Tài liệu giảng dạy môn Vật lí đại cương (Dành cho sinh viên ngành Dược) - Thi Trần Anh Tuấn

99 trang Gia Huy 25/05/2022 2070

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu giảng dạy môn Vật lí đại cương (Dành cho sinh viên ngành Dược) - Thi Trần Anh Tuấn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_giang_day_mon_vat_li_dai_cuong_danh_cho_sinh_vien_n.pdf

Nội dung text: Tài liệu giảng dạy môn Vật lí đại cương (Dành cho sinh viên ngành Dược) - Thi Trần Anh Tuấn

Phụ lục 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG (Dành cho sinh viên ngành Dược) GV biên soạn: Thi Trần Anh Tuấn Trà Vinh, 8/2019 Lưu hành nội bộ
MỤC LỤC Nội dung Trang MỤC LỤC 1 CHƢƠNG 1 3 PHẦN CƠ-NHIỆT 3 BÀI 1 3 VAI TRÕ CỦA VẬT LÝ TRONG NGÀNH DƢỢC 3 1. Mối liên hệ Vật lý học và ngành Dược 3 2. Các dạng năng lượng trong cơ thể 3 3. S i n i c các dạng năng lượng trên cơ thể sống 4 BÀI 2 6 CÔNG CƠ HỌC VÀ CƠ NĂNG 6 1. Công và công suất 6 2. Động năng và th năng 7 3. L c th và trường th 9 4. Cơ năng và ịnh luật ảo toàn cơ năng 10 BÀI 3 12 CƠ HỌC CHẤT LƢU 12 1. Tĩnh học chất lưu 12 2. Động l c học chất lưu lí tưởng và các ịnh lý 14 3. Phương trình Becnuli 15 4. Độ nhớt và ịnh luật Poiseuille 15 5. Sức căng mặt ngoài c chất lỏng 17 6. Hiện tượng m o dẫn 19 BÀI 4 24 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 24 1. Nhiệt ộ và nhiệt lượng 24 2. Các ịnh luật c khí lý tưởng 26 3. Nguyên lý thứ nhất c Nhiệt ộng l c học 27 4. Nguyên lý thứ h i c Nhiệt ộng l c học 28 CHƢƠNG 2 31 PHẦN ĐIỆN-QUANG 31 BÀI 1 31 DÕNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 31 1. Khái niệm và những ại lượng ặc trưng 31 2. Các ịnh luật cho oạn mạch thuần trở 32 3. Suất iện ộng c nguồn iện 33 BÀI 2 36 QUANG SÓNG VÀ DỤNG CỤ QUANG SÓNG 36 1. Thuy t sóng ánh sáng 36 2. Phản xạ và khúc xạ sóng ánh sáng 37 3. Giao thoa ánh sáng 39 4. Cách tử và nhiễu xạ ánh sáng 43 5. S tán sắc ánh sáng, qu ng ph và ph k 44 6. S hấp thụ ánh sáng 46 BÀI 3 49 QUANG HẠT VÀ THUYẾT LƢỢNG TỬ 49 1. Các hiệu ứng thể hiện tính chất hạt c ánh sáng 49 2. S phóng xạ 52 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 1
CHƢƠNG 3 55 PHẦN THỰC HÀNH 55 BÀI 1 55 CÁC PHÉP TÍNH SAI SỐ TRONG THỰC HÀNH 55 1. Các phép o lường 55 2. Vấn ề s i số 55 3. Giá trị trung ình 56 4. Độ ngờ (ký hiệu: ) 56 5. Trình ày giá trị o ược 57 6. Phương pháp vẽ ồ thị 58 7. Một số vấn ề sung 59 BÀI 2 60 XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƢỜNG BẰNG CON LẮC TOÁN HỌC VÀ CON LẮC THUẬN NGHỊCH 60 1. Những cơ sở làm ài th c hành 60 2. Th c hành 63 BÀI 3 67 ĐO TỈ TRỌNG CỦA CHẤT LỎNG 67 1. Những cơ sở làm ài th c hành 67 2. Th c hành 70 BÀI 4 72 ĐO NHIỆT NÓNG CHẢY CỦA NƢỚC ĐÁ 72 1. Những cơ sở làm ài th c hành 72 2. Th c hành 73 BÀI 5 74 ĐO SỨC CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG 74 1. Những cơ sở làm ài th c hành 74 2. Th c hành 76 BÀI 6 79 ĐO ĐỘ NHỚT CHẤT LỎNG 79 1. Những cơ sở làm ài th c hành 79 2. Th c hành 80 BÀI 7 83 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU DÂY 83 1. Những cơ sở làm ài th c hành 83 2. Th c hành 84 BÀI 8 86 CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG HÌNH HỌC 86 1. Những cơ sở làm ài th c hành 86 2. Th c hành 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 93 Phụ Lục A: An toàn phòng thí nghiệm 93 Phụ Lục B: Ghi chép th c tập 94 Phụ Lục C: S theo dõi th c tập 95 Phụ Lục D: Vi t tường trình th c tập 96 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 2
CHƢƠNG 1 PHẦN CƠ-NHIỆT BÀI 1 VAI TRÕ CỦA VẬT LÝ TRONG NGÀNH DƢỢC  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Trình ày ược tầm qu n trọng c vật lý ối với các môn kho học khác, ặc iệt là ối với Dược học, ảo vệ sức khỏe cộng ồng. - Giải thích ược s i n i năng c cơ thể, nhu cầu năng lượng c cơ thể. 1. Mối liên hệ Vật lý học và ngành Dƣợc Dược học hay dược là lĩnh v c kho học ứng dụng liên qu n n phương pháp chữ ệnh, sử dụng các chất lấy từ t nhiên h y t ng hợp ể chống lại ệnh tật và ảo vệ cơ thể. Nhiệm vụ c người thầy thuốc (dược sĩ) là nghiên cứu về thuốc trên 2 lĩnh v c chính gồm quá trình nghiên cứu mối liên qu n giữ thuốc và cơ thể; cách vận dụng thuốc trong iều trị ệnh. Để th c hiện tốt nhiệm vụ này, òi hỏi người dược sĩ phải m hiểu tường tận về s vận ộng c cơ thể và chuyển quá c các dạng năng lượng khi cung cấp các dược chất (thuốc) vào cơ thể ể iều trị ệnh chẳng hạn như: các phương pháp ư thuốc vào cơ thể, tác dụng iều trị c thuốc, các triệu chứng phụ không mong ợi, thời gi n uống thuốc khi nào, s u o lâu thuốc có tác dụng và thuốc lưu hành, tồn lại trong cơ thể o lâu, Quá trình vận hành và mối liên hệ giữ thuốc với cơ thể như ã nêu trên ã ược giải thích và nghiên cứu thông qu các ki n thức kho học cơ ản ặc iệt là vật lý học. Vì vậy, từ lâu môn vật lý ại cương ã ược ư vào giảng dạy trong các trường ại học có liên qu n n ngành Dược, ể cung cấp cho sinh viên những ki n thức và kỹ năng cần thi t khi học các môn thuộc kho học cơ sở và nghiệp vụ. 2. Các dạng năng lƣợng trong cơ thể Các hệ thống sống trong quá trình tồn tại c ng như duy trì mọi hoạt ộng nhất ịnh phải th c hiện tr o i vật chất và năng lượng với môi trường xung qu nh. Như vậy: cơ thể luôn tồn tại h i quá trình qu n trọng không thể tách rời nh u mà sung cho nh u, tạo iều kiện cho nh u, ồng thời t c ng thấy ược mối qu n hệ ặc iệt c chúng với môi trường. Năng lượng là ại lượng ặc trưng cho mức ộ vận ộng c vật chất. Một vật ở trạng thái xác ịnh thì có một năng lượng xác ịnh. Khi vật không cô lập (nghĩ là có tương tác với các vật ên ngoài). S tr o i năng lượng này có thể th c hiện ằng cách sinh công hoặc truyền nhiệt. Năng lượng là số o chung c chuyển ộng vật chất trong các hình thức chuyển ộng khác. Mỗi hình thức vận ộng cụ thể tương ứng với một dạng năng lượng. Cơ thể ược cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử vật chất luôn vận ộng và i n i. Vì vậy, trong cơ thể c ng có ầy các dạng c năng lượng. Tùy lúc, tùy nơi mà trong cơ thể có thể tồn tại các dạng năng lượng s u ây: - Cơ năng: là năng lượng c chuyển ộng cơ học và tương tác cơ học, giữ các vật hoặc các phần tử c vật. Cơ năng c hệ vật ằng t ng c ộng năng và th năng hệ ấy. + Động năng: là số o phần cơ năng do vận tốc c nó quy t ịnh. Trong cơ thể ộng năng gặp những nơi nào ng có s chuyển ộng: s di chuyển c cả cơ thể, s vận chuyển máu trong hệ tuần hoàn, s vận chuyển khí trong ường hô hấp, s vận chuyển thức ăn trong ống tiêu hó , s vận chuyển vật chất qu màng t ào + Thế năng: là phần cơ năng c hệ quy ịnh ởi tương tác giữ các phần với nh u và với trường l c ngoài. Th năng ằng công mà các l c th th c hiện ược khi di chuyển hệ từ vị trí (cấu hình) ng xét tới vị trí (cấu hình) có th năng quy ước ằng 0. Đối với cơ thể, xét về toàn ộ, do tồn tại trong trường hấp dẫn c trái ất nó có một th năng. Giữ từng cơ qu n, ộ phận trong cơ thể c ng tồn tại th năng do chúng t di chuyển vị trí tương ối ối Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 3
với nh u, hoặc th y i cấu hình trong quá trình th c hiện các chức năng c cơ thể sống. - Điện năng: Điện năng là năng lượng liên qu n tới chuyển ộng c các phần tử m ng iện ( iện tích), trong nhiều trường hợp ó là các electron. Trong cơ thể, iện năng có trong s vận chuyển thành dòng c các ion qu màng t ào, trong s phát các loại sóng iện từ vào không gian xung qu nh. Điện năng làm cho hưng phấn ược dẫn truyền r cả t ào, ảm ảo cho s hoạt ộng c t ào. Không có nó cơ thể không thể tồn tại ược. - Hóa năng: Hó năng là năng lượng giữ cho các nguyên tử, các nhóm hó chức có vị trí không gi n nhất ịnh ối với nh u trong một phân tử. Năng lượng sẽ ược giải phóng khi phân tử ị phá vỡ. Độ lớn c năng lượng ược giải phóng tùy thuộc từng liên k t. Hó năng gặp ở ất cứ nơi nào có các phân tử hó học, do ó nó có ở khắp cả cơ thể. Hó năng c cơ thể tồn tại dưới nhiều hình thức: hó năng c các chất tạo hình, hó năng c các chất d trữ (như glycogen, lipid, protid), hó năng c các chất ảm ảo các hoạt ộng chức năng, hó năng c các hợp chất giàu năng lượng - Quang năng: là dạng năng lượng liên qu n n ánh sáng, năng lượng mặt trời. Cơ thể ti p nhận năng lượng từ các lượng tử ánh sáng, sử dụng trong các phản ứng qu ng hó nhằm tạo năng lượng cho cơ thể, ti p nhận và xử lý thông tin, th c hiện quá trình sinh t ng hợp - Nhiệt năng: Nhiệt năng là dạng năng lượng gắn với chuyển ộng nhiệt h n loạn c các phân tử cấu tạo nên vật chất. Vì vậy nhiệt năng còn có tên gọi là năng lượng chuyển ộng nhiệt. S i n i từ các dạng năng lượng khác s ng nhiệt năng và ngược lại óng một v i trò qu n trọng trong t nhiên. Nhiệt năng tồn tại trong toàn ộ cơ thể. Nhiệt năng ảm ảo cho cơ thể có một nhiệt ộ ên trong cần thi t cho các phản ứng chuyển hó diễn r ình thường. Để duy trì hoạt ộng c cơ thể và giữ cho cơ thể ở trạng thái cân ằng, trong cơ thể luôn ồng thời tồn tại h i quá trình : tạo r nhiệt năng cần thi t cho cơ thể và loại một phần nhiệt năng r khỏi cơ thể. - Năng lƣợng hạt nhân: ược d trữ trong hạt nhân nguyên tử, khi ị phá vỡ năng lượng này ược giải phóng. Ở cơ thể, có thể kể n năng lượng này khi xét tương tác c ức xạ hạt nhân, ti v trụ với cơ thể trong cuộc sống ình thường hằng ngày hoặc khi phải ti p xúc, sử dụng chúng với liều lượng c o hơn nhằm các mục ích khác nh u. 3. Sự biến đổi của các dạng năng lƣợng trên cơ thể sống Các cơ thể sống và các t ào cấu tạo nên chúng không phải là những cái máy nhiệt mà là những máy chuyển hó , chúng i n i năng lượng c thức ăn thành nhiệt năng, cơ năng, hó năng mà ở dạng ấy t ào, mô h y cơ thể các sinh vật có thể sử dụng ược. - Nhiệt năng: ể duy trì thân nhiệt và giữ cho nó ít i n i. S th y i lớn c thân nhiệt gây nên nhiều rối loạn ệnh lý. - Cơ năng: do hệ cơ xương khớp tạo nên, ảm ảo các tư th cần thi t và hoạt ộng chức năng c cơ thể duy trì s sống, ặc iệt ảm ảo khả năng l o ộng c con người. - Hóa năng: rất qu n trọng trong t chức sống. Nó ảm ảo các cấu trúc năng lượng cho vật chất chuyển ộng như cho hiện tượng thẩm thấu, khu ch tán, tr o i chất Xét theo s i n i năng lượng trên cơ thể t có thể chi thành phần: năng lượng vào cơ thể, năng lượng chuyển hóa trong cơ thể và năng lượng rời cơ thể. - Năng lƣợng v o cơ thể: Ch y u là hó năng c thức ăn, có chất chính cung cấp năng lượng cho cơ thể là protid, lipid, glucid. Ngoài r còn có năng lượng nhiệt, năng lượng c sóng iện từ - Chu ển hóa năng lƣợng trong cơ thể: Không giống với các chức năng khác, cơ thể không có riêng ộ máy chuyển hó năng lượng chung cho cả cơ thể. Các chất hấp thụ ược vận chuyển tới các t ào, ở ây, các chất này th m gi vào các phản ứng chuyển hó phức tạp. Cùng với những i n i hó học này, hó năng c các chất hấp thụ c ng chuyển hó thành các dạng năng lượng cần thi t cho cơ thể. Trong tất cả các phản ứng chuyển hó o giờ c ng có một phần năng lượng c các chất th m gi phản ứng i n i thành nhiệt năng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 4
- Năng lƣợng rời cơ thể: Năng lượng rời cơ thể dưới các dạng hó năng c các chất ài ti t, ộng năng, iện năng và nhiệt năng. S sống là s tồn tại c vật chất, năng lượng và s tr o i, i n i c chúng theo những quy luật chặt chẽ và ít i n ộng./.  Câu hỏi (b i tập) củng cố: 1. Nêu v i trò c môn vật lý ối với ngành dược. Phân tích các lợi ích c ki n thức vật lý ã ược học với công việc c ản thân. 2. Nêu ịnh nghĩ và kể tên các dạng năng lượng có trong cơ thể. 3. Giải thích s i n i các dạng năng lượng trong cơ thể. Cho một ví dụ và phân tích v i trò tác dụng c s i n i ó Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 5
BÀI 2 CÔNG CƠ HỌC VÀ CƠ NĂNG  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Giải thích ược khái niệm năng lượng, các dạng năng lượng; khái niệm công và công suất. - Áp dụng các iểu thức về th năng, ộng năng, cơ năng ể giải bài toán chuyển ộng. - Trình ày ược ịnh luật ảo toàn cơ năng. Áp dụng giải các ài toán chuyển ộng cơ. 1. Công v công suất 1.1. Công 1.1.1. Định nghĩa: “Công là số o s truyền chuyển ộng, tức là s truyền năng lượng từ vật này s ng vật khác, thông qu tác dụng l c và iểm ặt c l c di chuyển trên một quãng ường nào ó”. 1.1.2. Công của lực - Trường hợp lực không đổi (F = hằng số) Xét một vật ng chuyển ộng theo ường thẳng và một vật thứ h i tác dụng lên nó một l c F không i trên quãng ường s. Khi ó, t có công cơ học c l c trên quãng ường s là: Hình 1.2.1 A F. s (1.2.1) hay A F. s .cos F s ( F F .cos ) tt - N u: 0 90, thì A>0, l c F th c hiện công dương, gọi là công phát ộng. - N u: 90 180, thì A<0, l c F th c hiện công âm, gọi là công cản. - N u: 90, thì A = 0, l c F không th c hiện công. */* Chú ý: N u l c F cùng phương với phương dịch chuyển thì toàn ộ l c F th c hiện công; n u không cùng phương thì chỉ có phần hình chi u c l c trên phương dịch chuyển là th c hiện công. - Trường hợp tổng quát Vật và iểm ặt c l c dịch chuyển trên một ường cong ất kỳ, ộ lớn và phương tác dụng c l c th y i. Hình 1.2.2 Công c l c F trên quãng ường s ất kỳ, ược tính như s u: - Tính công nguyên tố (dA): Chi ường cong thành các dịch chuyển nguyên tố ds, trên ó l c F xem như không Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 6
