Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Bài: Định luật Bernoulli

Bài: Định luật Bernoulli Định luật này là một định luật quan trọng của chất lỏng và chất khí, nó có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống. Tuy nhiên nội dung bài học này trong sách giáo khoa lại được trình bày theo trật tự rất khiên cưỡng dẫn tới học sinh phải chấp nhận nhiều khái niệm. Bài học bắt đầu từ: Điều kiện chảy ổn định của chất lỏng, sau đó là thí nghiệm, định luật... Đi theo trật tự này giáo viên không thể tổ chức hoạt động học tập giải quyết vấn đề cho học sinh vì ngay từ đầu học sinh không biết tại sao lại phải học về sự chảy ổn định, nó liên quan như thế nào đến định luật sẽ học... đồng thời cách trình bày định luật như trong sách làm cho giáo viên không có cách nào khác ngoài việc truyền thụ một chiều nội dung này, hoặc chỉ cho học sinh hoạt động một cách thụ động để hiểu kiến thức trong từng mục riêng lẻ. Hình 2 -4 Dưới đây là cách tổ chức hoạt động học tập khác, hãy so sánh và đưa ra nhận xét hoạt động theo cách thức nào học sinh sẽ chủ động hơn, hoạt động nào là đúng với hoạt động giải quyết vấn đề hơn? 1- Tình huống (hình 2 -4): Cho học sinh xem hoặc cùng làm thí nghiệm thổi không khí vào giữa hai tờ giấy đặt song song, (hay phân tích các hiện tượng thực), câu hỏi nảy sinh tất yếu là: 2-Vấn đề: Tại sao hiện tượng lại diễn ra như vậy...? Câu trả lời theo cách tư duy quen thuộc là: Chắc có một lực từ phía mặt ngoài hai tờ giấy tác dụng vào. Câu hỏi tiếp theo chắc chắn nảy sinh là: Lực ấy do đâu mà có khi mắt thường chẳng hề thấy tác dụng này? Cho học sinh thấy không thể cứ nhìn mãi vào hiện tượng để trả lời thỏa đáng câu hỏi này. Hình 2- 5 Cần thoát ra khỏi sự quan sát trực tiếp hiện tượng mà hướng suy nghĩa tới việc hình dung xem không khí (đối tượng không thể nhìn thấy trực tiếp) đã có vai trò gì trong hiện tượng này. 3- Giả thuyết (Đề xuất một mô hình được cho là thích hợp, nghiên cứu sự vận động của mô hình): Buộc phải có hình dung về cấu trúc của chất khí, xem không khí bên trong và bên ngoài hai tờ giấy tác dụng vào các mặt giấy như thế nào theo hình dung từ mô hình động học phân tử của chất khí. Kết quả suy luận lý thuyết về sự hoạt động của mô hình cho thấy có thể hình dung: mật độ phân tử khí chuyển động hỗn loạn (tạo nên áp suất tĩnh) tác dụng vào mặt trong của tờ giấy nhỏ hơn mặt ngoài do khi ta thổi vào giữa hai tờ giấy thì phần khí bên trong có nhiều phân tử khí tham gia vào chuyển động có hướng nên không va chạm vào tờ giấy nữa. Có nghĩa là áp suất tĩnh giữa hai tờ giấy nhỏ hơn áp suất tĩnh bên ngoài (hình 2 – 5). Thực tế cho thấy càng thổi mạnh (vận tốc luồng khí càng lớn) thì hai tờ giấy càng khép lại (điều này có thể hiểu theo cách suy luận tương tự như trên), cho phép suy luận rằng: áp suất tĩnh giữa hai tờ giấy có quan hệ với vận tốc luồng khí thổi vào giữa hai tờ giấy. Dẫn đến câu hỏi: Vậy áp suất tĩnh thay đổi theo vận tốc luồng khí như thế nào? 4- Suy đoán hệ quả: Dùng thí nghiệm tưởng tượng về sự chuyển động của không khí (hay nước) trong một ống nằm ngang có thiết diện hai đoạn ống