MỤC TIÊU
• Nêu được: Áp suất tác dụng vào chất lỏng sẽ được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng; lấy được ví dụ minh hoạ.
• Thực hiện được thí nghiệm để chứng tỏ tồn tại áp suất khí quyển và áp suất này tác dụng theo mọi phương.
• Mô tả được sự tạo thành tiếng động trong tai khi tai chịu sự thay đổi áp suất đột ngột.
• Giải thích được một số ứng dụng về áp suất không khí trong đời sống.
TÓM TẮT KIẾN THỨC
💡 Mở đầu
Đổ đầy nước vào một quả bóng cao su và buộc kín đầu bóng, khi đó quả bóng căng lên. Nếu ấn ngón tay vào quả bóng, ta có thể cảm nhận được một lực đẩy tác dụng lên ngón tay hoặc nếu bóp quá mạnh, quả bóng có thể bị vỡ. Vì sao như vậy?
Vì khi bóp quá mạnh vào quả bóng sẽ gây ra áp suất lớn tác dụng vào chất lỏng được truyền nguyên vẹn theo mọi hướng sinh ra lực mạnh tác dụng lên vỏ của quả bóng, khi vượt quá giới hạn chịu đựng thì nó vỡ.
I. ÁP SUẤT CHẤT LỎNG
1. Chất lỏng gây ra áp suất lên đáy bình, thành bình và các vật ở trong nó
- Khi đặt một vật trên bàn, do có trọng lượng, vật sẽ tác dụng một áp suất lên mặt bàn (hình 17.1).
- Một khối chất lỏng đựng trong bình chứa, do có trọng lượng nên cũng gây ra áp suất lên đáy bình (hình 17.2). Chiều cao của khối chất lỏng trong bình càng lớn, trọng lượng của nó càng lớn nên áp suất của nó tác dụng lên đáy bình càng lớn. Nói cách khác, áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu.
- Áp suất chất lỏng cũng tác dụng lên cả thành bình chứa nó. Ví dụ: Quả bóng cao su chứa đầy nước bị căng phồng (hình 17.3).
- Có nhiều hiện tượng chứng tỏ chất lỏng còn gây ra áp suất lên các vật ở trong chất lỏng. Sau đây là một ví dụ.
+ Lấy một ống trụ rỗng và một miếng bìa cứng không thấm nước to hơn miệng ống để làm đáy. Gắn một sợi dây vào miếng bìa. Dùng tay kéo sợi dây để miếng bìa đậy kín ống (hình 17.5a).
+ Nhấn ống vào trong nước rồi buông tay kéo sợi dây, miếng bìa vẫn không rời khỏi đáy ống kể cả khi quay ống theo các phương khác nhau (hình 17.5b).
+ Điều đó chứng tỏ nước gây ra áp suất lên miếng bìa.
❓ Quan sát, trả lời câu hỏi hoặc thảo luận
1. Một chất lỏng đựng trong bình chứa có gây ra áp suất lên đáy bình không? Vì sao?
Một chất lỏng đựng trong bình chứa có gây ra áp suất lên đáy bình vì nó có trọng lượng.
❓ Quan sát, trả lời câu hỏi hoặc thảo luận
2. Vì sao khi bóp ở giữa quả bóng thì hai đầu quả bóng ở hình 17.4 lại căng tròn?
Khi bóp ở giữa thì hai đầu quả bóng ở hình 17.4 lại căng tròn vì chất lỏng dồn về hai đầu và tác dụng lực lên vỏ quả bóng làm nó căng tròn.
2. Sự truyền áp suất chất lỏng
Người ta đã chứng minh rằng:
Áp suất tác dụng vào chất lỏng sẽ được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng.
- Thí nghiệm được biểu diễn trên hình 17.6 là một ví dụ minh hoạ.
+ Dùng một xilanh có pít-tông chứa đầy nước nối với ba áp kế.
+ Đặt khối kim loại lên pít-tông, ta thấy số chỉ của ba áp kế là như nhau.
+ Kết quả này và nhiều thí nghiệm khác cho thấy áp suất do khối kim loại tác dụng vào chất lỏng đã được chất lỏng truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng.
❓ Quan sát, trả lời câu hỏi hoặc thảo luận
3. Nêu ví dụ về áp suất tác dụng vào chất lỏng được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng.
- Trong một đường ống bơm nước, nếu tăng áp lực máy bơm lên thì áp suất trong đường ống tăng mạnh làm lượng nước chảy vào bồn nhanh đầy.