i. T có: công nguyên tố c l c F trên dịch chuyển nguyên tố ds là: dA F.ds F.ds.cos (1.2.2) - Công toàn phần c l c F trên quãng ường s là: 2 2 A dA F.ds F.dr (1.2.3) 1 1 Với: r là án kính véctơ c từng iểm trên quỹ ạo. 1.1.3. Thứ ngu ên v đơn vị của công - Thứ nguyên: [A]=[F].[S]=L2MT-2 - Đơn vị: trong hệ (SI), ơn vị c công là N.m : 1N.m = 1J (Jun). 1.2. Công suất Nhận xét: S sinh công và tiêu thụ công, tức là s truyền năng lượng từ vật này s ng vật khác, không xảy r tức thời, mà phải kéo dài trong một khoảng thời gi n nào ó. Để ặc trưng cho s truyền năng lượng theo thời gi n, người t ư r khái niệm công suất với ịnh nghĩ như s u: 1.2.1. Định nghĩa Công suất là công sinh r hoặc tiêu thụ trong một ơn vị thời gi n h y công suất là tốc ộ truyền năng lượng. 1.2.2. Công suất trung bình A Ptb (1.2.4) t Với : Alà phần công ược sinh r hoặc tiêu thụ trong thời gi n t . 1.2.3. Công suất tức thời (ha công suất) A dA P lim (1.2.5) t 0 t dt Với: dA là phần công nguyên tố ược sinh r hoặc tiêu thụ trong thời gi n nguyên tố dt. Theo ý nghĩ toán học thì công suất ằng ạo hàm c công theo thời gi n. 1.2.4. Công suất của lực N u l c F th c hiện công dA = F ds, trong khoảng thời gi n dt thì công suất c l c: dA ds P F F.v (1.2.6) dt dt - Thứ nguyên và ơn vị c công suất: A - Thứ nguyên: P L2 MT 3 (1.2.7) T  - Đơn vị: trong hệ SI, ơn vị c công suất là J/s: 1J/s = 1W (Watt) 2. Động năng v thế năng 2.1. Động năng 2.1.1. Định nghĩa động năng (Eđ) Động năng là một số o c chuyển ộng, nó ặc trưng cho d trữ năng lượng c một chất iểm ng chuyển ộng, ược xác ịnh ởi iểu thức s u: 1 2 E mv (1.2.8) 2 Với: m: là khối lượng c chất iểm. v: là vận tốc c chất iểm. 2.1.2. Định lý biến thiên động năng Phát biểu: “Độ i n thiên ộng năng c chất iểm trên một quãng ường i ằng công c Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 7
l c tác dụng lên chất iểm trên quãng ường i ó”. Biểu thức: E E E A 1 2 (1.2.9) đ đ 2 đ1 1 2 Với: E 1 mv : ộng năng c chất iểm ở vị trí 1. 2 1 1 2 E 2 mv : ộng năng c chất iểm ở vị trí 2. 2 2 A(1 2): Công c l c tác dụng lên chất iểm từ vị trí 1 n vị trí 2. 2.2. Thế năng Th năng là dạng năng lượng gắn với trạng thái tương tác giữ các vật, h y giữ các phần c vật, h y giữ vật với trường l c ngoài. Tuỳ theo loại tương tác mà th năng có iểu thức riêng. 2.2.1. Thế năng trong trọng trƣờng Đây là năng lượng gắn với trạng thái tương tác hấp dẫn giữ trọng trường với vật nào ó: Xét một vật khối lượng m ặt ở ộ c o z1 so với mặt ất. Cho vật rơi t do từ ộ c o z1 n một ộ cao z2 ất kỳ (vật chỉ chịu tác dụng c trọng l c thẳng ứng hướng xuống). Công c trọng l c trên quãng ường vật rơi là: Ap p.s Ap mg(z1 z2 ) mgz1 mgz2 Theo ịnh lý i n thiên ộng năng, t có: AP = E 2 – E 1 1 1 mgz mgz mv2 mv2 (1.2.10) 1 2 2 2 2 1 N u cho vật rơi từ ộ c o h n ất (z1=h, z2=0, v1=0) thì công thức (1.2.10) ược vi t 1 mgh mv2 (1.2.11) 2 đ với vđ : vận tốc lúc chạm đất. T thấy khi vật ở ộ c o h, thì nó có khả năng sinh công c c ại ằng mgh hoặc thu ược ộng năng c c ại ằng mgh. N u vật rơi xuống một cái hố có ộ sâu là so với mặt ất thì (1.2.11) ược vi t lại là: 1 2 mg (h a) mv a (1.2.12a) 2 với va : vận tốc lúc chạm áy hố Tức là khi vật ở ộ c o h+ , thí nó có khả năng sinh công c c ại ằng mg(h+a) hoặc thu ược ộng năng c c ại ằng mg(h+ ). N u vật rơi xuống một mặt àn có ộ c o là so với mặt ất thì (1.2.11) ược vi t lại: 1 mg (h a) mv 2 (1.2.12b) 2 a với va: vận tốc lúc chạm mặt àn Tức là khi vật ở ộ c o h- , thí nó có khả năng sinh công c c ại ằng mg(h- ) hoặc thu ược ộng năng c c ại ằng mg(h-a). Vậy th năng c vật trong trọng trường là một lượng tương ối, phụ thuộc vào vị trí ược chọn ể tính ộ c o, ở vị trí này thì h=0 suy r Et = 0, tức phụ thuộc vào việc chọn vị trí nào là vị trí có th năng ằng 0 (gọi là gốc th năng). T ng quát iểu thức th năng trong trọng trường ược vi t như s u: Et = mgh (1.2.13) Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 8
Với: h là ộ c o so với gốc th năng. Mặt khác t có mối liên hệ giữ ộng năng và th năng như s u: Et1 – Et2 = E 2 – E 1 (1.2.14) hay: Et Eđ Từ iểu thức này t phát iểu như s u: ộ giảm th năng c một vật trên một quãng ường i ằng ộ tăng ộng năng trên quãng ường ó, không phụ thuộc vào gốc th năng. 2.2.2. Thế năng đàn hồi Xét một lò xo có ộ cứng là k, chịu tác dụng c một l c ngoài làm nó i n dạng ( ị dãn hoặc nén) một oạn x: T có: L c àn hồi c lò xo là: F h = -kx Công c l c àn hồi trên dịch chuyển i n dạng x là: 2 x A dA Fđhdx 1 0 (1.2.15) x 1 A kxdx kx2 0 2 Đại lượng ½kx2 chính là phần năng lượng mà lò xo lấy c vật ngoài tác dụng lên lò xo, người t gọi nó là th năng àn hồi c lò xo: 1 E kx2 (1.2.16) t 2 T thấy, th năng àn hồi phụ thuộc vào ộ i n dạng (h y vị trí i n dạng) c lò xo. 3. Lực thế v trƣờng thế 3.1. Khái niệm về trƣờng lực v trƣờng lực thế - Trường l c: là khoảng không gi n trong ó có các l c tác dụng. - Trường l c th : là trường l c mà trong ó các l c tác dụng là các l c th . 3.1.1. Khái niệm lực thế: L c th là l c mà công c nó không phụ thuộc ường i khi iểm ặt c nó dịch chuyển từ iểm ầu n iểm cuối”. Người t ã chứng minh ược các l c: trọng l c, l c àn hồi, l c tĩnh iện và các l c xuyên tâm khác là các l c th . 3.1.2. Thế năng trong trƣờng thế Nhận xét: tại mỗi iểm ất kỳ, ứng với một trạng thái tương tác so một iểm gốc nào ó trong trọng trường và trong phạm vi i n dạng àn hồi, luôn d trữ một giá trị năng lượng và t gọi là th năng hấp dẫn và th năng àn hồi. - Xét một trường l c th : Gọi: P0 (x0, y0, z0) là một iểm cố ịnh tuỳ ý. P(x, y, z) là một iểm ất kỳ. T có: công mà l c th th c hiện ể dịch chuyển một chất iểm từ P n P0 là : P0 A F.ds ( p P0 ) P Công này chỉ phụ thuộc vào vị trí c P và P0, do ó nó là hàm số c toạ ộ (x, y, z). Vì P0 ược chọn cố ịnh nên x0, y0, z0 là hằng số (không i), t vi t lại iểu thức trên như s u: A E x, y, z (1.2.17) ( p P0 ) t Chứng tỏ tại iểm P(x, y, z) có d trữ năng lượng, ược iểu diễn ởi hàm Et(x, y, z) và t gọi là th năng c chất iểm tại P trong trường th . Còn tại iểm P0 th năng c chất iểm ằng không (không có năng lượng d trữ) vì công ể dịch chuyển chất iểm từ P0 n P0 là ằng 0, t gọi P0 là iểm gốc th năng. N u t th y i quy ước và chọn một iểm cố ịnh khác là P0’ làm iểm gốc th năng thì Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 9
ta có: ' Et A ' A A ' (P P0 ) P P0 P0 P0 Vì P0 và P0’ là những iểm cố ịnh, nên A(P0 –P0’) = hằng số. ' Et Et hằng số Vậy th năng trong trường th là hàm số theo toạ ộ ược xác ịnh s i kém một hằng số tùy theo việc chọn gốc th năng, ứng với h i iểm ất kỳ 1, 2 t có: Et1 (x1, y1, z1 ) Et 2 (x2 , y2 , z2 ) A 1 2 hay Et A 1 2 (1.2.18) dEt dA - Biểu thức th năng (h y hàm th năng) và l c th : Ta có: dA F.ds Ft .ds = - dEt dE F t (1.2.19) t ds Với: F là hình chi u c F trên phương dịch chuyển t Biểu thức (1.2.18) ược vi t trong hệ toạ ộ Đề các như s u: F gradEt 3.2. Mặt đẳng thế Mặt ẳng th là một mặt tập hợp các iểm có cùng th năng. L c th tại từng iểm vuông góc với mặt ẳng th và hướng về phí giảm th năng. 4. Cơ năng v định luật bảo to n cơ năng 4.1. Cơ năng của chất điểm Cơ năng c chất iểm chuyển ộng ằng t ng ộng năng và th năng c nó: E = Et + E (1.2.20) 4.2. Định luật bảo to n cơ năng Xét một chất iểm chuyển ộng từ vị trí 1 n vị trí 2 trong một trường th : Giả sử chất iểm chỉ chịu tác dụng c các l c th : - Theo ịnh lý ộng năng, t có: At = E 2 – E 1 (1.2.21) - Theo công thức th năng trong trường th , t có: và : At = Et1 – Et2 hay - At = Et2 – Et1 (1.2.22) Từ (1.2.21) và (1.2.22), suy ra: (E 2 + Et2) – (E 1 + Et1) = 0 E2 – E1 = 0 Hay E2 = E1 = hằng số (1.2.23) Vậy: “Khi lực tác dụng lên chất điểm chỉ là lực thế, cơ năng của chất điểm là một đại lượng không đổi (bảo toàn)”. Đây là nội dung c ịnh luật ảo toàn cơ năng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 10
 Câu hỏi (b i tập) củng cố: 1. L c th là: a. L c có công do nó th c hiện không phụ thuộc vào dạng ường i. b. L c có công do nó th c hiện không phụ thuộc vào iểm ầu và iểm cuối. c. L c có công do nó th c hiện trên mọi quỹ ạo kín ằng không. d. Không có câu nào úng. 2. Độ i n thiên ộng năng có giá trị ằng: a. Công c l c tác dụng trên quỹ ạo ng xét. b. Tích c a l c tác dụng với khoảng thời gi n ng xét. c. Th năng c trường l c th . d. Xung lượng trong khoảng thời gi n ng xét 3. Cho vật n ầu ứng yên trượt có ma sát từ ỉnh dốc trên mặt phẳng nghiêng n cuối dốc a. Th năng ở ỉnh dốc i n i hoàn toàn thành ộng năng ở cuối dốc. b. Động năng ở cuối dốc lớn hơn th năng ở ỉnh dốc. c. Động năng ở cuối dốc nhỏ hơn th năng ở ỉnh dốc. d. Cơ năng không th y i. 4. Một viên ạn khối lượng m1= 10g ược ắn với vận tốc v1 vào một i gỗ có khối lượng m = 1kg ược treo ởi một sợi dây khối lượng không áng kể dài 1m và ị giữ lại trong ó. S u khi ắn, i và ạn lệch i một góc 600 so với phương thẳng ứng. a. 1000m/s b. 500m/s c. 550m/s d. K t quả khác 5 . Một oàn tàu khối lượng 1 tấn chuyển ộng trên ường r y nằm ng ng với vận tốc không i ằng 36km/h. Công suất ầu máy là 10kW. Gi tốc trọng trường ằng g = 10m/s2. Hệ số m sát giữ tàu và ường r y ằng: a. 0,1 b. 0,2 c. 1,0 d. 0,01 6. So sánh công c l c tác dụng lên một xe ể tốc tăng từ 0 m/s n 30 m/s: a. Nhỏ hơn công c l c tác dụng ể xe tăng vận tốc từ 30 m/s n 60 m/s. b. Bằng với công c l c tác dụng ể xe tăng vận tốc từ 30 m/s n 60 m/s c. Lớn hơn công c l c tác dụng ể xe tăng vận tốc từ 30 m/s n 60 m/s. d. Bằng với công c l c tác dụng ể xe tăng vận tốc từ 40 m/s n 70 m/s. 7. Một trường th ược iểu diễn ằng hàm th năng: U(x,y,z) = 2x3y4 + z2 xy -8 (J). Công dịch chuyển chất iểm từ iểm P ( 1 ,1, 2) n iểm Q ( 0,0,1) ằng : a. 6 J b. -6 J c. 10 J d. -10 J 8. Một xe có khối lượng 1 tấn ng chuyển ộng nh nh dần ều. Công c l c tác dụng lên xe ể vận tốc tăng từ 0 m/s n 20 m/s là: 3 5 4 a. 200 J b. 2.10 J c. 2.10 J d. 10 J 9. Một con lắc ơn gồm quả cầu M gắn vào một sợi dây mảnh có chiều dài L (cho g là gi tốc trọng trường). Để nó có thể i lên n iểm c o nhất mà không ị rơi xuống, phải truyền cho quả cầu một vận tốc n ầu V0 theo phương ng ng ằng: 1 1 a. 2 gL b. 5gL c. d. gL 2 gL Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 11
BÀI 3 CƠ HỌC CHẤT LƢU  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Giải thích ược s cân bằng và các thành phần l c tác dụng lên chất lưu. - Giải thích ược các trạng thái chuyển ộng c a chất lưu. - Liên hệ ược các tác ộng trong t nhiên do chuyển c a chất lưu. 1. Tĩnh học chất lƣu 1.1. Khái niệm chất lƣu - Chất lưu là tên gọi chung cho chất lỏng và chất khí, có hình dạng không xác ịnh (phụ thuộc vào ình chứ ), th c nghiệm cho thấy: - Chất lưu rất linh ộng: nghĩ là giữ các lớp chất lưu hầu như không có l c m sát. - Chất lưu có l c i n dạng àn hồi thể tích, nghĩ là có l c àn hồi xuất hiện khi chất lưu ị nén (h y giãn) từ mọi phí . - Từ ó chứng tỏ: L c tương tác giữ các lớp chất lưu luôn luôn vuông góc với mặt ti p xúc giữ các lớp. - Chất lưu lý tưởng: là chất lưu mà giữ các lớp chất lưu chỉ có l c tương tác vuông góc mặt ti p xúc. 1.2. Khái niệm về lực mặt v lực khối Xét một phần tử chất lưu có dạng hình trụ có trục theo phương Ox, diện tích áy dS, chiều dài là dx (Hình 1.3.1) Hình 1.3.1 L c tác dụng lên phần tử này có h i loại là l c mặt và l c khối: - Lực mặt: là l c c các phần tử xung qu nh tác dụng vuông góc lên ề mặt phần tử ng xét (hoặc ình chứ ). - Lực khối: là l c tỉ lệ với khối lượng dm c phần tử chất lưu. Trong trường trọng l c thì l c khối chính là trọng l c tác dụng lên phần tử ó, c ng ằng trọng lượng P c phần tử ó: P dm.g .dV.g (1.3.1) Với :là khối lượng riêng c chất lưu. 1.3. Áp suất chất lƣu - Định nghĩ : là l c mặt tác dụng trên một ơn vị diện tích ề mặt c phần tử chất lưu (hoặc ình chứ ): F - Biểu thức: p = (1.3.2) dS - Đơn vị: Trong hệ SI, áp suất có ơn vị là: N/m2 1.4. Phƣơng trình cân bằng - Trạng thái cân ằng c chất lưu: là trạng thái có t ng l c (gồm l c mặt và l c khối) tác dụng lên từng phần tử chất lưu là ằng không. - Phương trình cân ằng: chất lưu ở trạng thái cân ằng ược iểu diễn ởi phương trình Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 12
