Giáo án môn Vật lý 11 - Bài 1 đến bài 4

 CHƯƠNG 5: CƠ HỌC CHẤT LƯU
 § 1. CHẤT LƯU LÀ GÌ
Ðặc điểm của chất lưu 
+ Chất lưu bao gồm cả chất lỏng và chất khí. Về mặt cơ học có thể coi chất lưu như một môi trường liên tục tạo thành bởi các chất điểm liên kết với nhau nhờ những nội lực tương tác, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. 
+ Các phân tử chất lưu lỏng và khí liên kết với nhau không bền vững. Trong chuyển động hỗn loạn của mình, các hạt phân tử có thể chuyển động tương đối với nhau một cách hoàn toàn ngẫu nhiên, điều này giải thích tại sao chất lưu luôn có hình dạng thay đổi mà không phải cố định như vật rắn. 
+ Ở điều kiện bình thường khoảng cách trung bình giữa các hạt phân tử chất lỏng hầu như không đổi ngay cả trong quá trình chuyển động hỗn loạn, nên chất lỏng không có hình dạng riêng (có hình dạng của bình đựng nó), nhưng có thể tích hầu như không đổi. Vì vậy chất lỏng được xem là không chịu nén dưới tác động của ngoại lực. 
+ Các phân tử chất khí liên kết yếu với nhau, vì thế khối không khí không có hình dạng riêng cũng như không có thể tích riêng của mình. Trong chất khí, lực đẩy của các phân tử chỉ xuất hiện khi các phân tử bị nén đến một khoảng cách khá nhỏ. Ở điều kiện bình thường chất khí bị nén dễ dàng. 
+ Khi chất lưu nhớt chuyển động, các lớp của nó chuyển động với những vận tốc khác nhau, xuất hiện lực nội ma sát, lớp chuyển động nhanh kéo lớp chuyển động chậm, lớp chuyển động chậm ngăn cản lớp chuyển động nhanh.
+ Chất lưu lí tưởng (không nhớt - không có nội ma sát giữa các lớp chất lưu). 
 § 2. CHẤT LƯU Ở TRẠNG THÁI NGHỈ
 2.1. Khối lượng riêng và áp suất 
 2.1.1. Khối lượng riêng 
Trong môi trường chất lưu liên tục và đồng nhất, khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích chất lưu đó.
Ðối với chất lỏng người ta còn sử dụng khái niệm tỉ trọng:
Tỉ trọng của một chất lỏng nào đó là tỉ số của khối lượng riêng chất lỏng đó đối với khối lượng riêng của nước nguyên chất ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất. 
Tỉ trọng là một đại lượng không có đơn vị
 2.1.2. Áp suất 
 Áp lực 
Khi bơi lội thật sâu trong nước ta cảm thấy tai bị đau, đó là do áp lực của nước đè lên màng nhĩ. Khi có một vật rắn tiếp xúc với chất lỏng thì các phân tử của chất lỏng sẽ tác dụng lực vào vật rắn tiếp xúc với nó. Lực tác dụng này được phân bố trên toàn bộ diện tích tiếp xúc.  
 Nguyên nhân tạo ra áp suất 
Vì phân tử của chất lưu luôn luôn chuyển động hỗn loạn nên khi nó va chạm vào bề mặt tiếp xúc với vật rắn, nó truyền xung lượng cho vật rắn. Vậy sự biến thiên xung lượng của các phân tử chất lưu là nguyên nhân tạo ra áp lực lên mặt tiếp xúc. 
 2.1.2. Áp suất 
Áp suất p của chất lưu tại điểm ta khảo sát:
Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Pa (Paxcan) 
Trong kỹ thuật
 + atmotphe (atm) = 760 mmHg = 760 Torr
 + Torr bằng áp suất gây bởi cột thủy ngân cao 1 mm.