- Cấu tạo của máy thuỷ lực gồm một xilanh nhỏ tiết diện S1 và một xilanh to tiết diện S2, được nối thông với nhau. Trong hai xilanh có chứa dầu. Mỗi xilanh được đậy kín bằng một pít-tông. Khi tác dụng một lực F1 lên pít-tông A, lực này gây ra áp suất p lên chất lỏng. Áp suất này được chất lỏng truyền nguyên vẹn đến pít-tông B và gây ra lực F2 nâng pít-tông B. Tuỳ vào tiết diện của các pít-tông mà lực nâng có thể lớn hơn nhiều lần lực tác dụng, giúp ta có thể dùng lực của tay nâng được cả chiếc ô tô.
🕵️♀️ Em có biết
Cấu tạo của máy thuỷ lực gồm một xilanh nhỏ tiết diện S1 và một xilanh to tiết diện S2, được nối thông với nhau. Trong hai xilanh có chứa dầu. Mỗi xilanh được đậy kín bằng một pít-tông.
Khi tác dụng một lực F1 lên pít-tông A, lực này gây ra áp suất p lên chất lỏng. Áp suất này được chất lỏng truyền nguyên vẹn đến pít-tông B và gây ra lực F2 nâng pít-tông B.
Tuỳ vào tiết diện của các pít-tông mà lực nâng có thể lớn hơn nhiều lần lực tác dụng, giúp ta có thể dùng lực của tay nâng được cả chiếc ô tô.
🕵️♀️ Em có biết
1. Áp suất p tại một điểm ở độ sâu h so với mặt thoáng chất lỏng được tính bằng:
p = d.h2. Trong lòng chất lỏng đứng yên, áp suất tại những điểm có cùng độ sâu là như nhau.
II. ÁP SUẤT CHẤT KHÍ
1. Áp suất khí quyển
Chất khí cũng tác dụng áp suất lên các vật ở trong nó và lên thành bình. Trái Đất được bao quanh bởi khí quyển, một lớp không khí dày cỡ hàng nghìn kilômét. Vì chất khí có trọng lượng nên mọi vật trên Trái Đất đều chịu áp suất của lớp không khí này, gọi là áp suất khí quyển.
➲ Để tìm hiểu về áp suất khí quyển, em hãy tiến hành các thí nghiệm sau đây.
❖ Chuẩn bị
Cốc chứa nước, tờ giấy không thấm nước, ống thuỷ tinh nhỏ hở hai đầu.
❖ Tiến hành
🔬 Thí nghiệm 1
- Đậy kín một cốc nước đầy bằng một tờ giấy không thấm nước.
- Lộn ngược cốc nước.
- Quan sát xem nước có chảy ra ngoài không.
🔬 Thí nghiệm 2
- Cắm ống thuỷ tinh ngập vào nước trong cốc. Nhấc ống lên khỏi mặt nước và quan sát nước trong ống.
- Cắm ống thuỷ tinh ngập vào nước trong cốc, sau đó dùng ngón tay bịt kín đầu trên của ống trước khi nhấc lên (hình 17.7). Giữ tay bịt ống, nhấc ống lên khỏi mặt nước, nghiêng ống theo các phương khác nhau.
- Quan sát nước trong ống.
❖ Giải thích hiện tượng xảy ra.
Thí nghiệm trên cùng rất nhiều hiện tượng khác chứng tỏ sự tồn tại của áp suất khí quyển.
- Áp suất này tác dụng lên mọi vật và truyền theo mọi hướng.
- Áp suất khí quyển ở gần mặt đất là lớn nhất và có giá trị khoảng 100 000 Pa.
- Càng lên cao, áp suất khí quyển càng giảm.
❓ Quan sát, trả lời câu hỏi hoặc thảo luận
4. Không khí có tác dụng áp suất lên thành bình và lên các vật ở trong nó giống như chất lỏng không?
Không khí có tác dụng áp suất lên thành bình và lên các vật ở trong nó giống như chất lỏng vì chất khí có trọng lượng nên mọi vật trên Trái Đất đều chịu áp suất của không khí, hay áp suất khí quyển.
📝 Luyện tập
1. Nêu ví dụ thực tế chứng tỏ sự tồn tại của áp suất khí quyển.
- Càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm nên khi leo núi cao áp suất tác dụng vào cơ thể con người ở bên ngoài và bên trong không cân bằng. Sự thay đổi này xảy ra đột ngột, cơ thể con người chưa kịp thích nghi nên người ta cảm thấy choáng váng khó chịu.