p p p i j k g (1.3.3) x y z p p p Với: , , : ạo hàm riêng phần c áp suất theo phương x, y, z x y z 1.5. Sự phân bố áp suất trong chất lƣu Xét chất lưu trong trường trọng l c và chọn trục Oz theo phương thẳng ứng, phương trình (1.3.3) ược vi t lại như s u: p p p 0; .g (1.3.4) x y z Từ (1.3.4) t suy r :” Trong trường trọng l c, ở trạng thái cân ằng, áp suất chất lưu là như nh u trên mỗi mặt phẳng nằm ng ng (mặt ẳng áp)”. Điều này chứng tỏ rằng mặt thoáng (không lớn lắm) c chất lưu phải là một mặt phẳng nằm ng ng, không phụ thuộc hình dạng c ình chứ . N u ình gồm nhiều nhánh thông nh u thì mặt thoáng trong các nhánh phải có cùng ộ c o (nguyên tắc ình thông nh u) Hình 1.3.2 - Áp suất th y i theo ộ sâu: - Lấy tích phân phương trình (1.3.4), t ược: p = p0 + g.z (1.3.5) Với: p0 : là áp suất mặt thoáng (z0 = 0) z : là ộ sâu c iểm khảo sát. - Hiệu áp suất giữ h i ộ sâu khác nh u: - Từ (1.3.5), t vi t ược: pA - pB = g(zA - zB) = gh (1.3.6) với : h = zA – zB : ộ c o c cột chất lưu. 1.6. Định luật Paxcan (Pascal) Khảo sát về áp suất chất lưu, P xc n ã xây d ng thành ịnh luật như s u: - Phát iểu: “trong một chất lưu lý 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 nơi trong toàn khối chất lưu”. -Ứng dụng: Định luật P xc n ã ược vận dụng làm máy ép thuỷ tĩnh, áp k 1.7. Định luật Acsimét (Achimade) Hình 1.3.3 - Phát biểu: “ ất cứ vật rắn nào nằm trong chất lưu ều chịu một l c ẩy từ dưới lên trên, Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 13
l c này có iểm ặt tại trọng tâm c phần chất lưu ị choán chỗ và có ộ lớn ằng trọng lượng c phần chất lưu ị vật ấy choán chỗ”. L c ẩy ấy gọi là l c ẩy Acsimét, ký hiệu: FA . - Biểu thức: FA mg Vg (1.3.7) với: m : khối lượng phần chất lưu ị choán chỗ, tương ứng với thể tích V : khối lượng riêng c chất lưu - Ứng dụng: Định luật Acsimét ược ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật óng tàu, cầu ph o, cách trục tàu ắm, 2. Động lực học chất lƣu lí tƣởng v các định lý - Trạng thái dừng: Là trạng thái chuyển ộng n ịnh c chất lỏng với vận tốc và áp suất tại mỗi iểm ất kỳ trong chất lỏng không th y i theo thời gi n. - Phƣơng trình liên tục: Để nghiên cứu chuyển ộng c chất lưu, người t sử dụng khái niệm mới là ường dòng và ống dòng. - Đƣờng dòng: là ường cong mà ti p tuy n tại mọi iểm c nó có phương trùng với véctơ vận tốc c hạt chất lỏng ở thời iểm xét. Tập hợp nhiều ường dòng gọi là họ ường dòng (Hình 1.3.4a). - Ống dòng: Để nghiên cứu chuyển ộng c toàn dòng chất lỏng, người t phân tưởng tượng chất lỏng r thành từng ống dòng. Ống dòng là họ ường dòng tập trung trên một ường cong kín (Hình 1.3.4b) Hình 1.3.4a. Hình 1.3.4b. - T có thể qu n sát ược ống dòng ằng cách ph màu cho một dòng chất lỏng, h y tạo dòng khói trong không khí. - Phƣơng trình liên tục (Hình 1.3.5) Hình 1.3.5 Khảo sát chuyển ộng dừng trong một ống dòng (hình 1.3.5), t thấy, lượng chất lỏng dm chảy vào ống (qu ti t diện S1) và chảy r khỏi ống (qu S2) trong cùng thời gi n dt là như Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 14
nh u, t vi t ược phương trình s u: dm = 1(dV)1 = 2(dV)2 với: dV1 = S1v1dt dV2 = S2v2dt 1 S1v1dt = 2S2v2dt 1 S1v1 = 2S2v2 (1.3.8) Đối với chất lỏng lí tưởng (không nén) thì khối lượng riêng c nó là hằng số ( 2= 1 = ), phương trình (1.3.8) ược vi t lại là: S1v1 = S2v2 = hằng số (1.3.9) Các phương trình (1.3.8) và (1.3.9) là phương trình liên tục c chất lỏng. Chứng tỏ rằng ở ti t diện ng ng c ống dòng càng é ( ường dòng khít) thì vận tốc c chất lỏng càng lớn. 3. Phƣơng trình Becnuli Khảo sát chuyển ộng dừng trong một ống dòng c một chất lưu ồng chất (Hình 1.3.5), người t xây thi t lập ược phương trình: 1 1 v2 gh p v2 gh p 2 2 2 2 2 1 1 1 1 Hay: v2 gh p hằng số (1.3.10) 2 Phương trình (1.3.10) gọi là phương trình Becnuli do D. Becnuli thi t lập năm 1738. Với: 1 v 2 :gọi là áp suất th y ộng gây r ởi vận tốc dòng chảy 2 p : là áp suất thuỷ tĩnh 1 T ng: v 2 p :là áp suất toàn phần 2 Hệ quả phƣơng trình Becnuli: Trường hợp ống dòng nằm ng ng thì tại mọi iểm trong ống ại lượng gh là như nh u, phương trình Becnuli trở thành: 1 p v2 hằng số (1.3.11) 2 N u ống có ti t diện như nh u thì vận tốc v tại mọi iểm là như nh u và lúc ó áp suất tĩnh p = hằng số. - Ứng dụng: Phương trình Becnuli ược ứng dụng trong việc làm các loại ình ơm (thuốc trừ sâu, nước ho ), sơn xi, ộ ch hoà khí c máy n , 4. Độ nhớt v định luật Poiseuille Các chất lưu th c không lý tưởng có tính nén và tính chịu nén ược. N u ối với chất lỏng, tính nén là một nét ặc trưng thì ối với các chất khí có vận tốc lớn hơn (hơn 70m/s) tính nén ược là một tính chất quy t ịnh. S nén khí có kèm theo việc làm nóng, vì vậy việc mô tả chuyển ộng c chất khí chịu nén chỉ trong khuôn kh cơ học mà không sung thêm các khái niệm về nhiệt thì không thể chấp nhận ược. Vì các lý do ó mà khi xét chuyển ộng c các chất lỏng và khí, chúng t chỉ chú ý tới nội m sát (tính nhớt). 4.1. Lực nội ma sát v độ nhớt Trong chuyển ộng c chất lưu th c tồn tại các l c nội m sát. T làm thí nghiệm ơn giản là lấy h i tấm thuỷ tinh có ôi mỡ ở ên trên, ặt nằm ng ng, tấm nọ trên tấm ki . Cho tấm trên chuyển ộng. Nhờ các l c liên k t phân tử c mỡ mà lớp dính liền với tấm dưới nằm yên. Các lớp ở giữ thì chuyển ộng, lớp trên có vận tốc lớn hơn lớp ở dưới nó. vì vậy mỗi lớp ở trên ối với lớp nằm dưới liền nó có vận tốc hướng theo chiều chuyển ộng c tấm trên, trong khi ó lớp dưới ối với lớp nằm trên có vận tốc hướng ngược lại. Do ó lớp Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 15
dưới tác dụng vào lớp nằm trên nó một l c m sát làm chậm chuyển ộng c lớp trên và ngược lại, lớp trên tác dụng vào lớp dưới một l c tăng tốc. Các l c xuất hiện giữ các lớp chất lưu chuyển ộng, ối với nh u gọi là l c nội m sát. Các tính chất c chất lưu có liên qu n với s xuất hiện c l c nội m sát thì gọi là tính nhớt . N u các lớp chất lưu chuyển ộng với các vận tốc khác nh u thì ngoài các l c tương tác giữ các lớp phân tử chuyển dời ối với nh u, còn có s tr o i xung lượng giữ chúng do chuyển ộng hỗn loạn c các phân tử. Các phân tử chuyển từ lớp có vận tốc lớn vào lớp dịch chuyển chậm hơn sẽ làm cho xung lượng lớp này tăng lên và ngược lại, các phân tử chuyển từ lớp chậm vào lớp nh nh sẽ làm giảm xung lượng t ng cộng c lớp nh nh. S tr o i xung lượng ó và s tương tác phân tử c ng tạo r l c nội m sát trong chất lỏng. Trong các chất khí l c nội m sát ược tạo r ch y u ởi s tr o i xung lượng. L c m sát nội c h i lớp chất lưu tỉ lệ thuận với hiệu số vận tốc ΔV c các lớp, với diện tích ti p xúc S và tỉ lệ nghịch với khoảng cách Δh c chúng (Hình 1.3.6) Hình 1.3.6 V Ta có: F S.. (1.3.12) MSN h Với η : gọi là hệ số nhớt Đối với h i lớp chất lỏng rất gần nh u: V dV F S. lim S. (1.3.13) MSN h 0 h dh Đại lượng dV/dh ược gọi là gr dient vận tốc và ặc trưng cho ộ nh nh chậm c s i n i vận tốc theo hướng pháp tuy n với mặt ti p xúc c các lớp chất lưu. Ðộ nhớt trong chuyển ộng c chất lưu th c có h i v i trò: Một là tạo r s truyền chuyển ộng từ lớp nọ qu lớp ki , nhờ ó mà vận tốc trong dòng chất lưu th y i liên tục từ iểm này qu iểm khác; H i là chuyển một phần cơ năng c dòng thành nội năng c nó, tức là tạo r s khu ch tán cơ năng. Khi giải các ài toán về chuyển ộng c chất lưu có các vận tốc gần ằng vận tốc âm, có thể ỏ qu ộ nhớt, nhưng cần phải chú ý n tính nén ược c chất lưu. Các chất lưu chảy trong các ống, các dòng sông, các iển ược xem là chất lưu nhớt (th c), không nén ược. N.s kg S u ây là ộ nhớt η tính ằng c một vài chất lưu (Hình 1.3.7) m2 ms Hình 1.3.7 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 16
4.2. Công thức Poiseuille T hãy xét s chảy thành lớp c chất lưu trong một ống. Trong trường hợp này, do có nội m sát nên chất lưu ở sát thành ống ược coi như ám chặt vào ó, vận tốc chảy c chất lưu sẽ ằng 0 ở thành ống và lớn nhất ở trục ống. Nghiên cứu tính qui luật c s chảy thành lớp n ịnh c chất lưu không chịu nén trong một ống hình trụ tròn án kính R, người t thấy vận tốc chất lưu i n i dọc theo án kính theo qui luật R22 y p v (1.3.13) 4 x p Trong ó: v là vận tốc chất lưu ở khoảng cách y tính từ trục ống là ộ i n thiên c x áp suất trên một ơn vị dài c ống. Vì vận tốc ở các iểm c ti t diện ống i n i nên thể tích chất lưu chảy qu ti t diện ất kỳ c ống trong một ơn vị thời gi n ược tính theo: V R2 v (1.3.14) Hình 1.3.8 Từ (1.3.14) t thấy vận tốc trung ình c s chảy thành lớp song song c chất lưu trong ống tỉ lệ thuận với s giảm áp suất trên một ơn vị chiều dài c ống, với ình phương c a án kính ống và tỉ lệ nghịch với hệ số nhớt c chất lưu (Hình 1.3.8) Đại lượng ằng ộ giảm áp suất trên một ơn vị chiều dài c ống. N u trên một ống dài L, áp suất i n i một lượng P1- P2 thì: P PP 12 (1.3.15) xL Từ (1.3.14) và (1.3.15), ta có: R4 PP V 12 (1.3.16) 8 L Đó là công thức poiseuille. Công thức poiseuille cho thấy thể tích chất lưu chảy phụ thuộc rất lớn vào án kính ống. Các máy d trên công thức poiseuille (khi ã i t V, R, P1- P2, và L) có thể xác ịnh ược hệ số nhớt  , ược gọi là nhớt kế. 5. Sức căng mặt ngo i của chất lỏng 5.1. Năng lƣợng mặt ngoài của chất lỏng Lớp mặt ngoài c chất lỏng có những tính chất khác với phần ên trong c chất lỏng. Các phân tử lớp mặt ngoài ị các phân tử phí trong hút, vì vậy năng lượng c chúng ngoài ộng năng chuyển ộng nhiệt còn có th năng do các l c hút ó. N u nhiệt ộ ồng ều, thì năng lượng trung ình chuyển ộng nhiệt c các phân tử lớp mặt ngoài và phí trong giống nh u, còn về th năng thì khi em phân tử từ các lớp trong r mặt ngoài, t cần th c hiện một công chống lại l c hút phân tử, công ó làm tăng th năng phân tử. Do ó, các phân tử ở lớp mặt ngoài có th năng lớn hơn so với th năng c các phân tử ở phí trong. Như vậy các phân tử mặt ngoài có năng lượng t ng cộng lớn hơn so với năng Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 17
lượng c các phân tử ở phí trong. Phần năng lượng lớn hơn ó ược gọi là năng lượng mặt ngoài c chất lỏng. Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn, vì vậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài. Gọi ∆E và ∆S là năng lượng và diện tích mặt ngoài, ta có: ∆E = δ.∆S Với δ : là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất lỏng gọi là hệ số sức căng mặt ngoài. T i t rằng một hệ ở trạng thái cân ằng ền lúc th năng c c tiểu, vì vậy chất lỏng ở trạng thái cân ằng ền lúc diện tích mặt ngoài c nó nhỏ nhất. Thông thường do tác dụng c trọng l c nên chất lỏng chi m chỗ phần dưới c ình chứ và mặt ngoài là mặt thoáng nằm ng ng nhưng n u t khử ược tác dụng c trọng l c, thì khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu, tức là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất trong các hình cùng diện tích. T xét thí nghiệm: Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịch rượu cùng tỷ trọng (không hò t n dầu); trọng lượng c các giọt dầu ị triệt tiêu ởi sức ẩy Acsimet nên các giọt dầu có dạng những quả cầu lơ lửng trong dung dịch (Hình 1.3.9) Hình 1.3.9. Những giọt dầu trong dung dịch có dạng hình cầu Hình 1.3.10. Vòng chỉ dạng hình tròn N u lấy một khung dây thép nhúng vào nước xà phòng t sẽ ược một màng xà phòng ph kín khung. Thả vào ó một vòng chỉ rồi chọc th ng màng xà phòng ở phí trong vòng chỉ, vòng chỉ sẽ trở thành vòng tròn (Hình 1.3.10). Sở dĩ như vậy vì do iều kiện năng lượng c c tiểu nên diện tích màng xà phòng còn lại phải nhỏ nhất, tức là diện tích th ng phải lớn nhất. Muốn vậy thì diện tích th ng phải là hình tròn, vì trong các hình cùng chu vi, hình tròn là hình có diện tích lớn nhất. 5.2. Sức căng mặt ngoài Các thí nghiệm trên ây chứng tỏ diện tích mặt ngoài c chất lỏng có khuynh hướng t co lại, vì vậy về một phương diện nào ấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một màng c o su ị căng. Để giữ nguyên tình trạng mặt ngoài c chất lỏng, t phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài những l c vuông góc với ường chu vi và ti p tuy n với mặt ngoài, l c ó gọi là sức căng mặt ngoài. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 18