 ÐỊNH LUẬT PASCAL 
 Trạng thái cân bằng của chất lưu 
Trạng thái mà ở đó không có sự chuyển động tương đối giữa các phần khác nhau trong chất lưu với nhau, ta bỏ qua sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất lưu. 
 Một ly nước đứng yên trên bàn là một ví dụ về trạng thái cân bằng.
 Ðịnh luật Pascal 
Khi chất lưu ở trạng thái cân bằng thì áp suất tại một điểm trong lòng chất lưu là phân bố đều theo mọi phương. Nghĩa là áp suất tại điểm đó phân bố theo mọi phương có độ lớn bằng nhau. 
Ðể chứng minh ta xét một lăng trụ tam giác vuông rất nhỏ (OABCMN) được tách ra một cách tưởng tượng bên trong lòng chất lỏng. Ba cạnh đáy của hình lăng trụ là : OA = x , OB = y và AB.
Khi khối lăng trụ co lại thành một điểm, áp suất PA, PB, PAB là các áp suất của cùng một điểm bên trong chất lỏng. 
 Mặt khác, vì sự định hướng của khối lăng trụ là tùy ý tức là phương của OA, OB, AB có thể chọn bất kỳ nên ta đi đến kết luận là áp suất trong chất lỏng tại một điểm theo mọi phương là như nhau. 
Nếu chất lỏng đứng yên và chịu tác dụng của một áp suất nào đó từ bên ngoài thì áp suất đó sẽ được chất lỏng truyền đi theo mọi phương với cùng độ lớn. 
 ÐỊNH LUẬT ARCHIMÈDE
 2.2. Định luật cơ bản của chất lưu ở trạng thái nghỉ 
Xét một mẫu chất lỏng diện tích mặt đáy S, nằm cân bằng trong khối chất lỏng.
Mặt (1) ở độ sâu y1, áp suất p1; 
Mặt (2) ở độ sâu y2, áp suất p2.
Thể tích của mẫu chất lỏng : S(y2-y1).
Khối lượng của mẫu chất lỏng : ρS(y2-y1).
Các ngoại lực p1S; p2S; mg.
Để làm rõ áp suất áp kế ta xét một phong vũ biểu thủy ngân. 
 Một ống thủy tinh dài chứa đầy thủy ngân, lộn ngược ống và cho miệng ống chìm trong một chậu thủy ngân. Khoảng không gian trên cột thủy ngân chỉ chứa hơi thủy ngân có áp suất không đáng kể. 
 Ví dụ 5.1
Một ống chử U chứa hai chất lỏng ở trạng thái tĩnh, nhánh phải chứa nước có khối lượng riêng ρn, nhánh trái chứa dầu có khối lượng riêng ρd. Phép đo cho thấy l và d. Xác định khối lượng riêng của dầu ρd.
 § 3. CHẤT LƯU LÝ TƯỞNG CHUYỂN ĐỘNG
 3.1. Định luật bảo toàn dòng
 Ta nghiên cứu chất lưu lý tưởng là chất lưu không nén, không có nội ma sát, chuyển động dừng (chảy ổn định – vận tốc chất lưu tại bất kỳ điểm cố định nào cũng không thay đổi theo thời gian).
Một chất lưu mà trong đó không có nội ma sát và không chịu nén thì được gọi là chất lưu lý tưởng.
+ Đường dòng: Là đường vạch bởi một phần tử rất nhỏ của hạt chất lưu trong quá trình chảy ổn định. Véc tơ vận tốc tại một điểm bất kỳ bao giờ cũng tiếp tuyến với đường dòng tại điểm đó. Các đường dòng không cắt nhau. 
+ Đường dòng: Là đường vạch bởi một phần tử rất nhỏ của hạt chất lưu trong quá trình chảy ổn định. Véc tơ vận tốc tại một điểm bất kỳ bao giờ cũng tiếp tuyến với đường dòng tại điểm đó. Các đường dòng không cắt nhau. 