- Dùng một ống nhựa nhỏ có thể hút nước từ cốc nước vào miệng. Vì cắm ống hút vào trong cốc nước, bên trong và bên ngoài của ống hút đều tiếp xúc với không khí, đều chịu tác động của áp suất khí quyển, và áp suất khí quyển bên trong, bên ngoài bằng nhau. Khi chúng ta hút thì không khí trong ống bị chúng ta hút đi, trong ống không còn không khí, áp suất tác động lên mặt nước bên trong ống hút nhỏ hơn áp suất tác động lên mặt nước bên ngoài ống hút. Do đó áp suất khí quyển bên ngoài ép nước chui vào ống hút, làm cho mặt nước trong ống hút dâng cao lên.
📝 Luyện tập
2. Tính áp lực do khí quyển tác dụng lên một mặt bàn có kích thước 60 cm x 120 cm. Để tạo ra một áp lực tương tự, ta phải đặt lên mặt bàn một vật có khối lượng bao nhiêu?
Áp suất của không khí là khoảng p = 100 000 Pa
60 cm = 0,6 m; 120 cm = 1,2 m
Diện tích tiếp xúc là:
S = 0,6 x 1,2 = 0,72 (m2)
Áp lực do khí quyển tác dụng lên là:
P = F = p.S = 100 000 x 0,72 = 72000 (N)
Để tạo ra một áp lực tương tự cần đặt lên bàn một vật có khối lượng:
\(P = 10.m \Rightarrow m = \frac{P}{{10}} = \frac{{72000}}{{10}} = 7200kg\)
🧑💻 Tìm hiểu thêm
Ta có thể tăng, giảm áp suất chất khí trong một bình kín bằng cách thêm hoặc bớt khối lượng chất khí trong bình. Em hãy lấy ví dụ chứng minh điều này.
- Bơm lốp xe đạp hoặc ô tô:
+ Tăng áp suất: Khi bạn bơm không khí vào lốp xe, bạn đang thêm khối lượng chất khí vào lốp. Điều này làm cho áp suất trong lốp tăng lên. Áp suất cao hơn làm cho lốp xe cứng hơn, giúp xe chạy êm hơn trên đường.
+ Giảm áp suất: Ngược lại, nếu bạn xả bớt không khí ra khỏi lốp, bạn đang giảm khối lượng chất khí trong lốp. Điều này làm cho áp suất trong lốp giảm đi. Áp suất thấp hơn làm cho lốp mềm hơn, có thể cần thiết khi lái xe trên đường cát hoặc địa hình gồ ghề để tăng độ bám đường.
- Bình khí nén (bình chữa cháy):
+ Tăng áp suất: Khi nạp khí vào bình chữa cháy, bạn đang thêm khối lượng chất khí vào bình. Điều này làm tăng áp suất trong bình, giúp khí được phun ra mạnh mẽ khi cần sử dụng.
+ Giảm áp suất: Khi sử dụng bình chữa cháy, khí được phun ra khỏi bình, làm giảm khối lượng chất khí bên trong và do đó, áp suất trong bình cũng giảm dần.
- Bình khí nén trong công nghiệp:
+ Tăng áp suất: Trong các ứng dụng công nghiệp, các bình khí nén được sử dụng để vận hành các công cụ và thiết bị. Khi nạp khí vào bình, khối lượng chất khí tăng lên và áp suất tăng lên, cung cấp đủ năng lượng để vận hành thiết bị.
+ Giảm áp suất: Khi sử dụng các công cụ khí nén, khí được tiêu thụ từ bình, làm giảm khối lượng chất khí và do đó giảm áp suất trong bình. Khi áp suất giảm xuống dưới mức cần thiết, bình cần được nạp lại khí.
- Bình nước có ga:
+ Tăng áp suất: Khi thêm khí CO2 vào nước trong bình kín, khối lượng khí tăng lên và áp suất trong bình tăng. Điều này tạo ra nước có ga, và khi mở nắp, áp suất giảm đột ngột làm cho khí CO2 thoát ra, tạo nên các bọt khí.
+ Giảm áp suất: Khi mở nắp bình nước có ga, khí CO2 thoát ra làm giảm khối lượng khí trong bình, dẫn đến giảm áp suất bên trong.
2. Áp suất không khí trong đời sống
2.1. Sự tạo thành tiếng động trong tai khi tai chịu sự thay đổi đột ngột của áp suất
- Tai là một cơ quan phức tạp với ba phần khác nhau: tai ngoài, tai giữa, tai trong (hình 17.8).