Hình 1.3.11. Sức căng mặt ngoài Hình 1.3.12. Lực căng mặt ngoài Để tính giá trị sức căng mặt ngoài, t làm thí nghiệm như s u: Lấy một khung dây thép có cạnh MN chiều dài ằng l, có thể di chuyển (Hình 1.3.11) và 1.3.12). Nhúng khung vào nước xà phòng và lấy r , t ược một màng xà phòng. Để màng khỏi co lại, cần phải tác dụng lên MN một l c F úng ằng sức căng mặt ngoài. Dịch chuyển cạnh MN một oạn ∆x, diện tích mặt ngoài tăng lên một lượng là: ∆S = 2.l.∆x Sở dĩ có thừ số 2 trong v phải là vì màng xà phòng có h i mặt ngoài ở h i phí . Công th c hiện ởi l c F trong dịch chuyển ∆x là: ∆A = F.∆x Công này dùng ể làm tăng diện tích mặt ngoài lên ∆S, tức là ã làm tăng năng lượng mặt ngoài lên một lượng ∆E = ∆A = δ.∆S Từ ó t suy r : F = δ.2.l với 2l chính là chiều dài c ường chu vi. Trường hợp t ng quát, sức căng có thể th y i ược dọc theo ường chu vi, lúc ó xét một oạn ∆l nhỏ c chu vi, t áp dụng công thức trên: ∆F = δ.∆l (1.3.17) Với: ∆F: là sức căng tác dụng lên oạn ∆l. Từ công thức (1.3.17) t thấy n u ∆l ằng một ơn vị chiều dài thì δ = ∆F. Vì vậy có thể ịnh nghĩ δ như s u: Hệ số sức căng mặt ngoài là một ại lượng vật lý về trị số ằng sức căng tác dụng lên một ơn vị chu vi mặt ngoài. Trong hệ SI, δ o ằng ơn vị Newton/mét. Với một chất lỏng cho trước, δ phụ thuộc nhiệt ộ, khi nhiệt ộ tăng thì δ giảm (Bảng 1.3.1) Bảng 1.3.1. Giá trị sức căng mặt ngoài c một số chất lỏng ở 20oC. Chất lỏng ở 200C Δ (N/m) Nước 0,073 Th y ngân 0,540 Ete 0,017 Ứng dụng của hiện tƣợng: - Giải thích s tạo thành lớp ọt trong chất lỏng. - S tạo thành giọt khi chất lỏng chảy qu một lỗ nhỏ 6. Hiện tƣợng mao dẫn 6.1. Hiện tƣợng dính ƣớt v không dính ƣớt Gọi F1 là t ng các l c c các phân tử nước tác dụng lên phân tử A nằm sát thành ình. Gọi F2 là t ng các l c c các phân tử thành ình tác dụng lên phân tử A nằm sát thành ình. - Trường hợp l c F2 > F1 thì t ng hợp l c F hướng vào thành ình, chính l c này ã ẩy các phân tử chất lỏng xô vào thành ình tạo thành mặt cong lõm: chất lỏng làm ướt ình (hình 1.3.13a). - Trường hợp l c F1 > F2 thì t ng hợp l c F hướng vào lòng chất lỏng, l c này ã ẩy các phân tử xô vào lòng chất lỏng tạo thành mặt cong lồi: chất lỏng không làm ướt ình (hình 1.3.13b). Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 19
Hình 1.3.13. Dạng mặt ngoài của chất lỏng 6.2. Áp suất phụ dƣới mặt khum Như t ã i t mặt thoáng chất lỏng do tồn tại sức căng mặt ngoài nên có thể coi như một màng àn hồi, do ó nó có dạng lồi lên hoặc lõm xuống. Xu hướng c ề mặt cong là có diện tích tạo r một áp suất ∆p phụ thêm vào áp suất phân tử. Hình 1.3.14a. Áp suất kéo chất lỏng từ dưới lên Hình 1.3.14b. Áp suất nén chất lỏng xuống dưới Trong các hình trụ có kích thước é, mặt ngoài các chất lỏng dính ướt có dạng lõm, không dính ướt có dạng lồi. Ðường cong giới hạn giữ mặt ngoài chất lỏng và thành rắn chịu tác dụng ởi l c căng mặt ngoài. L c này sẽ tạo thêm một áp suất kéo chất lỏng từ dưới lên, ở mặt lõm (Hình 1.3.14 ) và tạo một áp suất nén xuống chất lỏng ở dưới, ối với mặt lồi (Hình 1.3.14b). Áp suất do mặt khum gây r như th gọi là áp suất phụ. Tóm lại: tất cả các mặt khum, c chất lỏng tác dụng lên chất lỏng một áp suất phụ so với trường hợp mặt ngoài là phẳng. Với mặt khum lồi, áp suất phụ là dương, mặt khum lõm gây áp suất phụ âm. 2. Áp suất phụ ∆p này ược tính theo công thức: p , trong ó R là án kính c mặt R cong, δ là hệ số sức căng mặt ngoài. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 20
6.3. Hiện tƣợng mao dẫn Nhúng một ống th y tinh có ti t diện nhỏ vào một cốc ng chất lỏng thì nhận thấy mặt chất lỏng trong ống th y tinh có thể lõm hoặc lồi, dâng c o hơn h y hạ thấp hơn so với m c ngoài, ó là hiện tượng m o dẫn. Do hiện tượng dính ướt và không dính ướt ề mặt chất lỏng trong ống ị cong sẽ chịu thêm một áp suất phụ hướng lên trên (mặt lõm xuống) hoặc hướng xuống dưới (mặt lồi lên) làm giảm áp suất khí quyển (hoặc tăng) trên mặt ống. Do ó, chất lỏng phải dâng lên ể cho áp suất tại h i iểm có cùng ộ c o phải ằng nh u. T tính ộ c o dâng lên h y hạ xuống trong ống. Giả sử chất lỏng làm ướt chất rắn (nước và tinh), ti t diện cong c mặt thoáng là một chỏm cầu án kính R (Hình 1.3.15). Gọi h là cột chiều c o c chất lỏng trong ống m o dẫn, θ là góc ờ. Ở trạng thái cân ằng, áp suất giữ h i iểm A và B có cùng ộ c o phải ằng PA = PB PB = P0 PA = P0 - ∆P + ρ.g.h Do ó t có: P0 = P0 - ∆P + ρ.g.h (1.3.18) Tương t ở chất lỏng không làm ướt (th y ngân và th y tinh). Hình 1.3.15. Độ cao chất lỏng dâng trong ống mao quản N u dùng chất lỏng không dính ướt thì ngược lại m c chất lỏng trong ống hạ thấp so với mặt thoáng ngoài (Hình 1.3.16) Hình 1.3.16 Ta có: ∆P = ρ.g.h (1.3.19) và ằng: 2. .gh. (1.3.20) R Bán kính cong R thường khó xác ịnh nên th y ằng án kính r c ống m o quản. Ta có: r=R.cosθ (1.3.21) Từ ó suy r : 2. .cos g h r Và: 2. .cos h (1.3.22) r. g Công thức (1.3.22) ược gọi là công thức Gunrin. Từ công thức (1.3.22) t nhận thấy: Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 21
dấu c cosθ cho phép xác ịnh xem chất lỏng dâng lên h y hạ xuống ống m o dẫn. - Khi 0 ≤ θ ≤ : chất lỏng làm ướt chất rắn thì cosθ > 0 và chất lỏng dâng lên trong ống 2 (h > 0). - Khi ≤ θ ≤ π : chất lỏng không làm ướt chất rắn thì cosθ < 0 và chất lỏng hạ xuống trong ống (h < 0). Từ ó, t nhận thấy có thể xác ịnh hệ số sức căng mặt ngoài δ ằng cách o chiều c o h và án kính r c ống m o quản. Ứng dụng: Nhiều hiện tượng trong ời sống kỹ thuật và t nhiên ược giải thích ằng hiện tượng m o dẫn: ông, ấc èn, giấy thấm, có khả năng hút các chất lỏng vì khe hẹp trong các chất này là các ống m o dẫn. Các chất dinh dưỡng nước ược chuyển từ dưới lên trên ở những cây c o v i mét, còn những cây c o hàng chục mét ngoài hiện tượng m o dẫn ể dẫn nước và các chất dinh dưỡng nuôi cây còn có hiện tượng thẩm thấu c các t ào sống nữ vì sức m o dẫn chỉ ư nh và các chất khác lên c o ược vài mét. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 22
 Câu hỏi (b i tập) củng cố: */* Các phát biểu sau đâ l đúng ha sai? Giải thích. 1. Trong một ống dòng nơi nào nước chảy chậm thì nơi ó ti t diện c ống là nhỏ. 2. Vì chất lưu không nén ược nên nó có hình dạng không i. 3. H i vật có cùng một thể tích, vật nào có khối lượng riêng lớn dễ n i trên mặt nước. 4. Trong một ống tiêm, vận tốc thuốc tiêm r khỏi kim tiêm là rất nhỏ. 5. Càng lên c o thì áp suất không khí càng giảm. 6. Hãy giải thích tại s o một hệ ở trạng thái cân ằng ền lúc th năng c c tiểu? */* Trắc nghiệm 1. Một số các thông số trạng thái của hệ vĩ mô: . áp suất, vận tốc c hạt, khối lượng phân tử, nguyên tử. . nhiệt ộ, t ng số hạt và khối lượng mol c hệ. c. áp suất, nhiệt ộ và thể tích c cả hệ. d. ộng năng trung ình, áp suất và gi tốc c các hạt. 2. Một Kmol khí hydro ở nhiệt ộ 270C chứ trong ình có thể tích là 1 lít, áp suất là: a. 7600 mmHg b. 1atm c. 2493 N/m2 d. 9810 N/m2 3. Với một khối khí xác ịnh, khi t tăng nhiệt ộ tuyệt ối c nó lên 3 lần thì thể tích c nó c ng tăng lên 3 lần. Khối khí ó ng tuân theo: . ịnh luật G y- Luýtxắc . ịnh luật Săclơ c. ịnh luật P sc l d. ịnh luật Bôilơ-Mariôt 4. Ở nhiệt ộ nào trong các nhiệt ộ s u ây, ộng năng trung ình c các phân tửc một chất khí gấp h i lần so với khi ở nhiệt ộ phòng (200C): a. 400C b. 800C c. 3130C d. 5860C 5. Tăng thể tích c khối khí lý tưởng lên h i lần và tăng nhiệt ộ tuyệt ối c nó lên lần thì áp suất c khối khí ó sẽ: . tăng n 3/2 lần so với lúc ầu. . giảm 3/2 lần so với lúc ầu. c. tăng n 6 lần so với lúc ầu. d. giảm 6 lần so với lúc ầu. 6. Tại s o khi máy y cất cánh hoặc hạ cánh, hành khách trong máy y cảm thấy t i ị lùng ùng (ù t i) ? Có thể làm cách nào ể có thể nh nh chống thoát khỏi tình trạng ó. 7. Một mẫu khí lý tưởng th c hiện chu trình trên giản ồ p-V như hình vẽ. Nhiệt ộ c khí ở iểm là 200K. Cho hằng số khí lý tưởng R= 8,31 J/mol.K. Tìm: a. Số mol c khối khí ? b. Nhiệt ộ c khối khí ở iểm , iểm c ? c. Nhiệt lượng toàn phần cung cấp cho khối khí trong cả chu trình ? Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 23
BÀI 4 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Phân iệt ược các y u tố ặc trưng c một mẫu khí lí tưởng - Giải thích ược các khái niệm áp suất và nhiệt ộ - Trình ày ược các ịnh luật về chất khí - Xác ịnh ược các trạng thái và s i n i trạng thái ối với các hiện tượng nhiệt - Trình ày ược hai nguyên lý Nhiệt ộng l c học và khái niệm Entropi. 1. Nhiệt độ v nhiệt lƣợng 1.1. Nhiệt độ 1.1.1. Khái niệm Nhiệt ộ là ại lượng ặc trưng cho ộ nóng lạnh c vật. Qu các ịnh luật th c nghiệm về nhiệt, người t nhận thấy: Khi ể h i vật ti p xúc nh u thì vật mà ộng năng trung ình c chuyển ộng tịnh ti n c phân tử lớn hơn (vật nóng hơn) sẽ mất ớt năng lượng do ã truyền cho vật mà ộng năng trung ình c chuyển ộng tịnh ti n c phân tử nhỏ hơn (vật lạnh hơn). Chứng tỏ, nhiệt ộ là ại lượng ược xác ịnh ởi mức ộ chuyển ộng hỗn loạn c các phân tử, vì th t có thể chọn ộng năng trung ình c chuyển ộng tịnh ti n c phân tử trong mỗi vật làm thước o nhiệt ộ c vật ó. Vì áp suất và nhiệt ộ ều ược xác ịnh ởi mức ộ chuyển ộng hỗn loạn c các phân tử, nên ể ơn giản cho công thức tính áp suất, ngươi t quy ước nhiệt ộ ược xác ịnh như sau: 2  E (suy ra p = n ) (1.4.1) 3 d Vậy: theo qu n iểm ộng học, nhiệt ộ là ại lượng ặc trưng cho tính chất vĩ mô c vật, thể hiện mức ộ nh nh h y chậm c chuyển ộng hỗn loạn c các phận tử cấu tạo nên vật ó. (vì th chuyển ộng hỗn loạn c các phân tử còn ược gọi là chuyển ộng nhiệt). 1.1.2. Đơn vị đo nhiệt độ Với qu n iểm trên, nhiệt ộ  phải ược o ằng ơn vị năng lượng. Th c t nhiệt ộ không ược o ằng ơn vị năng lượng mà ược o ằng ơn vị ộ, vì: Việc o tr c ti pE khó khăn Đơn vị năng lượng thì quá lớn ể o nhiệt ộ. 1.2. Thang đo nhiệt độ Trong sinh hoạt và trong kỹ thuật, người t ã quy ước các th ng chi ộ ể o nhiệt ộ như s u: 1.2.1. Thang nhiệt độ Censiut (toC) (ha nhiệt giai Censiut) Quy ước như s u (Hình 1.4.1): 1.2.2. Thang nhiệt độ Kelvin (ToK) (ha nhiệt giai Kelvin) Quy ước: - Mỗi th ng ộ trong nhiệt gi i Kelvin ằng mỗi th ng ộ trong nhiệt gi i Censiut. - Nhiệt ộ 0oK ứng với –273oC và 273oK ứng với 0oC. - T có hệ thức s u: T = 273 + t Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 24
100oC : là nhiệt ộ c hơi nước ng sôi (ở 760 mmHg) 2oC 1oC 0oC : là nhiệt ộ c nước á ng t n (ở 760 mmHg). Hình 1.4.1 Với quy ước này, nhiệt gi i Censiut còn ược gọi là nhiệt gi i ách phân.  Liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng đơn vị độ v đo bằng đơn vị năng lƣợng: Người t ã thi t lập ược công thức iểu thị mối liên hệ này như s u: 2  E kT (1.4.2) 3 d Trong ó: k = 1,38.10-23 J/ ộ là hằng số Bolzm n. Nhận xét: o - T thấy: khi T=0 K thì E = 0, nghĩ các phân tử ngừng chuyển ộng tịnh ti n (vẫn còn chuyển ộng d o ộng, qu y, ). 0oK ược gọi là ộ 0 tuyệt ối và nhiệt gi i Kelvin ược gọi là nhiệt gi i tuyệt ối. - Nhiệt ộ thấp nhất ạt ược hiện n y vào cỡ: 10-6oK - Nhiệt ộ c o nhất ạt vào cỡ hàng trăm triệu ộ ( om nguyên tử) - Mặt khác, từ (1.4.2) ta suy ra: 3 Ed kT (1.4.3) 2 1.3. Phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng 1.3.1. Các thông số trạng thái Là các ại lượng ặc trưng cho trạng thái c một khối khí. Cụ thể là các ại lượng: áp suất p, nhiệt ộ T, thể tích V Các thông số này không hoàn toàn ộc lập với nh u, mỗi một thông số là hàm số c h i thông số ki . 1.3.2. Phƣơng trình trạng thái Là phương trình nêu lên mối liên hệ giữ 3 thông số : áp suất, nhiệt ộ, thể tích c một khối lượng khí xác ịnh, ược vi t dưới dạng t ng quát như s u: p = f(V,T) (1.4.4) Phương trình trạng thái khí lý tưởng Người t ã thi t lập ược phương trình trạng thái c một khối lượng xác ịnh khí lý tưởng như s u: M pV N kT (1.4.5)  0 Trong ó: 26 - N0 = 6.02.10 phân tử/kmol : là hằng số Avôg rô - k = 1,38.10-23 J/ ộ : là hằng số Bolzm n. -  : khối lượng kmol. Thí dụ O2 = 32 kg/kmol,  18kg/kmol. H2O - Tỷ số M/ : là số kmol c một khối lượng khí xác ịnh. 26 -23 3 Đặt : R = N0k = 6,02 .10 x 1,38 . 10 = 8,31 . 10 J/kmol. ộ: gọi là hàng số chung c Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 25
các khí. Phương trình (1.4.5) ược vi t lại là: M pV R.T (1.4.6)  Phương trình trạng thái vi t dưới dạng (1.4.6) gọi là phương trình Cl pâyrôn – Mendêlêep. */* Chú ý: trong nhiều trường hợp cụ thể về khí lý tưởng, giá trị c R ược tính theo ơn vị hỗn hợp như s u: 3 o p=1,033at; V0 22,4 10 l/kmol; T= 273 K l.at R 84 kmol.do 2. Các định luật của khí lý tƣởng 2.1. Định luật Bôi – Mariốt (Boyle – Mariotte) - đẳng nhiệt Đây là ịnh luật về tính ẳng nhiệt c khí lý tưởng (T=hằng số). Từ phương trình trạng thái, khi T = hằng số, t suy r : p.V hằng số (1.4.7) Phương trình (1.4.7) là phương trình iểu diễn ịnh luật Bôi – M riốt. 2.2. Định luật Săclơ (Charles) - đẳng tích Đây là ịnh luật về tính ẳng tích c khí lý tưởng (V = hằng số). Từ phương trình trạng thái, khi V = hằng số, t suy r : p M R . hằng số (1.4.8) T  V hay: p p0 1 pt (1.4.9) với : 1 : là hệ số i n i áp suất ẳng tích c khí. p 273 Phương trình (1.4.8) và (1.4.9) là phương trình iểu diễn ịnh luật Săclơ. 2.3. Định luật Ga – Luýtxắc (Ga – Lussac) - đẳng áp Đây là ịnh luật về tính ẳng áp c khí lý tưởng (p = hằng số). Từ phương trình trạng thái, khi V = hằng số, t suy r : V M R . = hằng số (1.4.10) T  p hay: V V0 1 V t (1.4.11) với : 1 : là hệ số i n i thể tích ẳng áp c khí. V 273 Phương trình (1.4.10) và (1.4.11) là phương trình iểu diễn ịnh luật G y – Luýtxắc. 2.4. Định luật Đantôn (Dalton) Phát iểu: “ áp suất c hỗn hợp khí ằng t ng các áp suất riêng phần c các khí thành phần tạo nên hỗn hợp: Biểu thức: p = p1 + p2 + p3 + (1.4.12) */*Chú ý: Các ịnh luật B-M, Săclơ, G y - Luýtxắc, Đ ntôn, ược thi t lập d trên phương trình trạng thái khí lý tưởng nên có tính chất gần úng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 26