Đường dòng là đường cong mà tiếp tuyến tại mọi điểm của nó có phương trùng với vetơ vận tốc của trường ở thời 
điểm t .
Đường dòng cho ta hình ảnh về phương vận tốc tại mỗi điểm trong không gian.
Đường dòng khác với quỹ đạo của hạt chất lỏng. 
 Đường dòng là đường mà tiếp tuyến của nó trùng với những vectơ vận của hạt chất lỏng khác nhau ở cùng một thời điểm t.
 Quỹ đạo của hạt chất lỏng là đường cong do hạt ấy vạch nên trong không gian theo thời gian. 
Nếu chuyển động của chất lỏng là dừng thì đường dòng không thay đổi theo thời gian và bấy giờ đường dòng trùng với quỹ đạo của hạt chất lỏng. 
+ Ống dòng: 
 Tập hợp các đường dòng tựa trên một đường cong kín được gọi là ống dòng. 
 Các hạt chất lỏng chuyển động trong ống dòng không thể đi ra ngoài ống dòng được.
 Định luật bảo toàn dòng
 Phương trình còn được gọi là phương trình liên tục 
Phát biểu: Ðối với một ống dòng đã cho, tích của vận tốc chảy của chất lưu lý tưởng với tiết diện thẳng của ống tại mọi nơi là một đại lượng không đổi. 
Ý nghĩa: Khi chất lưu chảy trên một đường ống có tiết diện khác nhau thì vận tốc nhỏ ở những nơi có tiết diện lớn và vận tốc lớn ở những nơi có tiết diện nhỏ. 
3.2. Định luật Bécnul
 Khảo sát chuyển động dừng của chất lưu lý tưởng trong trọng trường. 
 Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho chuyển động này 
Ví dụ 5.2 
 Tìm vận tốc mà chất lỏng chảy ra từ một lỗ nhỏ bên cạnh bình có tiết diện ngang lớn, nếu lỗ nằm cách mặt thoáng0,2 m (cho g = 10 m/s2). 
 Trong chất lưu lý tường chảy dừng áp suất toàn phần 
gồm áp suất động, áp suất thủy lực và áp suất tĩnh thì như
nhau đối với tất cả tiết diện ngang của ống.
 § 4. HIỆN TƯỢNG NỘI MA SÁT
 1. Định luật Stốc (Stockes)
 2. Sự rơi của vật trong chất lưu. Vận tốc tới hạn
§ 5. HỆ SỐ NỘI MA SÁT
Trong chất lưu thực chuyển động bao giờ cũng có các lực nội ma sát, xuất hiện giữa các lớp chất lưu chuyển động đối với nhau. Các tính chất của chất lưu có liên quan đến sự xuất hiện của lực nội ma sát thì gọi là tính nhớt.
Hệ số nhớt của chất lưu là đại lượng đặc trưng cho mức độ mà chất lưu gây ra hiện tượng nội ma sát.
a) Nguyên nhân gây ra ma sát bên trong chất lưu?
 Khảo sát tương tác giữa hai lớp chất lưu chuyển động dừng ở cách nhau một khoảng dy, có vận tốc tương ứng là v và (v +dv). Khi chất lưu chuyển động, lớp phân tử chất lưu này tương tác với lớp phân tử chất lưu khác bằng những lực tương tác phân tử. Mặt khác có trao đổi phân tử tức là trao đổi xung lượng giữa hai lớp với nhau: các phân tử chuyển động từ lớp chuyển động nhanh sang lớp chuyển động chậm sẽ làm tăng tổng xung lượng của lớp chuyển động chậm. Ngược lại những phân tử chuyển từ lớp chuyển động chậm sang lớp chuyển động nhanh sẽ làm giảm tổng xung lượng của lớp chuyển động nhanh. Sự trao đổi xung lượng và sự tương tác phân tử giữa các lớp sinh ra hiện tượng ma sát bên trong chất lưu. 
b) Độ lớn của lực ma sát bên trong chất lưu