- Màng nhĩ ngăn cách tai giữa và ống tai ngoài. Bình thường áp suất không khí ở tai giữa cân bằng với áp suất không khí ở ống tai ngoài. Vòi nhĩ thông với họng hầu có tác dụng điều chỉnh áp suất ở tai trong.
- Khi đi máy bay, trong giai đoạn máy bay cất cánh hoặc khi đi ô tô lên vùng núi cao mà độ cao tăng đột ngột, ta thường có cảm giác hơi đau tức tai, đôi khi còn nghe thấy tiếng động trong tai. Nguyên nhân của hiện tượng này là do khi độ cao tăng quá nhanh, áp suất khí quyển giảm đột ngột, làm mất cân bằng áp suất giữa tai giữa và tai ngoài (áp suất ở tai giữa cao hơn áp suất ở tai ngoài), đẩy màng nhĩ ra phía ngoài. Nếu vòi nhĩ mở, thông tai giữa với họng hầu làm giảm áp suất không khí ở tai giữa, màng nhĩ bị đẩy nhanh chóng về vị trí cũ. Sự di chuyển nhanh của màng nhĩ tạo nên một “tiếng động” trong tai.
❓ Quan sát, trả lời câu hỏi hoặc thảo luận
5. Ta cũng có thể cảm nhận thấy tiếng động mạnh trong tai trong trường hợp máy bay đang giảm nhanh độ cao để hạ cánh hay xe đi từ núi cao xuống. Giải thích hiện tượng này.
Trường hợp máy bay đang giảm nhanh độ cao để hạ cánh hay xe đi từ núi cao xuống khi đó áp suất không khí tăng đột ngột, làm mất cân bằng áp suất giữa tai giữa và tai ngoài (áp suất ở tai ngoài cao hơn áp suất ở tai giữa) khiến màng nhĩ bị đẩy về phía trong. Nếu vòi nhĩ mở, thông tai giữa với họng hầu làm tăng áp suất không khí ở tai giữa, màng nhĩ bị đẩy nhanh chóng về vị trí cũ. Sự di chuyển nhanh của màng nhĩ gây nên tiếng động trong tai.
🕵️♀️ Em có biết
Tính trung bình, khi độ cao tăng 12 m thì áp suất khí quyển giảm khoảng 1 mmHg. Dựa trên nguyên tắc này, người ta có thể xác định độ cao nhờ vào dụng cụ đo áp suất khí quyển.
2.2. Giác mút
Giác mút làm bằng chất dẻo, có hình dạng tròn lõm (hình 17.9). Ấn giác mút lên một bề mặt nhẵn (tấm kính, tường gạch men,...) để đẩy bớt không khí trong giác mút ra ngoài, làm giảm áp suất khí trong nó. Sau đó thả tay ra, áp suất khí quyển ở bên ngoài lớn hơn áp suất bên trong giác mút. Sự chênh lệch áp suất sẽ làm giác mút dính chặt vào bề mặt đó.
📝 Luyện tập
3. Vì sao không sử dụng được giác mút với tường nhám?
Tường nhám tức là có bề mặt gồ ghề, khi ấn giác mút lên nó sẽ không đẩy được nhiều không khí ra ngoài nên độ chênh lệch áp suất bên trong giác mút và bên ngoài giác mút không đủ lớn để làm giác mút dính chặt vào bề mặt tường nhám. Do vậy, người ta không sử dụng được giác mút với tường nhám.
🧑💻 Tìm hiểu thêm
Thí nghiệm bán cầu Magdebourg (Mác-đờ-bớc)
Năm 1654, nhà khoa học Ghê-rich (Otto von Guericke) — Thị trưởng của Mác-đờ-bớc tiến hành một thí nghiệm lịch sử: Úp chặt hai bán cầu bằng đồng rỗng, đường kính khoảng 30 cm với nhau và hút không khí trong không gian giữa hai bán cầu. Hai đàn ngựa, mỗi đàn tám con kéo từng bán cầu cũng không tách được hai bán cầu rời ra. Giải thích thí nghiệm này.
Rút hết không khí bên trong quả cầu ra thì áp suất không khí bên trong quả cầu không còn, khi đó ở bên ngoài vỏ quả cầu chịu tác dụng của áp suất khí quyển từ mọi phía làm cho hai bán cầu ép chặt vào nhau. Chính vì vậy mà lực của hai đàn ngựa, mỗi đàn 8 con vẫn không kéo được hai bán cầu rời ra.