3. Ngu ên lý thứ nhất của Nhiệt động lực học 3.1. Nguyên lý thứ nhất với nguyên lý bảo toàn và biến hoá năng lƣợng: Nguyên lý thứ nhất c nhiệt ộng l c học là nguyên lý về áp dụng nguyên lý ảo toàn và chuyển hoá năng lượng trong các quá trình có liên qu n n s i n i nội năng s ng cơ năng và nhiệt năng hoặc s ng các dạng năng lượng khác và ngược lại. Trong ó: nguyên lý ảo toàn và chuyển hoá năng lượng ược phát iểu như s u: “ Ở những quá trình khác nhau diễn ra trong tự nhiên, năng lượng không tự sinh ra từ hư vô và cũng không biến mất mà chỉ biến hoá từ dạng này sang dạng khác” Mặt khác từ nguyên lý ảo toàn và chuyển hoá năng lượng t chứng minh ược k t quả s u: ứng với mỗi trạng thái c hệ (khí) chỉ ứng với một giá trị c nội năng mà thôi”. Nội năng là hàm đơn giá của trạng thái. 3.2. Nguyên lý thứ nhất v động cơ vĩnh cửu loại 1 3.1.1. Phát biểu nguyên lý thứ nhất Khảo sát trường hợp hệ i n i từ trạng thái (1) n trạng thái (2) chỉ do s tr o i nhiệt giữ hệ với ngoại vật: Gọi : U1 : là giá trị nội năng c hệ ở trạng thái (1) U2 : là giá trị nội năng c hệ ở trạng thái (2) Q : là nhiệt lượng tr o i giữ hệ với ngoại vật A’: là công mà ngoại vật th c hiện lên hệ Theo ịnh luật ảo toàn và chuyển hó năng lượng, t có: ' U U 2 U1 Q A (1.4.13) Do ở mỗi trạng thái chỉ ứng với một giá trị c nội năng, nên từ công thức (1.4.13) ta phát iểu nguyên lý I như s u: “ Nếu do sự trao đổi nhiệt v thực hiện công của ngoại vật, hệ chu ển từ trạng thái xác định 1 đến trạng thái xác định 2 thì trong mọi cách chu ển trạng thái có thể xả ra tổng nhiệt lƣợng trao đổi v công thực hiện l không đổi” Trong trường hợp hệ th c hiện một quá trình kín (chu trình) thì (1.4.13) trở thành: U U 2 U1 Q A 0 (1.4.14) Từ công thức (4.14) người t phát iểu nguyên lý thứ nhất theo chu trình như s u: “ Nếu hệ biến đổi trạng thái theo một chu trình bất kỳ nào đó có thể xảy ra thì tổng nhiệt lượng trao đổi và công thực hiện trong chu trình đó phải bằng không” Một cách t ng quát, n u hệ i n i trạng thái không chỉ do tr o i nhiệt và th c hiện công mà còn do các tác dụng khác c ngoại vật (tác dụng c iện trường, c ánh sáng, ) thì từ nguyên lý ảo toàn và i n hoá năng lượng t vi t ược công thức s u: U U 2 U1  Ai (1.4.15) i Với:  Ai : là công tương ương, ược quy i từ mọi tác dụng c ngoại vật. i 3.1.2. Động cơ vĩnh cửu loại 1 Quá trình thi t lập nguyên lý 1 có liên qu n chặt chẽ với việc giải áp một vấn ề to lớn và hấp dẫn trong lịch sử Vật lý là: Có thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại 1 hay không? (Đó là loại động cơ có thể sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc chỉ tiêu thụ một phần năng lượng ít hơn công sinh ra). Nguyên lý thứ nhất ã chứng tỏ là không thể th c hiện ược ộng cơ vĩnh cửu loại 1. Thật vậy: trong ộng cơ, hệ sẽ th c hiện những chu trình, công thức (1.4.15) trở thành: U U 2 U1  Ai 0 (1.4.16) i Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 27
Ta có  Ai 0 nghĩ là t ng năng lượng tr o i phải ằng không, chứng tỏ phần i công do hệ th c hiện phải ằng phần năng lượng tiêu thụ. Từ iều này, ôi khi người t còn phát iểu nguyên lý I như s u: “Không thể th c hiện ược ộng cơ vĩnh cửu loại một”. 4. Ngu ên lý thứ hai của Nhiệt động lực học 4.1. Động cơ vĩnh cửu loại 2 Theo trên tác nhân muốn sản công A thì phải nhận nhiệt lượng Q c ngoại vật. Vấn ề ặt r là, trong th c t có phải toàn ộ nhiệt lượng Q mà tác nhân ã nhận ều ược dùng ể sinh công A hay không? N u như, ằng cách nào ó, t có thể ch tạo một ộng cơ có thể i n toàn ộ Q r A: tức Q = A trong mỗi chu trình, thì ộng cơ ấy gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2. Ưu iểm c nó là thuận tiện. Ðể chạy máy chỉ cần cung cấp năng lượng cho máy là . Máy nhận nhiệt lượng Q1 ể sinh công A = Q1. Th c t , t không thể nào ch tạo ộng cơ như th . Ðộng cơ nào c ng tuân theo iều kiện s u ây: Trong mỗi chu trình, ộng cơ nhận nhiệt lượng Q1 c ngoại vật (nguồn nóng), dùng Q1 ể: - Sản công A. - Thải bớt một nhiệt lượng Q2 cho một nguồn nhiệt khác (nguồn lạnh) Q1 - Q2 = A - Từ ó, t phát iểu nguyên lý s u: (2 cách ịnh tính) - Cách 1: Ta không thể th c hiện ược một chu trình sao cho k t quả duy nhất c a nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ 1 nguồn, hay có thể phát biểu: - Cách 2: Không thể th c hiện ược ộng cơ vĩnh cửu loại 2. 4.2. Phát biểu nguyên lý II T ã xét mọi loại chu trình, và thấy hiệu suất lý thuy t tối : T T  1 2 (1.4.17) T1 H y có thể vi t: Q Q T T 1 2 1 2 (1.4.18) Q1 T1 Trong ó: dấu “ = ” dành cho chu trình Cácnô thuận nghịch. dấu “ < ” dành cho các loại khác. T lại vi t: phân tích iểu thức rồi ỏ 1 ở h i v , nhân với -1: Q T 2 2 (1.4.19) Q1 T1 T2 hay : Q2 Q1 (1.4.20) T1 Từ đây, ta phát biểu nguyên lý II dưới dạng định lượng sau đây: Mọi chu trình, công tác giữ nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2, n u tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng, sinh công A = Q1 - Q2, thì tác nhân phải thải cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q2 có giá trị không nhỏ hơn giá trị: T2 Q1 (1.4.21) T1 Cách phát iểu này cho thấy tỉ lệ tối i n nhiệt thành công là o nhiêu. Chính nhờ nghiên cứu ộng cơ nhiệt, t lại có thể phát iểu nguyên lý II dưới dạng nữ : “Nhiệt năng lấy Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 28
từ một nguồn nào đó không thể trực tiếp và hoàn toàn biến thành cơ năng”. Quá trình xảy r là: Nhiệt năng nhận ược làm tăng nội năng c tác nhân, s u ó một phần nội năng ấy dùng: - Một phần sinh công A. - Phần còn lại truyền cho nguồn lạnh (dưới dạng nhiệt năng) (như ã nói ở trên). T ng quát hoá tất cả các kinh nghiệm trong th c t , người t ã xây d ng nên một nguyên lý mới ộc lập với nguyên lý I và gọi là nguyên lý II Nhiệt ộng l c học có nội dung ịnh tính như s u: “Không thể thực hiện được một chu trình sao cho kết quả duy nhất của nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ một nguồn”. H y một cách ngắn gọn hơn có thể phát iểu nguyên lý thứ II như s u: “Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại 2”.  Câu hỏi (b i tập) củng cố: 1. Năng lượng c một hệ là: . Công mà hệ nhận h y phát r cho tác nhân ngoài. . Gồm ộng năng, th năng c hệ và khả năng tương tác lẫn nh u c các hạt tạo thành hệ (nội năng). c. Công và nhiệt mà hệ nhận ược từ ên ngoài. d. Lượng chuyển hó giữ công và nhiệt lượng. 2. Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt ộng l c học: . Độ i n thiên nội năng c hệ trong quá trình i n i ằng t ng công và ộng năng mà hệ nhận vào trong quá trình ó. . Độ i n thiên nội năng trong một chu trình khép kín là ằng không. c. Có thể ch tạo ược ộng cơ vĩnh cữu loại một. d. Có thể tạo r ộng cơ sinh công mà không cần nhận năng lượng. 3. Tỷ số nhiệt dung riêng ẳng áp và nhiệt dung riêng ẳng tích c khí O3 là: a. 2/3 b. 3/2 c. 4/3 d. 7/5 4 . Một phân tử khí có số ậc t do là 6 thì ộng năng trung ình o nhiêu? a. 3KT b. 2,5KT c. 1,5KT d. 5KT 5. Tìm một câu phát iểu s i trong những câu s u ây: . Không thể ch tạo ược ộng cơ có hiệu suất 100%. . Không thể ch tạo ược ộng cơ vĩnh cửu loại h i. c. Một ộng cơ nhiệt không thể sinh công n u như nó tr o i nhiệt ồng thời với h i nguồn nhiệt khác nh u. d. Hiệu suất c ộng cơ nhiệt và máy làm lạnh khác nh u. 6. Một ộng cơ nhiệt lấy nhiệt từ nguồn nóng có nhiệt ộ 1270C và truyền nhiệt cho 0 nguồn lạnh có nhiệt ộ 77 C. Hiệu suất tối c nó là : a. 12,5 % b. 39,2 % c. 61,4 % d. 88,3 % 7 . Tìm một câu phát iểu s i trong những câu s u ây: a. Trong chu trình Carnot không thuận nghịch t ng nhiệt lượng rút gọn nhỏ hơn 0. . Ðối với mọi chu trình t ng nhiệt lượng rút gọn nhỏ hơn không. c. Entropy và cả nội năng c hệ là những hàm số c trạng thái. d. Trong mọi quá trình, Entropy c hệ chỉ có thể tăng hoặc không i. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 29
8. Một máy làm lạnh hoạt ộng theo chu trình C rnot với tác nhân ất kỳ ở các nhiệt ộ là 0 oC và -100 oC. Trong trường hợp nào hiệu suất c máy làm lạnh là không i: . Giảm ồng thời nhiệt ộ h i nguồn 200K. . Tăng ồng thời nhiệt ộ h i nguồn lên h i lần. c. Tăng ồng thời nhiệt ộ tuyệt ối c h i nguồn lên h i lần. d. Tăng nhiệt ộ nguồn lạnh thêm 1000K. 9. Tìm r một câu phát iểu úng trong những câu s u ây: . Có thể tạo r một ộng cơ vĩnh cửu loại h i. b. Trong các quá trình oạn nhiệt hệ không thể sinh r công. c. Chu trình C rnot với khí th c hiệu suất c o hơn chu trình C rnot với khí lý tưởng. d. Trong quá trình ẳng nhiệt cho khí lý tưởng, nội năng là không i. 10. Hệ số làm lạnh c máy lạnh khi ở một chu kỳ nó nhận một nhiệt lượng 110 c l c nguồn lạnh và nhả nhiệt lượng 513 c l cho nguồn nóng. a. 0,54 b. 0,27 c. 0,21 d. 0,17 11. T có thể phát iểu Nguyên lý h i c Nhiệt ộng l c học theo: a. quá trình . ộng cơ vĩnh cửu loại h i c. chu trình d. và c úng 12. Trong một hệ cô lập, những quá trình xảy r phải theo chiều mà: . Entropy c hệ không giảm. . Entropy c hệ không tăng c. Entropy c hệ giảm d. Entropy c hệ tăng 13. Một chu trình làm lạnh xả 250 J nhiệt vào phòng trong khi môtơ cung cấp 80J công. Lượng nhiệt lấy từ ên trong máy làm lạnh ằng o nhiêu? a. 170 J b. 299J c. 598J d. 5210J 14. Máy y tiêu thụ 5 tấn dầu xăng s u 8 giờ y với hiệu suất c ộng cơ là 40%. Tính công suất c ộng cơ, i t năng suất toả nhiệt c dầu xăng máy y là 42000Kcal/kg. 15. Một máy hơi nước có công suất 14,7kw trong một giờ làm việc dùng h t 8,1kg th n có năng suất toả nhiệt là 7,8.103 c l/g. Nhiệt ộ nồi hơi là 200oC, nhiệt ộ nguồn lạnh là 58oC. Tính hiệu suất th c  c máy so sánh với hiệu suất lý tưởng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 30
CHƢƠNG 2 PHẦN ĐIỆN-QUANG BÀI 1 DÕNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Trình ày ược: Các ại lượng ặc trưng cho dòng iện (cường ộ dòng iện, mật ộ dòng iện); Định luật Ohm cho một oạn mạch; Nguồn iện, ịnh luật Ohm cho mạch kín. - Giải thích ược một số hiện tượng thông thường về mạch iện xảy r trong ời sống, kho học, kỹ thuật 1. Khái niệm v những đại lƣợng đặc trƣng 1.1. Định nghĩa dòng điện Trong môi trường dẫn iện, các iện tích t do luôn luôn chuyển ộng hỗn loạn. Dưới tác dụng c iện trường ngoài các iện tích t do ó sẽ chuyển ộng có hướng: iện tích dương chuyển ộng cùng chiều iện trường, iện tích âm chuyển ộng ngược chiều iện trường. - Dòng iện dẫn: là dòng chuyển dời có hướng c các hạt m ng iện trong iện trường. - Dòng iện dịch: là một iện trường i n thiên theo thời gi n. - Quỹ ạo chuyển ộng c các hạt iện ược gọi là ường dòng, tập hợp các ường dòng gọi là ống dòng. - Qui ước chiều dòng iện: chiều dòng iện là chiều chuyển ộng c các hạt iện tích dương. 1.2. Các đại lƣợng đặc trƣng của dòng điện 1.2.1. Cƣờng độ dòng - Định nghĩa: Cường ộ dòng diện qu diện tích S có trị số ằng iện lượng qu diện tích S trong một ơn vị thời gi n. - Công thức: Gọi dq là iện lượng qu S trong thời gi n dt, thì cường ộ dòng iện I qua S là: dq i dt (2.1.1) Bi t cường ộ dòng iện i t tính ược iện lượng q chuyển qu diện tích S trong khoảng thời gi n t: tt q dq idt (2.2.2) 00 - Dòng điện không đổi: Dòng iện có cường ộ và chiều không i theo thời gian. q Vì: i = const nên: q = I.t hay I t Trong hệ SI ơn vị c cường ộ dòng iện là Ampere ký hiệu là A. 1.2.2. Vectơ mật độ dòng điện Cường ộ dòng iện chỉ ặc trưng cho ộ mạnh y u c dòng iện qu một diện tích nào ó, chư ặc trưng cho ộ mạnh y u c dòng iện tại từng iểm trong môi trường, ngoài r cường ộ dòng iện c ng chư cho t i t ược phương, chiều c các dòng iện. Vì vậy, ngoài cường ộ dòng iện người t còn dùng một ại lượng vật lý khác ể ặc trưng cho dòng iện ó là véctơ mật ộ dòng iện. dI - Mật ộ dòng iện qua dS: J (2.1.3) ds Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 31