khác nhau (thay đổi một cách đột ngột như hình vẽ), suy diễn ra kết quả của thí nghiệm tưởng tượng này nhờ áp dụng định luật biến thiên cơ năng (mà thực tế trong trường hợp này chỉ là định lý biến thiên động năng vì ống nằm ngang, thế năng của khí không thay đổi). Hình 2 -6 Để đơn giản ta giả sử chỉ xét khối chất lỏng AB là chuyển động (hình 2 – 6), còn phần chất lỏng còn lại trong ống là đứng yên (chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn). Khi đó khối chất lỏng AB chuyển động sẽ chịu tác dụng của phần chất lỏng còn lại bên ngoài nên động năng của nó thay đổi: (1) * Nếu vận tốc chất lỏng tại mọi vị trí trong ống có tiết điện như nhau là bằng nhau (một điều kiện của chất lỏng chảy ổn định) ta có: (Động năng của khối chất lỏng AA/) (Động năng của khối chất lỏng BB/) Nếu chất lỏng chảy không bị nén (điều kiện tiếp theo của chất lỏng chảy ổn định): (2) * Ngoại lực tác dụng lên khối chất lỏng AB gồm áp lực tác dụng lên S1 và phản lực tác dụng lên S2, nếu chất lỏng chảy không có ma sát: (3) Thay (2), (3) vào (1) ta được: Trong biểu thức trên số hạng đầu tiên cũng có thứ nguyên của áp suất, lại liên quan đến vận tốc dòng chảy, ta gọi nó là áp suất động. Biểu thức trên có thể sẽ diễn tả một quy luật của chất lỏng động: Tổng áp suất động và áp suất tĩnh của chất lỏng chảy ổn định trong các đoạn ống ròng có thiết điện thay đổi và thỏa mãn các điều kiện của chất lỏng chảy ổn định là không đổi. Như vậy, cần các điều kiện của chất lỏng chảy ổn định để sự biến đổi áp suất tĩnh theo vận tốc có tính quy luật như vừa tìm thấy. (Điều kiện khác nhau sẽ dẫn đến các phương trình khác nhau cần kiểm chứng của định luật này). Đây là kết quả cuối cùng của việc dự đoán hệ quả, hệ quả này có thể kiểm chứng bằøng thực nghiệm. 5- Xây dựng phương án thí nghiệm: Thí nghiệm cần xác định được áp suất động và áp suất tĩnh. Aùp suất được định nghĩa là tác dụng của các phân tử chất lỏng (hay khí) lên một đơn vị diện tích mặt đặt trong nó, với tác dụng này có thể làm chất lỏng dâng lên ở vị trí ống ròng bị hở. Gắn ống thủy tinh có tiết diện nhỏ vuông góc ở vị trí đó thì cột chất lỏng dâng lên cho phép xác định áp suất. Với áp suất động cần đặt miệng ống sao cho cả các phân tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn và chuyển động có vận tốc đều va đập vào (hình 2 -7). 6- Thực nghiệm xác nhận hệ quả: Hình 2- 7 Hình 2- 8 Đo áp suất động và áp suất tĩnh. Từ kết quả thí nghiệm đưa ra kết luận về quy luật biến đổi áp suất tĩnh trong điều kiện chất lỏng chảy ổn định (hình 2 -7). 7- Vận dụng: mở rộng lết luận cho trường hợp chất khí (thí nghiệm theo hình 2 – 8), Phát biểu định luật Bernoulli cho chất lưu trong điều kiện chất lỏng chảy ổn định. Hình 2- 9 - Vận dụng vào chất lỏng chảy trong ống có hình dạng và vị trí bất kỳ (đưa đến biểu thức định luật có dạng tổng quát hơn như trong sách phân ban A hiện nay)ø. (hình 2 -9) 8- Đưa đến định luật chung cho chất lưu trong trường hợp tổng quát, phát biểu định luật. Vận dụng vào thực tiễn để giải thích các hiện tượng, hiểu các ứng dụng kỹ thuật thông dụng và sáng tạo ra các ứng dụng mới.