lỏng thì tất cả các điểm đều

có áp suất như nhau

Áp suất ở những điểm có độ cao khác nhau thì áp suất cũng khác nhau

• Trong đó: p là áp suất ở đáy cột chất lỏng (N/m2 hay Pa)

d là trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3)

h là độ cao của cột chất lỏng, tính từ điểm tính tới mặt thoáng chất lỏng (m)

Công thức này cũng áp dụng cho một điểm bất

kì trong lòng chất lỏng, chiều cao của cột chất

lỏng cũng là độ sâu của điểm đó so với mặt

thoáng

2.5 Áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối

Áp suất tuyệt đối là tổng áp suất gây ra bởi cả khí quyển và cột chất lỏng tác dụng

lên điểm trong lòng chất lỏng

Ký hiệu: p a

Công thức: p a = p0+h

Trong đó: p là áp suất khí quyển 0

 là trọng lượng riêng của chất lỏng

h là độ sâu thẳng đứng từ mặt thoáng chất lỏng đến điểm được xét

Áp suất tương đối còn gọi là áp suất dư là áp suất gây ra chỉ do trọng lượng của cột

chất lỏng Ngoài ra áp suất tương đối là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển Nếu áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển thì ta được áp suất chân không

Ký hiệu: p tđ , p dư

Công thức: p du =h

2.6 Nguyên lý Pascal

a) Nguyên lý Pascal

Nguyên lý Pascal hay Định luật Pascal (nguyên lý truyền áp lực của chất lỏng) do nhà bác học người Pháp Pascal phát hiện khi lợi dụng tính chất khó nén của nước và nguyên lý bình thông nhau Nhưng thường trong các máy nén thủy lực người ta dùng dầu vì dầu có hệ số ma sát giữa các phân tử nhỏ nên làm giảm hao phí lực tác dụng

b) Phát biểu nguyên lý

Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và của thành bình

Ứng dụng của nguyên lý Pascal sử dụng trong các máy thủy lực

c) Công thức của nguyên lý

h g p

p = ng +

Trong đó: p ng là áp suất tại mặt thoáng của chất lỏng (Pa)

 là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

g là gia tốc trọng trường, thường được lấy giá trị xấp xỉ 9.807 m/s2

h là độ sâu trong lòng chất lỏng tính từ mặt thoáng

1 2 1 2 1

2 1 2 2

.

S

S F

F S

S F S p

Điều này có nghĩa là S2 lớn hơn S1 bao nhiêu lần thì F2 lớn hơn F1 bấy nhiêu lần,

do đó ta có thể dùng tay nhấc cả một chiếc ô tô

Ngoài ra nếu tính thêm độ cao sau mỗi lần nén với H2 là độ cao lên được sau 1 lần nén tạo ra các F2 ở tiết diện S2 và H1 là độ cao sau khi nhấn pít-tông xuống một độ cao

H1 để gây ra lực F1 tại tiết diện S1 thì ta có:

2

1 1

2 1

2

H

H S

S F

Hệ thống cung cấp nước

c) Thí nghiệm, rút ra kết luận

* Thí nghiệm: Đổ nước vào bình có 2 nhánh thông nhau (bình thông nhau) Hãy dựa

vào công thức tính áp suất chất lỏng và đặc điểm của áp suất chất lỏng để so sánh áp suất pA, pB và dự đoán xem khi nước trong bình đã đứng yên thì các mực nước sẽ ở trạng thái nào trong 3 trạng thái ở hình vẽ ?

a) pA > pB b) pA < pB c) pA = pB

* Kết luận: Trong bình thông nhau chứa cùng một chất lỏng đứng yên, các mực chất

lỏng ở các nhánh luôn ở cùng một độ cao (hình c)

2.8 Vận dụng về áp suất khí quyển trong thực tế

a) Khi lặn xuống sâu người thợ lặn phải mặc bộ áo lặn chịu được áp suất lớn Vì khi lặn sâu dưới lòng biển, áp suất do nước biển gây ra lên đến hàng ngàn N/m2, người thợ lặn nếu không mặc áo lặn thì không thể chiụ được áp suất này

b) Việc sử dụng chất nổ để đánh bắt cá

- Khi ngư dân cho nổ mìn dưới biển sẽ gây áp suất lớn, áp suất này truyền theo mọi phương gây tác động mạnh trong một vùng rộng lớn Dưới tác động của áp suất này, hầu hết các sinh vật trong vùng đó đều bị chết



-Việt đánh bắt bằng chất nổ có tác hại :