Với dSn = dS*cosα là hình chi u c a dS lên mặt phẳng vuông góc với véctơ pháp tuy n c a mặt dS. - Vectơ mật ộ dòng J : Gọi n là mật ộ các hạt m ng iện chuyển ộng có hướng, v là vectơ vận tốc trung bình c a các hạt m ng iện, q là iện tích c a mỗi hạt thì: J nq = nq v (2.1.4) với: q > 0 thì J cùng chiều với q < 0 thì ngược chiều với 2. Các định luật cho đoạn mạch thuần trở 2.1. Định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở thuần Hình 2.1.1 Định luật Ohm khẳng ịnh rằng cường ộ dòng iện I qu một vật dẫn kim loại ồng chất tỉ lệ thuận với hiệu iện th (V2 –V1) ặt lên vật dẫn ó (Hình 5.1) V V I = 2 1 (2.1.5) R 1 Ở ây hệ số tỉ lệ giữ I và V2 –V1 ược vi t dưới dạng: R Công thức (2.1.5) thường ược gọi là dạng tích phân c ịnh luật Ohm. Đại lượng R ược gọi là iện trở (thuần) c dụng cụ. Trong hệ SI, ơn vị c iện trở là Ohm, kí hiệu là Ω. Điện trở c vật dẫn phụ thuộc vào hình dạng kích thước và chất liệu làm vật dẫn. Th c nghiệm cho thấy rằng, ối với vật dẫn hình trụ, chiều dài l, ti t diện thẳng ằng S thì iện trở c vật dẫn ó ược xác ịnh theo công thức: l R = ρ (2.1.6) S Trong ó ρ là hệ số phụ thuộc chất liệu làm vật dẫn và ược gọi là iện trở suất. Trong hệ ơn vị SI, ρ ược o ằng Ohm-met, kí hiệu là Ω.m. Điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt ộ theo công thức: 0 ρ = ρ0 (1+ αt ) (2.1.7) 0 R = R0(1+ αt ) (2.1.8) Với: 0 0 ρ0, R, R0 tương ứng là iện trở suất và iện trở ở nhiệt ộ 0 C và t C. Th c nghiệm ã chứng tỏ rằng ở những nhiệt ộ rất thấp, iện trở c một số kim loại và hợp kim i n thiên theo nhiệt ộ không theo công thức (2.1.7) và (2.1.8). Cụ thể là khi nhiệt ộ hạ xuống dưới một nhiệt ộ T0 nào ó iện trở c chúng giảm ột ngột n giá trị ằng không. Đó là hiện tượng siêu dẫn, và khi ó kim loại hoặc hợp kim ó trở thành siêu dẫn. 2.2. Công và công suất của dòng điện Khi một iện lượng q chuyển dời từ iểm A n iểm B có hiệu iện th là V1-V2 = U thì công c l c iện trường là: A = q(V1-V2) = qU = Uit (2.1.9) Công này ược gọi là công c dòng iện. Vậy công suất c dòng iện là: A P = = UI (2.1.10) t N u oạn dây AB là thuần iện trở thì: Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 32
U = RI => A = RI2t. (2.1.11) Khi dòng iện không i i qu oạn dây thuần iện trở thì toàn ộ công c dòng iện chuyển thành nhiệt lượng Q tỏ r ở dây: Q = A = RI2t (2.1.12) 3. Suất điện động của nguồn điện 3.1. Suất điện động của nguồn điện Suất iện ộng ξ c nguồn iện có trị số ằng công A c l c lạ làm dịch chuyển một ơn vị iện tích q dương một vòng qu nh mạch kín ó A ξ = (2.1.13) q N u gọi E là véctơ cường ộ iện trường tĩnh, * là véctơ cường ộ l c lạ thì t có: dA = F.ds q(E E* )ds (2.1.14) Công c trường l c t ng hợp làm iện tích q chuyển dời một vòng kín trong mạch: * A = dA q(E E )ds (2.1.15) A  Eds E*ds (2.1.16) q Vì trường tĩnh iện là trường th nên: Eds 0  E*ds (2.1.17) Vậy suất iện ộng c một nguồn iện có trị số ằng công c l c lạ làm dịch chyển một ơn vị iện tích dương i một vòng qu nh mạch kín. Chú ý: trường l c lạ chỉ tồn tại trong một phần c mạch nên iểu thức (2.1.17) vi t lại:  E *ds (2.1.18) 3.2. Công và công suất của nguồn điện N u trong thời gi n t có iện lượng q chuyển dời một vòng qu nh mạch kín thì công suất c nguồn iện sinh r trong thời gi n ó là: A = q =  .I.t (2.1.19) Và công suất c nguồn: P = .I (2.1.20) 3.3. Các định luật KIRCHOFF Hình 2.1.2 Định luật ôm nêu lên mối qu n hệ giữ dòng iện và hiệu iện th c mạch không phân nhánh. Với các ịnh luật ôm, t có thể giải mọi ài toán về iện. Tuy nhiên trong th c t t thường gặp các mạng iện phân nhánh phức tạp gồm nhiều nút và vòng mạng. Trong trường hợp này n u t sử dụng ịnh luật ôm ể giải quy t thì gặp khó khăn, vì phải giải nhiều phương trình. Chính vì vậy t ư một cách giải quy t mới ằng cách d trên các ịnh luật Kirchoff (hình 2.1.2). Trước tiên t cần nắm một số khái niệm trong mạch phân nhánh: - Nút mạng: Là iểm gặp nh u c từ 3 dây dẫn trở lên. Trên hình vẽ A, B, C, D là những Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 33
nút mạng. - Vòng mạng: Là vòng kín do các oạn mạch tạo thành. Trên hình vẽ: (ABCDA), (AEFDA), (ADHA) là các vòng mạng. Vòng mạng không o ọc nhánh ên trong ược gọi là mắt mạng: (ABCDA), (BEFCB), (HADH) là các mắt mạng. 3.3.1. Định luật Kirchoff 1 (định luật nút) Hình 2.1.3 Định luật này ược thi t lặp cho các nút mạng. Xét nút mạng M- iểm nối c 5 dây dẫn, số dòng iện i vào là: I1 và I3 , còn các dòng iện i r khỏi nút là I2 , I4 và I5. Đối với dòng không i, không có s tích tụ iện lượng ở ất kỳ iểm nào trong dây dẫn (vì n u có thì khi ó iện th c iểm ó sẽ th y i và làm cho dòng iện c ng th y i theo). Vì vậy theo ịnh luật ảo toàn iện tích, trong cùng một thời gi n t ng các dòng iện i tới nút phải ằng t ng các cường ộ dòng iện i khỏi nút ó. I1 I3 I 2 I 4 I5 (2.1.21) hay: I1 ( I2 ) I3 ( I4 ) ( I5 ) 0 (2.1.22) N u qui ước: Dòng iện i n nút có dấu dương, dòng iện i rời nút có dấu âm. Thì phương trình trên ược vi t một cách t ng quát: n  I i 0 , tức là t ng ại số các dòng iện tại một nút ằng không i 1 Qui ước: Dòng iện i n nút có dấu dương (+). Dòng iện i rời nút có dấu âm (-) Nút A: I1 I 4 I3 0 Nút B: I 4 I 2 I5 0 Nút (C,D): I 2 I3 I5 I1 0 (2.1.23) 3.3.2. Định luật Kirchoff 2 (định luật n đƣợc viết cho các mắt mạng) Trong cùng một mắt mạng t ng ại số các suất iện ộng ằng t ng ại số các ộ giảm th trên các iện trở. Để vi t ược phương trình Kirchoff t phải chọn chiều cho mắt mạng. Qui ước: - Suất iện ộng m ng dấu (+) n u chiều i ã chọn trên mắt mạng i vào c c âm r c c dương c nguồn và ngược lại - Cường ộ dòng iện m ng dấu (+) n u nó cùng chiều với chiều i ã chọn và ngược lại. Mắt mạng (ADHA):  I R I R (2.1.24) 1 1 1 3 3 Mắt mạng (ABCD): 0 I R I R I R (2.1.25) 4 4 5 5 3 3 Mắt mạng (BEFC):  I R I R (2.1.26) 2 2 2 5 5 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 34
 Câu hỏi (b i tập) củng cố 1. Cho mạch cầu, i t R = 60Ω; AB = 100cm là dây kim loại ồng chất, ti t diện ều. o Khi con chạy ở vị trí C với 2AC = BC thì iện k chỉ số không. Điện trở R ằng: a. 50Ω. b. 120Ω. c. 60Ω. d. 100Ω. 2. Cho mạch iện như hình vẽ. Nối h i ầu oạn mạch với hiệu iện th U > 0. MN . Thi t lập công thức tính U theo R ; R ; R ; R và U . AB 1 2 3 4 MN R1 R3 . Chứng minh rằng: N u UAB= 0 thì: . R2 R4 c. Cho R1= 2  ; R2 = R3 =3 ; R4 =7 ; UMN = 15V. N u mắc một vôn k có iện trở rất lớn vào giữ h i iểm A và B thì vôn k chỉ o nhiêu? C c dương c vôn k phải mắc vào iểm nào? Tại s o? 3. H i iện trở giống nh u ược nối ti p qu một nguồn pin, dòng iện o ược là I. Khi h i iện trở ó mắc song song và c ng mắc vào nguồn pin ó thì dòng iện mạch chính là: a. I b. 2I c.4I d. 16I e. 32I 4. Đặt một ộng cơ có iện trở trong 5Ω dưới một hiệu iện th 120V thì nó hoạt ộng với công suất 480W (công suất tiêu thụ). Công suất có ích c ộng cơ ằng: . P’ = 400W . P’ = 40W c. P’ = 100W d. P’ = 200W 5. Có 3 óng èn trong ó có 2 óng giống nh u: Đ1: 50W -110V, Đ2: 50W -110V, Đ3: 100W -110V. Mắc 3 óng èn trên vào mạng iện 220V. Để èn sáng ình thường t th c hiện cách mắc: . Mắc 3 óng èn song song với nh u. . Mắc Đ1 song song với Đ2 rồi mắc nối ti p với Đ3 c. Mắc nối ti p 3 óng với nh u d. Mắc óng Đ3 song song Đ1 rồi nối ti p Đ2 6. Một ường dây iện 220V trong gi ình, ược ảo vệ ằng một cầu chì 15A. Trong gia ình có sử dụng các thi t ị: 1. T lạnh 220V- 500W, 2. bàn là 220V-1000W, 3 nồi cơm iện 220V – 500W, 4. lò nướng 220V-2000W. Các thi t ị ược mắc song song nh u. Để cầu chì không ị cháy, t th c hiện: . Cho 4 thi t ị hoạt ộng cùng thời iểm. . Cho thi t ị 1, 2, 4 hoạt ộng cùng thời iểm c. Cho thi t ị 1, 2, 3 hoạt ộng cùng thời iểm, thi t ị 4 tắt. d. Cho thi t ị 2, 3, 4 hoạt ộng cùng thời iểm, thi t ị 1 tắt. 7. Một ường dây iện 120V ược ảo vệ ằng một cầu chì 15A. Số óng èn có công suất 500W, tối có thể ồng thời mắc song song vào ường dây mà không làm cháy cầu chì là: a. 2 bóng b. 3 bóng c. 4 bóng d. 5 bóng Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 35
BÀI 2 QUANG SÓNG VÀ DỤNG CỤ QUANG SÓNG  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Hiểu ược nguyên lý Huyghens –Fresnel, vận dụng nguyên lý ể giải thích hiện tượng gi o tho ánh sáng. - Trình ày ược lý thuy t c hiện tượng gi o tho ánh sáng, vận dụng giải thích ược hiện tượng gi o tho c h i chùm ti sáng. - Giải thích ược hiện tượng nhiễu xạ c sóng cầu qu một lỗ tròn, nhiễu xạ gây ởi các sóng phẳng. - Trình ày ược cách tử nhiễu xạ và ứng dụng c nó. 1. Thu ết sóng ánh sáng 1.1. Tƣ tƣởng cơ bản của thuyết điện từ về ánh sáng T ã i t ánh sáng là sóng iện từ. Vì vậy ánh sáng có mọi tính chất c sóng iện từ ã ược nêu ở trên. Trong chương này t nghiên cứu những hiện tượng liên qu n n ản chất sóng c ánh sáng Tư tưởmg cơ ản c a thuy t iện từ về ánh sáng là quan niệm về s thống nhất giữa các hiện tượng iện từ và hiện tượng quang học. Thuy t iện từ ánh sáng ã giải áp ược câu hỏi về bản chất ánh sáng. Ánh sáng là một loại sóng iện từ do ó là một th c thể vật lý. 1.2. Cơ sở thực nghịêm của thuyết điện từ ánh sáng Những thí nghiệm giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng khẳng ịnh ánh sáng có tính chất ánh sáng. Những thí nghiệm về s phân c c ánh sáng cho thấy ánh sáng là một sóng ngang. Thí nghiệm Faraday về s quay mặt phẳng phân c c c a ánh sáng trong từ trường cho thấy giữa các hiện t ơng qu ng học và hiện tượng iện từ có quan hệ với nhau. Ánh sáng có thể gây ra các tác dụng iện từ trong các môi trường chất. Ngược lại iện trường và từ trường c ng có tác dụng lên những tính chất quang học c các môi trường. Thí nghiệm o vận tốc ánh sáng cho thấy vận tốc truyền ánh sáng bằng vận tốc truyền sóng iện từ trong cùng một môi trường. Sóng ánh sáng và sóng iện từ ều truyền ược trong chân không với cùng một vận tốc 3.108m/s. Thí nghiệm o áp suất n i ti n c Le edev (1899) ã xác nhận một cách tr c ti p bàn chất vật chất c a ánh sáng. Thí nghiệm c a Michelson 1881 nghiên cứu s kéo theo c a ête v trụ ã ph nhận s tồn tại c a ête và buộc phải thừa nhận s tồn tại c a vật chất dưới dạng trường. Ánh sáng c ng như sóng iện từ là s lan truyền c a vật chất dưới dạng trường. Nhiều hiện tượng quang học như phản xạ, khúc xạ, tán xạ, tán sắc, và các hiện tượng iện từ có thể giải thích ược từ cùng một lí thuy t chung “lí thuy t electon c Lorentz”. Thuy t eléctron còn có thể tiên oán ược một số hiện tượng quang học khác mà sau ó th c nghiệm ã xác nhận là úng. Bản chất iện từ c ánh sáng còn ược xác nhận bằng việc sóng ánh sáng ã ph kín th ng sóng iện từ. 1.3. Cơ sở thực nghịêm của thuyết điện từ ánh sáng Hàm sóng của ánh sáng: Ánh sáng là một sóng iện từ nên trong trường hợp t ng quát, hàm sóng c a ánh sáng là nghiệm c phương trình truyền sóng iện từ 2 2 .  .  .  0 (2.2.1) 002t Hàm ψ là một hàm tuần hoàn trong không gian theo thời gian với chu kỳ là l và T. (,)())r t  r  t T (2.2.2) Trong trường hợp ơn giản nhất là sóng phẳng, ơn sắc truyền theo phương trục Ox thì Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 36
hàm sóng có dạng: xx2. i()() t i t v  (,)r t 00 e  e (2.2.3) Với các ại lượng d o ộng. x - Vectơ cường ộ iện trường: E E sin(t ) (2.2.4) o v x - Vectơ cường ộ từ trường H H sin(t ) (2.2.5) o v Gọi chung là vectơ d o ộng sáng. Nhưng thí nghiệm c Vieenerơ (Wiener) ã cho thấy chỉ có iện trường trong sóng ánh sáng mới gây ra những hiệu ứng trong quang học, do ó trong các hiện tượng quang học ta chỉ chú ý tới iện trường trong sóng ánh sáng. 2. Phản xạ v khúc xạ sóng ánh sáng 2.1. Phản xạ ánh sáng 2.1.1. Sự phản xạ ánh sáng trên một mặt phẳng Hình 2.2.1 Hiện tượng các ti sáng ị hắt trở lại theo các phương xác ịnh khi chi u tới một mặt nhẵn óng gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng. Đặt một thướt chi ộ vuông góc với một mặt phẳng nhẵn óng, gọi là mặt phản xạ. Chi u một chùm sáng hẹp song song SI tới iểm I trên mặt phản xạ (Hình 2.1). SI ược gọi là ti tới, I ược gọi là iểm tới. IN ược gọi là pháp tuy n. Góc i hợp ởi ti tới SI và pháp tuy n IN ược gọi là góc tới (pháp tu ến ược ịnh nghĩ là ường thẳng vuông góc với r nh giới, h y mặt phân giới, giữ h i chất). - Tại I, ti sáng ị phản xạ theo phương IR. Ti IR ược gọi là ti phản xạ. - Góc i’ hợp ởi pháp tuy n IN và ti phản xạ IR ược gọi là góc phản xạ, - T thấy i’= i. 2.1.2. Định luật phản xạ ánh sáng Thí nghiệm cho thấy, các k t quả trên vẫn úng với trường hợp mặt phản xạ không phải là mặt phẳng. Mặt phẳng SIN ược gọi là mặt phẳng tới. Định luật : - Ti phản xạ nằm trong mặt phẳng tới. - Góc phản xạ ằng góc tới: i' = i 2.2. Khúc xạ ánh sáng 2.2.1. Định nghĩa hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng Khúc xạ ánh sáng: là hiện tượng chùm ti sáng ị i phương ột ngột khi i qu mặt phân cách h i môi trường truyền ánh sáng. Trong hình 2.2.2 chùm ti sáng (1) ược gọi là chùm ti tới. Chùm ti sáng (2) gọi là chùm ti khúc xạ. Mặt ngăn cách giữ h i môi trường ược gọi là mặt lưỡng chất. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 37
Hình 2.2.2 2.2.2. Định luật khúc xạ ánh sáng (định luật Snell-Descartes) - Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới. - Tia tới và tia khúc xạ nằm ở hai bên pháp tuy n tại iểm tới. sin i - Tỉ số giữa sin c a góc tới và sin c a góc khúc xạ là một hằng số : sin r Hằng số n ược gọi là chiết suất tỉ đối c môi trường khúc xạ ối với môi trường tới. - N u n > 1 (t nói môi trường khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới) thì sini > sinr hay i > r. - N u n i (Góc khúc xạ lớn hơn góc tới). Cho góc tới i tăng dần thì góc khúc xạ r c ng tăng dần và luôn luôn lớn hơn i. Khi r ạt giá trị lớn nhất là 90o thì góc i c ng có giá trị lớn nhất là η. T có: o n1.sin τ = n2.sin90 (2.2.6) n sin 1 Suy ra: (2.2.7) n2 Thí nghiệm cho thấy, n u góc tới i nhỏ hơn η, ti sáng tới mặt lưỡng chất có một phần ị phản xạ, phần ki ị khúc xạ i vào môi trường thứ h i. N u góc tới i lớn hơn η, toàn ộ ánh sáng sẽ ị phản xạ, không có ti khúc xạ vào môi trường thứ h i (Hình 2.2.3). Hiện tượng này gọi là hiện tƣợng phản xạ toàn phần. η ược gọi là góc giới hạn. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 38