2.3. Bình xịt
- Một số bình xịt như: bình xịt nước hoa, bình xịt muỗi,... sử dụng khí nén để đẩy nước hoa hay dung dịch thuốc ra bên ngoài dưới dạng các giọt nhỏ.
- Khi trong bình xịt có chứa chất lỏng và chất khí đã bị nén (áp suất cao) (hình 17.10), ta ấn nút ở nắp bình xịt, van nắp bình được mở ra.
- Áp suất của khí trong bình lớn hơn áp suất khí quyển nên chất lỏng bị đẩy qua ống dẫn, van và vòi xịt ở nắp bình ra ngoài. Khi nhả nút, van đóng lại.
📝 Luyện tập
4. Một số bình xịt đã cạn dung dịch, khi ấn nút xịt, ta có thể nghe thấy tiếng xì mạnh. Vì sao?
Một số bình xịt đã cạn dung dịch, khi ấn nút xịt, ta có thể nghe thấy tiếng xì mạnh đó là khi cạn dung dịch, trong bình sẽ còn lại không khí. Không khí vẫn di chuyển trong vòi xịt khi ta ấn nút, tạo thành tiếng xì mạnh.
2.4. Tàu đệm khí
- Tàu đệm khí là loại tàu khi hoạt động được nâng lên khỏi mặt đất hay mặt nước nhờ một lớp “đệm khí” (hình 17.11), nhờ đó giảm được ma sát.
- Hình 17.12 là sơ đồ nguyên lí hoạt động của tàu đệm khí. Không khí được bơm vào dưới đáy tàu bằng bơm công suất lớn. Nhờ vành chắn khí nên lượng khí thoát ra ngoài nhỏ hơn nhiều so với lượng khí được bơm vào. Do đó không khí trong không gian dưới đáy tàu có áp suất cao so với áp suất khí quyển. Chênh lệch áp suất này gây ra một áp lực đủ lớn để nâng tàu lên khỏi mặt đất (mặt nước). Tàu chuyển động được nhờ động cơ. Nhờ lớp đệm khí, tàu đệm khí có thể di chuyển trên nhiều loại bề mặt: mặt đất, mặt nước, đầm lầy,... Vì thế, tàu đệm khí được sử dụng phổ biến trong tuần tra, cứu hộ,...
⚙️ Vận dụng
Nêu và phân tích một số ứng dụng về áp suất không khí trong đời sống.
- Nồi áp suất: Người ta thường dùng nồi áp suất để ninh thức ăn do áp suất hơi bên trong từ việc đun sôi chất lỏng (nước) sẽ tác động trực tiếp và khắp bề mặt thực phẩm. Nhờ hơi nước nhiệt độ cao hơn mà truyền nhiệt nhanh hơn, do đó nấu thức ăn rất nhanh.
- Máy đo huyết áp: Chúng ta đo huyết áp bằng cách bơm căng khí vào một băng tay bằng cao su, do áp suất của không khí tác dụng làm mất mạch đập của một động mạch, sau đó xả hơi dần dần và ghi lại những phản ứng của động mạch.
- Đồng hồ đo chỉ số áp suất: đây là thiết bị chuyên dụng để đo đạc áp suất chất lỏng, hơi, khí,.. Áp lực nước lên hệ thống chuyển động của đồng hồ sẽ làm bánh răng quay, kim đồng hồ sẽ trỏ đến dải áp áp suất trên mặt đồng hồ thiết bị đo để cho chúng ta nhận biết được mức áp suất trên hệ thống như thế nào. Thường dùng để đo áp suất trực tiếp tại điểm cần đo đạc.
- Cảm biến áp suất chuyển sang tín hiệu điện: là thiết bị truyền tín hiệu thành dạng tín hiệu điện để hiển thị cho người dùng biết.
- Cảm biến đo áp suất có mặt đồng hồ điện tử: thiết bị đã tích hợp mặt đồng hồ điện tử để hiển thị ngay giá trị tại điểm cần đo và suất được tín hiệu điện để đưa đến bộ xử lý và điều khiển.
🔑 Kiến thức cốt lõi
• Chất lỏng tác dụng áp suất lên thành bình, đáy bình và lên các vật nhúng trong nó.
• Áp suất tác dụng vào chất lỏng được truyền đi nguyên vẹn theo mọi hướng.
• Khí quyển tác dụng một áp suất lên mọi vật trên Trái Đất theo mọi phương.
• Áp suất không khí được ứng dụng nhiều trong đời sống.
BÀI TẬP
Đang cập nhật