+ Hủy diệt sinh vật biển

+ Ô nhiễm môi trường sinh thái

+ Có thể gây chết người nếu không cẩn thận

• Tuyên truyền để ngư dân không sử dụng chất nổ để đánh bắt cá

chất lỏng chứa trong nó làm bằng vật liệu không

trong suốt Theo nguyên tắc bình thông nhau,

mực chất lỏng trong bình A luôn bằng mực chất lỏng ta nhìn thấy trong thiết bị B Thiết bị này gọi là ống đo mực chất lỏng

- Áp dụng theo nguyên tắc bình thông nhau để làm các đài phun nước

- Theo nguyên tắc bình thông nhau các bình nước thường được đặt ở vị trí cao

IV Định luật Becnuli

1) Lịch sử

- Trong thủy động lực học, nguyên lý Bernoulli phát biểu rằng đối với một dòng chất lưu không dẫn nhiệt không có tính nhớt, sự tăng vận tốc của chất lưu xảy ra tương ứng đồng thời với sự giảm áp suất hoặc sự giảm thế năng của chất lưu Nguyên lý này đặt theo tên của Daniel Bernoulli, ông đã công bố nó trong quyển sách của mình

Hydrodynamica vào năm 1738

- Nguyên lý Bernoulli áp dụng được cho nhiều loại chất lưu, chúng thể hiện qua kết quả khi viết dưới dạng phương trình Bernoulli Thực tế, có các dạng phương trình Bernoulli khác nhau cho những loại chất lưu khác nhau Nguyên lý Bernoulli thỏa mãn cho trường hợp dòng chảy không nén được (ví dụ cho dòng chất lỏng) và cho cả dòng chảy nén được (ví dụ đối với khí) chuyển động nhỏ hơn tốc độ âm thanh Các dạng phức tạp hơn ở một số trường hợp có thể áp dụng cho trường hợp dòng chảy nén được chuyển động với vận tốc lớn hơn

2) Định luật Becnuli cho ống dòng nằm ngang:

- Béc-nu-li (Daniel Bernoulli, 1700-1782, nhà bác học người Thụy Sĩ) đã thiết lập phương trình liên hệ giữ áp suất p và vận tốc v tại các điểm khác nhau trên một ống dòng như sau:

- Đây là định luật becnuli và được phát biểu như sau: Trong một ống dòng nằm

ngang, tổng áp suất tĩnh và áp suất động tại một điểm bất kì là hằng số

- Từ phương trình trên suy ra:

+ Áp suất tĩnh p tại các điểm khác nhau của ống nằm ngang phụ thuộc vào vận tốc tại điểm ấy Ở chỗ nào vận tốc v lớn (ống dòng có tiết diện nhỏ) thì áp suất tĩnh p nhỏ Chỗ nào tốc độ nhỏ thì áp suất tĩnh lớn (ống dòng có tiết diện lớn)

+ Số hạng 1 2

2 người ta gọi đó là áp suất động Ta thấy áp suất toàn phần tại mọi điểm trên ống nằm ngang là như nhau (Áp suất toàn phần: tổng áp suất tĩnh và áp suất động khi xét một điểm trên đường dòng)

3) Ứng dụng của định luật

* Đo áp suất tĩnh:

Đặt một ống thủy tinh hở hai đầu, miệng ống song song vối dòng chảy Áp suất tĩnh tỉ lệ với độ cao của cột chất lỏng

* Đo áp suất toàn phần:

Dùng ống hình trụ hở hai đầu, một đầu uốn vuông góc với dòng chảy, đặt miệng ống vuông góc với dòng chảy, áp suất toàn phần tỉ lệ với độ cao của cột chất lỏng

*Lực nâng cánh máy bay:

Để nghiên cứu tác dụng của không khí lên cánh máy bay, ta coi máy bay đứng yên

và không khí chuyển động thành dòng theo chiều ngược lại với vận tốc Ta thấy ở phái trên, các dòng không khí xít vào nhau hơn so với phần phí dưới cán Vận tốc phần không khí ở phía trên lớn hơn vận tốc không khí phần phía dưới cánh Do vậy, áp suất tĩnh ở phía trên nhỏ hơn áp suất tĩnh phần phía dưới tạo nên một lực nâng máy bay Trong thực tế thì cánh máy bay có thể đặt chếch lên trên tạo nên lực nâng lớn hơn

* Ngoài ra trong kĩ thuật và trong đời sống có các dụng cụ như: lọ nước hoa, bình tưới cây, bình phun thuốc trừ sâu,…cũng hoạt động dựa trên nguyên tắc định luật becnuli

❖ Nguồn truy cập:

Sách giáo khoa lớp 10, sách giáo khoa lớp 8

Vatlypt.com, vi.wikipedia.org, tailieu.vn, baigiang.violet.vn, 123doc.org