Kết luận: Khi ánh sáng i từ môi trường có chi t suất lớn hơn s ng môi trường có chi t suất nhỏ hơn và có góc tới i lớn hơn góc giới hạn, thì sẽ xảy r hiện tượng phản xạ toàn phần, trong ó mọi ti sáng ều ị phản xạ, không có ti khúc xạ. - Ứng dụng hiện tƣợng phản xạ to n phần: Sợi quang học (Hình 2.2.4) Hình 2.2.4 3. Giao thoa ánh sáng Hình 2.2.5 Khi khảo sát hiện tượng giao thoa c sóng cơ học, ó là hiện tượng gặp nhau c a hai hay nhiều sóng cơ học, thì iều kiện ể tạo ra hiện tượng giao thoa là hai sóng phải k t hợp. Hiện tượng giao thoa ánh sáng c ng chính là hiện tượng gặp nhau c a hai hay nhiều sóng ánh sáng k t hợp (Hình 2.2.5). K t quả c a s gặp nh u ó là trong trường giao thoa xuất hiện những miền sáng và những miền tối gọi là những vân gi o tho . Do ó ể nghiêm cứu hiện tượng giao thoa ánh sáng trước h t ta hãy xét cách tạo ra hai sóng ánh sáng k t hợp. 3.1. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp 3.1.1. Ngu ên tắc chung Th c nghiệm chứng tỏ rằng ánh sáng phát r từ h i nguồn sáng thông thường, thậm chí từ h i phần sáng khác nh u c cùng một nguồn sáng (không phải nguồn l ser) là những sóng không k t hợp. Nguyên nhân là ở chỗ các sóng ánh sáng là do các nguyên tử phát r có các tần số hoàn toàn ngẫu nhiên và thời iểm phát sáng c các nguyên tử c ng th y i hỗn loạn nên hiệu số ph c các sóng do chúng phát r không phải là một hằng số, do ó chúng không phải là nguồn k t hợp. Mỗi nguyên tử chỉ phát sáng thành những phần rời rạc. Thời gian cho mỗi lần phát sáng vào cỡ: t=10-8s nên trung bình mỗi oàn sóng có chiều dài: L = C = 3m. Như vậy chỉ những phần khác nhau c a cùng một oàn sóng mới có tính chất k t hợp. Do ó nguyên tắc chung ể tạo ra hai sóng k t hợp là từ một oàn sóng duy nhất bằng cách tách nó thành hai sóng riêng biệt. 3.1.2. Quang lộ Xét s lan truyền c a một chùm sáng hẹp n mức có thể xem là một tia sáng trong môi trường có chi t suất n. Trong trường hợp t ng quát n là hàm số c a tọ ộ. Giả sử ánh sáng truyền ược một oạn ường rất nhỏ dl sao cho có thể coi n là không i thì ại lượng: dL= ndl ược gọi là quang lộ c ti sáng trên oạnn ường dl. Khi ánh sáng truyền từ iểm A n B thì quang lộ c ti sáng trên oạn ường ó là: Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 39
L n. dl (2.2.8) AB AB Trong môi trường ồng tính và ẳng hướng n = const thì LAB= n.AB Thời gian truyền ánh sáng từ A n B là: AB t L n v t c t (2.2.9) v AB Như vậy: Quang lộ giữa hại iểm A và B là oạn ường ánh sáng truyền ược trong chân không trong khoảng thời gi n t ể ánh sáng i h t oạn ường AB trong môi trường chất (Hình 2.3.6). Hình 2.2.6 3.1.3. Các phƣơng pháp tạo ra nguồn kết hợp (tham khảo) */* Lƣỡng gƣơng Fesnell Ánh sáng từ nguồn iểm ơn sắc S chi u vào h i gương phẳng G1 và G2 hợp với nhau một góc rất nhỏ. Mỗi gương cho một ảnh ảo c a S là S1 và S2 tạo thành hai nguồn sóng k t hợp. Trong miền MN trên màn ảnh có s chồng chất c a hai sóng k t hợp nên chúng giao thoa với nhau. Hình 2.2.7 */* Lƣỡng lăng kính Fesnell H i lăng kính A1 và A2 có góc chi t quang nhỏ và bằng nh u A ược ghép sát áy với nhau trong mặt phẳng chứ h i áy cách nó một khoảng r ặt một nguồn sáng iểm ơn sắc S. Vì góc tới nhỏ nên các tia ló ra khỏi h i lăng kính S1 và S2. Chùm tia ló có một phần chồng nên nhau tạo thành miền giao thoa (Hình 2.2.8). Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 40
Hình 2.2.8 Gƣơng Lo d Một nguồn sáng iểm S ặt trước gương phẳng ở rất x mép gương nhưng rất gần mặt gương ể các tia sáng tới gương với một góc tới gần bằng 900. S giao thoa xảy ra là do s chồng chất c a chùm tia tới xuất phát từ S và chùm tia phản xạ trên gương (xuất phát từ ảnh S/ c S) do ó miền giao thoa là OP. Tại O giao c a mặt phẳng E và mặt phẳng gương cách ều S và S/ lẽ ra ta phải thu ược một vân sáng nhưng th c nghiệm cho thấy tại ó có một vâ tối. Hiện tượng này người ta gọi là hiện tượng mất nửa sóng khi ánh sáng phản xạ trên môi trường chi t qu ng hơn môi trường chư ti tới (Hình 2.2.9). Hình 2.2.9 3.2. Cách tạo ra hai sóng ánh sáng kết hợp Xét hai nguồn sáng k t hợp S1 và S2 có phương trình d o ộng sang (Hình 2.2.10) E1=E0 sinwt E2=E0 sinwt Hình 2.2.10 Tại iểm M trên màn ảnh cách hai nguồn những khoảng r1=S1M và r2=S2M sẽ nhận ược h i d o ộng sáng có phương trình: r1 E1M E01Sin(t ) V r2 E2M E02Sin(t ) (2.2.10) V Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 41
Gọi khoảng cách giữa hai nguồn là a=S1S2 và khoảng cách từ S1, S2 tới màn ảnh là D. Trong trường hợp D>>a và M rất gần iểm C là gi o iểm c h i ường trung tr c c a a và màn ảnh thì: E01 » E02 = EOM D o ộng sáng t ng hợp tại M có phương trình: r r r r E E E 2E Cos( 2 1 )Sin(t 2 1 ) (2.2.11) M M1 M1 M 0 V 2V r r Với: A 2E cos 2 1 OM 2V 3.2.1. Điều kiện để có vân sáng và vân tối * Vân sáng: Cường ộ sáng tại iểm M tỷ lệ với A2 nên tại M là một iểm sáng khi: A=2EOM r r r r Cos( 2 1 ) 1 ( 2 1 k (2.2.12) 2V 2V Hiệu ph n ầu c a hai sóng tại M là: r1 r2  và  nên j2 - j1 = 2kp 1 v 2 v Như vậy ộ sáng sẽ c c ại tại những iểm mà hiệu số pha c a hai sóng bằng 2kp, tức là h i sóng ông ph . Ta có: v C r r 2k 2k L n(r r ) k (2.2.13) 1 2  n2 2 1 0 Khi hiệu quang lộ DL c a hai sóng bằng một số nguyên lần ước sóng trong chân không thì: tại iểm gặp nh u ó có một iểm sáng. Tập hợp những iểm M ứng với cùng một giá trị c a k lập thành một vân sáng Tại C, k= 0 là vân sáng trung tâm. Hai bên vân sáng trung tâm có các vân sáng bậc k=±1, ±2 * Vân tối: M là iểm tối n u A=0 hay là: r r cos ( 2 1 ) 0 (2k 1) (2.2.14) 2V 2 1 Như vậy, ộ sáng sẽ c c tiểu tại những iểm mà hiệu số pha c a hai sóng bằng 2(k+1)p, tức là h i sóng ngược pha. Từ (2.2.14) bằng cách bi n i tương t như trên t có:  L n(r r ) (2k 1) 0 (2.2.15) 2 1 2 Khi hiệu quang lộ ΔL c a hai sóng bằng một số lẻ nử ước sóng trong chân không thì tại iểm gặp nh u ó có một iểm tới. Tập hợp những iểm tối ứng với cùng một giá trị c a k là thành lập một vân tối, các vân tối nằm xen kẽ với vân sáng. 3.2.2. Vị trí vân sáng và tối trên màn quan sát D Vị trí vân sáng: yk  (2.2.16) s a D Vị trí vân tối: yk 2 1 . . (2.2.17) t a 3.2.3. Khoảng vân v điều kiện quan sát - Khoảng vân i: là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên ti p nhau: Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 42
D i const (2.2.18) a - Điều kiện quan sát được hệ vân Từ (6.18) ta thấy ể có thể phân biệt ược hai vân sáng cạnh nh u thì òi hỏi i phải lớn sao cho khoảng cách góc > l' là năng suất phân ly c a mắt. Do ó, a phải nhỏ nên phù hợp với giả thuy t a<<D ở trên. Mặt khác với những iểm M cách x C thì iều kiện y<<D không ược thoả mãn nên th c t chỉ qu n sát ược một số hữu hạn vân sáng. 3.3. Giao thoa với ánh sáng trắng N u S1, S2 là nguồn phát ra ánh sáng trắng ( ược phát ra từ một nguồn sáng trắng nào ó) bao gồm nhiều thành phần ơn sắc có ước sóng nằm trong giới hạn 0,40 µm <  <0,76µm, mỗi thành phần ơn sắc cho một hệ vân giao thoa riêng có vị trí phụ thuộc vào ước sóng. Với vân sáng bậc 0 (k=0), mọi thành phần ều cho một vân sáng, các vân này trùng khít lên nhau tại C, nên tại C t thu ược một vân sáng trắng gọi là vân sáng trung tâm. Với vân sáng bậc 1 (k= ±1) các thành phần ơn sắc tách rời nhau tạo thành hai dãy màu cầu vòng ở hai bên vân sáng trung tâm, màu tím ở trong, màu ỏ ở ngoài. Với những bậc giao thoa lớn hơn, có s chồng chất c a một số các vân sáng ơn sắc khác nhau thoả mãn iều kiện: k1l1 = k2l2 (2.2.19) Với k khá lớn, các vân ơn sắc chồng lên nh u nhiều n nỗi t không phân iệt ược các vân nữ và chỉ thấy một màu trắng. Màu trắng này không các thành phần ơn sắc như màu c vân sáng trung tâm nên gọi là màu trắng ậc cao. 4. Cách tử v nhiễu xạ ánh sáng 4.1. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng Cho một ánh sáng từ nguồn iểm O truyền qua một lỗ tròn nhỏ trên màn chắn sáng M. S u M ặt một màn ảnh E. Theo ịnh luật truyền thẳng thì trên màn ảnh E có một vệt sáng tròn ường kính AB và n u thu nhỏ lỗ tròn thì vệt sáng c ng thu nhỏ lại. Tuy nhiên th c nghiệm cho thấy khi thu nhỏ lỗ tròn n một mức ộ nào ó thì trên màn ảnh E trong miền AB xuất hiện những vòng tròn tối và ngoài miền AB lại xuất hiện những vòng tròn sáng. Đặt biệt tại C0 có thể sáng hoặc tối tuỳ theo kích thước c a lỗ tròn và khoảng cách từ lỗ tới màn ảnh. Điều ó chứng tỏ khi ánh sáng qua lỗ tròn nhỏ các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng. Hiện tượng tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi gần n vật cản gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, các vòng tròn sáng và tối gọi là vân nhiễu xạ. Hình 2.2.11 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 43
4.2. Cách tử nhiễu xạ ánh sáng Hình 2.2.12 4.2.1. Định nghĩa Tập hợp những khe hẹp giống nh u, song song cách ều và nằm trong cùng một mặt phẳng ược gọi là cách tử nhiễu xạ. Khoảng cách giữa hai khe k ti p ược gọi là chu kì c a cách tử (hình 2.2.12). 1 Số khe trên một ơn vị chiều dài c a cách tử là: n d 4.2.2. Hiện tƣợng giao thoa qua cách tử Từ k t quả ở trên t nhận thấy mỗi khe hẹp cho một hệ vân nhiễu xạ ều có vân trung tâm tại C0, do ó các hệ vân này chồng khít lên nh u. Ánh sáng nhiễu xạ là s k t hợp nên một lần nữ chúng lại gi o tho với nh u. K t quả trên màn ảnh ở những vân sáng nhiễu xạ lại xuất hiện một hệ vân gi o tho . Trên màn ảnh những iểm có c c tiểu nhiễu xạ qu một khe hẹp c ng là các c c tiểu c  hệ vân gi o tho qu N khe gọi là các c c tiểu chính, có vị trí: sin k . a S phân ố cường ộ sáng giữ h i c c tiểu chính, h i ti sáng phát r từ h i khe liên ti p n M có hiệu qu ng lộ là: DL=d.sinj Để có c c ại giao thoa: DL=kl  Vậy: sin k . (13.36) với k=±1,±2, d Tại C0 (k=0 và j=0) là c c ại giao thoa c a ánh sáng nhiễu xạ, gọi là c c ại chính giữa. dd 2 Những c c ại có k là những c c ại chính với cường ộ sáng Ijgt=N Ij aa Trong ó Ijgt là cường ộ sáng c vân gi o tho theo phương j c a cách tử có N khe Ij là cường ộ sáng c a vân nhiễu xạ qua một khe xác ịnh. Giữa hai c c ại chính có (N - 1) c c tiểu phụ có cường ộ sáng bằng 0. Giữa hai c c ại chính có N - 2 c c ại phụ. Thông thường ta chỉ qu n sát ược các c c ại giao thoa nằm trong vân sáng trung tâm gồm những vạch sáng song song cách ều với ộ sáng giảm dần. 5. Sự tán sắc ánh sáng, quang phổ v phổ kế 5.1. Tán sắc ánh sáng - Sự tán sắc ánh sáng: Tán sắc ánh sáng là s phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng ơn sắc. - Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng: Ánh sáng ơn sắc là ánh sáng không ị tán sắc khi i qu lăng kính. Mỗi ánh sáng ơn sắc có một màu gọi là màu ơn sắc. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 44
Mỗi màu ơn sắc trong mỗi môi trường có một ước sóng xác ịnh. Khi truyền qu các môi trường trong suốt khác nh u vận tốc c ánh sáng th y i, ước sóng c ánh sáng th y i còn tần số c ánh sáng thì không th y i. Ánh sáng trắng là tập hợp c vô số ánh sáng ơn sắc khác nh u có màu i n thiên liên tục từ ỏ n tím. Dải có màu như cầu vồng (có có vô số màu nhưng ược chi thành 7 màu chính là ỏ, c m, vàng, lục, l m, chàm, tím) gọi là qu ng ph c ánh sáng trắng. Chi t suất c các chất lỏng trong suốt i n thiên theo màu sắc c ánh sáng và tăng dần từ màu ỏ n màu tím. */*Ứng dụng của sự tán sắc ánh sáng Hiện tượng tán sắc ánh sáng ược dùng trong máy qu ng ph ể phân tích một chùm sáng sắc, do các vật sáng phát r , thành các thành phần ơn sắc. Nhiều hiện tượng qu ng học trong khí quyển, như cầu vồng chẳng hạn xảy r do s tán sắc ánh sáng. Đó là vì trước khi tới mắt t , các ti sáng Mặt Trời ã ị khúc xạ và phản xạ trong các giọt nước. Hiện tượng tán sắc làm cho ảnh c một vật trong ánh sáng trắng qu thấu kính không rỏ nét mà ị nhòe, lại ị viền màu sắc (gọi là hiện tượng sắc s i). 5.2. Quang phổ và quang phổ kế. Máy quang phổ lăng kính (hình 2.2.13) - Máy qu ng ph là dụng cụ phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành những thành phần ơn sắc khác nh u. - Máy dùng ể nhận i t các thành phần cấu tạo c một chùm sáng phức tạp do một nguồn phát r . - Máy qu ng ph có ộ phận chính: - Ống chuẩn tr c là ộ phận tạo r chùm sáng song song. Hình 2.2.13 - Hệ tán sắc có tác dụng phân tích chùm ti song song thành nhiều chùm ti ơn sắc song song. - Buồng ảnh dùng ể qu n sát h y chụp ảnh qu ng ph . - Nguyên tắc hoạt ộng máy qu ng ph lăng kính d trên hiện tượng tán sắc ánh sáng. - Quang phổ liên tục + Qu ng ph liên tục là một dải màu liên tục từ ỏ n tím. + Qu ng ph liên tục do các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí có áp suất lớn, phát r khi ị nung nóng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 45
+ Qu ng ph liên tục c các chất khác nh u ở cùng một nhiệt ộ thì hoàn toàn giống nhau và chỉ phụ thuộc vào nhiệt ộ c chúng. - Quang phổ vạch phát xạ + Qu ng ph vạch phát xạ là một hệ thống những vạch sáng riêng lẻ, ngăn cách nh u ởi những khoảng tối. + Qu ng ph vạch phát xạ do các chất khí h y hơi ở áp suất thấp phát r khi ị kích thích ằng iện h y ằng nhiệt. + Qu ng ph vạch c các nguyên tố khác nh u thì rất khác nh u về số lượng các vạch, vị trí và ộ sáng tỉ ối giữ các vạch. Mỗi nguyên tố hó học có một qu ng ph vạch ặc trưng c nguyên tố ó. Ví dụ, trong qu ng ph vạch phát xạ c hi rô, ở vùng ánh sáng nhìn thấy có ốn vạch ặc trưng là vạch ỏ, vạch l m, vạch chàm và vạch tím. + Phân tích qu ng ph vạch, t có thể xác ịnh s có mặt c các nguyên tố và cả hàm lượng c chúng trong mẫu vật. - Quang phổ hấp thụ + Qu ng ph hấp thụ là vạch h y ám vạch tối trên nền c một qu ng ph liên tục. + Qu ng ph hấp thụ c chất lỏng và chất rắn chứ các ám vạch, mỗi ám gồm nhiều vạch hấp thụ nối ti p nh u một cách liên tục. + Qu ng ph hấp thụ c chất khí chỉ chứ vạch hấp thụ và ặc trưng cho chất khí ó. 6. Sự hấp thụ ánh sáng 6.1. Sự hấp thụ ánh sáng Chi u một chùm sáng ơn sắc song song có cường ộ I0 vuông góc vào một lớp môi trường có ộ dầy L. N u ỏ qu hiện tượng mất ánh sáng do phản xạ và tán xạ mà cường ộ I c ánh sáng r khỏi môi trường ị giảm i (tức là I < I0) thì còn có s hấp thụ ánh sáng ởi môi trường. Hình 2.2.14 6.2. Hệ số hấp thụ (α) Hệ số hấp thụ α phụ thuộc vào ước sóng ánh sáng vì th t nói s hấp thụ có tính chọn lọc. Với chất có α ít th y i theo ước sóng t nói chất ó hấp thụ không chọn lọc. Trong th c t hầu h t các chất ều hấp thụ chọn lọc (hình 2.2.15). Riêng ối với các chất khí loãng, hệ số hấp thụ ối với hầu h t các ước sóng gần ằng không chỉ trừ một vài miền qu ng ph rất hẹp ( ộ rộng vài trăm Ao) Hình 2.2.15 Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 46
Hình 2.3.16 Quan sát hình 2.3.15 t thấy có các vạch hấp thụ rất mạnh. Các c c ại ứng với tần số cộng hưởng c electron trong nguyên tử. Ðối với các khí nguyên tử, t qu n sát ược các vạch hấp thụ nằm sát nh u tạo thành dãy hấp thụ. Cấu trúc c những dãy hấp thụ phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo c các phân tử. Vì th nghiên cứu qu ng ph hấp thụ t có thể i t cấu tạo phân tử. Ðó là nội dung c phương pháp phân tích qu ng ph hấp thụ. Các chất rắn, lỏng và khí ở áp suất c o cho t các ám hấp thụ rất rộng (hình 2.3.16). Khi tăng áp suất c chất khí, các vạch hấp thụ rộng r và khi áp suất rất c o thì ph hấp thụ c chất khí rất giống với ph hấp thụ c nó ở trạng thái lỏng. Ðiều ó cho thấy s mở rộng các vạch qu ng ph là iểu hiện c s tương tác giữ các phân tử.  Câu hỏi (b i tập) củng cố: */* Tự luận: 1. Chi u một ti sáng ơn sắc có ước sóng λ vào màn M, khoảng cách từ nguồn sáng n màn M là D, người t ặt ở giữ nguồn sáng và màn M h i ản mỏng, trong suốt, có h i mặt song song, có chi t suất lần lượt là n1, n2 và có ề dầy tương ứng là e1, e2. Vẽ hình và vi t iểu thức qu ng lộ c ti sáng. 2. Chi u một chùm ti sáng S có ước sóng λ = 0,6μm vào hai khe hở hẹp song song cách nhau 1mm và cách ều S. Trên màn ảnh ặt song song và cách mặt phẳng chứ h i khe 1m, t thu ược hệ thống vân gi o tho . .Tính khoảng cách giữ h i vân sáng liên ti p. . Đặt trước một trong h i khe một ản mỏng phẳng, trong suốt có h i mặt song song, ề dày e = 12μm và có chi t suất n thì thấy hệ thống vân gi o tho dịch chuyển một oạn Δ = 6 mm. Tìm chi t suất c ản mỏng. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 47
*/* Trắc nghiệm: 1. Để có hiện tượng gi o tho ánh sáng thì h i d o ộng thành phần phải: a. Cùng tần số b. Cùng phương d o ộng c. Hiệu số ph không i theo thời gi n d. Ngược phương d o ộng 2. Qu ng lộ c ti sáng trên ộ dài ường truyền 2m trong môi trường là 3m. Điều này có nghĩ là: a. Vận tốc truyền c ánh sáng trong môi trường là 2.108m/s b. Môi trường chi t suất là 1,5 c. Vận tốc truyền c ánh sáng trong môi trường là 3.108m/s d. Môi trường chi t suất là 1,3 3. Trong thí nghiệm gi o tho qu khe Young th c hiện trong chân không, người t ặt trước khe S2 một ản mặt song song có chi t suất là 1,33. Khi ó vân trung tâm: . dịch chuyển trên màn theo chiều S1S2 . dịch chuyển trên màn theo chiều S2 S1 c. không dịch chuyển trên màn d. không i t vì chư i t ước sóng ánh sáng 4. Khoảng cách giữ h i khe Young là l = 0,5 mm, ược chi u ằng ánh sáng ơn sắc có ước sóng  = 0,5 m. Màn qu n sát ở cách mặt phẳng chứ h i khe một oạn D = 1 m. Hệ thống ược ặt trong không khí. Tại một iểm M trên màn qu n sát cách vân trung tâm một khoảng i = 3,5 mm có vân loại gì? Bậc mấy? . vân tối ậc 4 . vân tối ậc 3 c. vân sáng ậc 3 d. vân sáng ậc 4 5. Khoảng cách giữ h i khe Young là l = 1 mm, ược chi u ằng ánh sáng ơn sắc có ước sóng  = 0,5 m. Màn qu n sát ở cách mặt phẳng chứ h i khe một oạn D = 3 m. Hệ thống ược ặt trong không khí. Vị trí vân tối thứ 3 là: a. 5,25 mm b. 7,5 mm c. 3,75 mm d. 4,5 mm 6. Khoảng cách giữ h i khe Young là l = 1 mm, ược chi u ằng ánh sáng ơn sắc có ước sóng  = 0,6 m. Màn qu n sát ở cách mặt phẳng chứ h i khe một oạn D = 1 m. N u ặt hệ thống trong một chi t suất n thì khoảng cách giữ h i vân sáng liên ti p i = 0,45 mm. Chi t suất c chất lỏng là: a. 1,25 b. 1,5 c. 1,2 d. 1,33 7. Nguồn sáng ơn sắc có ước sóng  = 600 nm, chi u sáng mặt phẳng chứ h i khe hẹp, song song và cách nh u 1 mm và cách ều nguồn sáng. Màn qu n sát cách mặt phẳng chứ h i khe 1 m. Khoảng vân trên màn là: a. 0,455 mm b. 0,9 mm c. 0,6 mm d. 0,7 mm 8. Một thấu kính th y tinh ược tráng mỏng một mặt ằng một chất có chi t suất ằng 1,6 ể làm giảm phản xạ từ mặt thấu kính. Cho i t ánh sáng tới vuông góc với mặt thấu kính, chi t suất c th y tinh là 1,5. Bề dầy tối thiểu c lớp mỏng ể khử ánh sáng phản xạ từ vùng ph khả ki n (λ = 550nm) ằng: a. e = 171,875nm b. e = 0, 875m c. e = 171,875mm d. 0,575 dm 9. Chi u một chùm sáng ơn sắc có ước sóng 480nm thẳng góc với h i khe hẹp, sát h i khe có ặt một thấu kính hội tụ tiêu c 52cm. Phí s u cách h i khe 52cm ặt màn qu n sát. N u ộ rộng c mỗi khe 0,025mm thì khoảng cách từ c c ại chính giữ n c c tiểu nhiễu xạ thứ nhất ằng: a. 9,98 mm b. 6,89 mm c. 16,89 mm d. 13,89 mm Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 48
BÀI 3 QUANG HẠT VÀ THUYẾT LƢỢNG TỬ  Mục tiêu học tập: S u khi học xong ài này, người học có thể: - Trình bày ản chất Quang hạt và thuy t lượng tử. - Giải thích ược tính chất hạt c ánh sáng. 1. Các hiệu ứng thể hiện tính chất hạt của ánh sáng Lý thuy t hạt ánh sáng, ược Isaac Newton ư r , cho rằng dòng ánh sáng là dòng di chuyển c các hạt vật chất. Lý thuy t này giải thích ược hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác c ánh sáng; tuy nhiên không giải thích ược nhiều hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ m ng tính chất sóng. Trong một số trường hợp tại s o một electron lại giống như sóng, trong một số trường hợp khác lại giống như hạt ? Để giải thích cho vấn ề này, trước tiên t xét các hiện tượng như nhiễu xạ, gi o tho , hiệu ứng qu ng iện và hiệu ứng Compton là những ằng chứng th c nghiệm vững chắc khẳng ịnh rằng cả vật chất lẫn ánh sáng th c t ều có lưỡng tính sóng hạt. Tuy nhiên, cả h i tính chất ó không ộc lộ ồng thời trong một thí nghiệm ơn nhất. Tính chất nào ược ộc lộ là do ản chất c thí nghiệm quy t ịnh. Trong phần này, chỉ ề cập tại các hiệu ứng thể hiện tính chất hạt c ánh sáng. 1.1. Hiệu ứng Quang điện Chi u một chùm sáng lên một ề mặt kim loại sạch (n u iều kiện th c nghiệm là thích hợp) thì ánh sáng có thể làm ật các electron từ mặt kim loại ó (các electon ật r ược gọi là các qu ng electron) gọi là hiệu ứng qu ng iện. Đ số chúng t ã quá quen thuộc với những ứng dụng c hiệu ứng qu ng iện, chẳng hạn trong các cơ cấu mở cử t ộng hoặc các hệ thống áo ộng. Khi hiệu ứng qu ng iện ược nghiên cứu kỹ lưỡng trong phòng thí nghiệm, chúng t thấy rằng các k t quả th c nghệm không thể giải thích ược ằng mô hình sóng c ánh sáng. Trong khi ó, như Einstein ã chỉ r , s giải thích hiệu ứng qu ng iện là hoàn toàn dễ dàng n u chúng t xem nó như là “ s v chạm” giữ một photon tới và một electron trong kim loại (Hình 2.3.1) K - + A G - + - + Hình 2.3.1. Sơ đồ thí nghiệm hiện tượng quang điện Có thể nghiên cứu th c nghiệm hiện tượng qu ng iện ằng một sơ ồ thí nghiệm ố trí như hình 2.3.1 trong ó phần tử ch y u là một t ào qu ng iện. Khi rọi một chùm ức xạ iện từ thích hợp vào c tot c t ào qu ng iện trong mạch xuất hiện dòng qu ng iện trở ởi iện k G. Th y i hiệu iện th U giữ not và c tot t ược ồ thị dòng qu ng iện như hình 2.3.2. Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 49
Hình 2.3.2. Đồ thị dòng quang điện */* Qua đồ thị ta nhận thấy rằng: - B n ầu cường ộ dòng qu ng iện tăng theo hiệu iện th U; khi tăng n một mức ộ nào ó cường ộ dòng qu ng iện ạt tới một giá trị không i gọi là cường ộ dòng qu ng iện ảo hò . - Ng y khi hiệu iện th U = 0, cường ộ dòng qu ng iện vẫn có giá trị I0 ≠ 0. Điều này 1 chứng tỏ rằng các qu ng electron khi ắn r khỏi c tot có ộng năng n ầu mv. 2 . 2 0 - Có thể triệt tiêu dòng qu ng iện ằng cách tác dụng lên h i c c c t ào qu ng iện một hiệu iện th ngược (gọi là hiệu iện th cản) Uc: hiệu iện th cản có giá trị s o cho công cản c iện trường ằng ộng năng n ầu c c ại c qu ng electron: 1 eU mv2 h 2 0max 1.2. Công thức Anhxtanh về hiện tƣợng quang điện c 1 - Công thức: hf h A mv2 (2.3.1)  2 0max - Trong ó: 1 mv 2 : là ộng năng n ầu c c ại c các electron qu ng iện 2 0max A: Công thoát c electron - Hiệu điện thế hãm: Muốn cho dòng qu ng iện triệt tiêu hoàn toàn thì hiệu iện th giữ nôt (A) và c tốt (K) phải ạt tới một giá trị âm nào ó và t gọi ó là hiệu iện th hãm. 1 2 e Uh mv0max (2.3.2) 2 - Hiệu suất của hiệu ứng quang điện (hiệu suất lƣợng tử): n H e (2.3.3) n ph Trong ó: ne : là số electron ật r từ kim loại nph : là số phôtôn tới kim loại - Cƣờng độ dòng quang điện bão ho : Ibh = ne e (A) (2.3.4) với : eC 1,6.10 19 , 1eV = 1,6.10-19 J Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 50
hc - Công suất chiếu sáng: P = nphε = nph.hf = nph (W) (2.3.5)  1.3. Hiệu ứng Compton Hiện tượng compton là một trong những hiện tượng thể hiện rõ nét ản chất hạt c các ức xạ iện từ, nó chứng minh s tồn tại ộng lượng c các hạt photon. Năm 1892 Compton ã làm thí nghiệm: cho 1 chùm ti X ước sóng λ dọi vào các chất như p r phin, gr phit Compton nhận thấy khi i qu các chất này chùm ti X ị tán xạ. Trong ph ti X tán xạ ngoài vạch có ước sóng ằng ước sóng λ c chùm ti X tới, còn xuất hiện vạch có ước sóng λ’ > λ . Th c nghiệm chứng tỏ rằng λ’ không phụ thuộc cấu tạo các chất ược dọi ti X mà chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ θ. Độ tăng ước sóng ược tính theo công thức: Δ λ = λ’ - λ . Giả sử trước khi v chạm với chùm photon X, các electron ứng yên. T hãy tính lần lượt năng lượng và ộng lượng c photon X c ng như c electron trước và s u v chạm (Bảng 2.3.1) Bảng 2.3.1. Năng lượng trước và sau khi va trạm của photon và electron Năng lƣợng Động lƣợng Hạt Trƣớc va chạm Sau va chạm Trƣớc va chạm Sau va chạm hv. hv.' Photon h.v h.v’ P = P’ = c c 2 mce . Pe = 2 2 Electron me.c v 0 1 c2 Trước v chạm ộng lượng c hạt photon X là P , s u v chạm ộng lượng c hạt photon X là P ' và c electron là Pe . Theo ịnh luật ảo toàn năng lượng và ộng lượng t có: 2 hv + me. c = h. v’ + (2.3.6) 1.4. Các giả thuyết dẫn đến thuyết lƣợng tử Ở các phần trước c cơ học c iển, chúng t ã khảo sát các dạng vận ộng cơ – ó là s chuyển dời vị trí c các vật vĩ mô. Tuy nhiên, khi i sâu vào th giới vi mô – nghĩ là nghiên cứu s vận ộng c vật chất trong phạm vi kích thước phân tử, nguyên tử trở xuống (10-9 m n 10-10 m trở xuống), quy luật vận ộng c nó về ản chất khác hẳn quy luật vận ộng c các vật vĩ mô. Do ó, cơ học c iển ị hạn ch , không thể áp dụng cho các hạt vận ộng trong th giới vi mô. Để giải quy t khó khăn này cần phải có những thuy t mới, công cụ toán học mới. Vì lẽ ó môn vật lý lượng tử ã r ời. 1.4.1. Tính sóng hạt của ánh sáng Như ã i t, ánh sáng vừ có tính chất sóng, vừ có tính chất hạt. Tính chất sóng ược thể hiện rõ rệt trong các hiện tượng như: gi o tho , nhiễu xạ, còn tính chất hạt thể hiện rõ rệt trong các hiện tượng qu ng iện, Kongton, Lưỡng tính sóng hạt c ánh sáng ã ược Anhxt nh nêu lên trong thuy t lượng tử ánh sáng. Theo thuy t này ánh sáng cấu tạo ởi các hạt photon, mỗi hạt m ng năng lượng: W = h.v Và có ộng lượng ằng: Tài liệu giảng dạy Môn: Vật lý đại cương ngành Dược học 51