Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 37
Đề bài: Khi thay đổi thể tích của một khối lượng khí xác định ở nhiệt độ không đổi thì áp suất khí thay đổi như thế nào?
Lời giải:
Ở nhiệt độ không đổi, khi thay đổi thể tích của một khối lượng khí xác định thì áp suất khí thay đổi ngược lại:
- Khi thể tích giảm → mật độ phân tử tăng → số va chạm của phân tử lên thành bình trong một đơn vị thời gian tăng → áp suất tăng.
- Khi thể tích tăng → mật độ phân tử giảm → áp suất giảm.
Nói cách khác, áp suất khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.
I. Các thông số trạng thái của một lượng khí
Câu hỏi trang 37
Đề bài:
Các thông số trạng thái của một lượng khí đều là đại lượng có thể đo hoặc xác định được bằng các dụng cụ đo lường.
- Người ta dùng các dụng cụ nào để đo, xác định các thông số trạng thái của lượng khí trong hộp kín ở Hình 9.1?
- Nêu tên đơn vị của các đại lượng này trong hệ SI.
Lời giải:
1. Dựa vào Hình 9.1, các dụng cụ được dùng để đo/xác định:
- Nhiệt kế: đo nhiệt độ $T$ của khí.
- Áp kế: đo áp suất $p$ của khí.
- Thước đo: đo kích thước hộp kín để tính thể tích $V$.
- Cân: xác định khối lượng $m$ của lượng khí (không có trong hình nhưng là dụng cụ chung).
2. Đơn vị của các đại lượng trong hệ SI:
- Khối lượng $m$: kilôgam (kg)
- Thể tích $V$: mét khối (m³)
- Nhiệt độ $T$: kelvin (K)
- Áp suất $p$: pascal (Pa)
Câu hỏi trang 37
Đề bài: Hãy so sánh các thông số trạng thái của không khí trong một quả bóng bay đã được bơm khi để trong bóng mát và khi để ngoài nắng (Hình 9.3).
Lời giải:
Cùng một quả bóng đã được bơm, so sánh khi để trong bóng mát (a) và ngoài nắng (b):
| Thông số | Trong bóng mát (a) | Ngoài nắng (b) |
|---|---|---|
| Khối lượng $m$ | Không đổi | Không đổi |
| Nhiệt độ $T$ | Thấp hơn | Cao hơn (do bị nắng chiếu) |
| Thể tích $V$ | Nhỏ hơn | Lớn hơn (quả bóng nở căng ra) |
| Áp suất $p$ | Thấp hơn | Cao hơn |
Giải thích ngắn: khi để ngoài nắng, khí trong bóng nhận nhiệt → nhiệt độ tăng → các phân tử chuyển động nhanh và mạnh hơn → áp suất tăng → bóng nở to hơn (thể tích tăng).
II. Định luật Boyle
Hoạt động trang 38 – 39
Đề bài: Thí nghiệm về quá trình đẳng nhiệt: bố trí thí nghiệm như Hình 9.4, dịch chuyển pit-tông để thay đổi thể tích khí, đọc và ghi kết quả vào Bảng 9.1.
Từ kết quả thí nghiệm ở Bảng 9.1, thực hiện các yêu cầu sau:
- Xác định giá trị của tích $pV$ trong mỗi lần thí nghiệm.
- Vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất $p$ vào thể tích $V$ trong hệ toạ độ $(p, V)$.
- Phát biểu mối quan hệ giữa $p$ và $V$ trong quá trình đẳng nhiệt.
Lời giải:
1. Tính tích $pV$ từ Bảng 9.1:
| Lần thí nghiệm | $V$ (cm³) | $p$ ($10^5$ Pa) | $pV$ ($10^5$ Pa·cm³) |
|---|---|---|---|
| 1 | 3,0 | 1,0 | 3,00 |
| 2 | 2,5 | 1,2 | 3,00 |
| 3 | 2,0 | 1,5 | 3,00 |
| 4 | 1,5 | 1,9 | 2,85 |
Nhận xét: các giá trị của tích $pV$ xấp xỉ bằng nhau và bằng khoảng 3,0 ($10^5$ Pa·cm³). Sự chênh lệch nhỏ ở lần 4 là do sai số trong quá trình đo.
2. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của $p$ vào $V$: có dạng là một nhánh đường hypebol, đi qua các điểm dữ liệu trong bảng.
3. Mối quan hệ giữa $p$ và $V$ trong quá trình đẳng nhiệt:
Áp suất $p$ tỉ lệ nghịch với thể tích $V$, tức là:
$$pV = \text{hằng số}$$
Câu hỏi trang 39
Đề bài:
- Nếu vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của $p$ vào $\dfrac{1}{V}$ thì đường biểu diễn sẽ có dạng như thế nào? Tại sao?
- Tìm ví dụ về quá trình đẳng nhiệt trong đời sống.
Lời giải:
1. Từ định luật Boyle: $pV = \text{hằng số}$, ta có thể viết lại:
$$p = \text{hằng số} \cdot \dfrac{1}{V}$$
Đây là hàm bậc nhất theo biến $\dfrac{1}{V}$, có dạng $y = kx$ (với $k > 0$).
→ Đường biểu diễn sự phụ thuộc của $p$ vào $\dfrac{1}{V}$ là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
2. Một số ví dụ về quá trình đẳng nhiệt trong đời sống:
- Bơm xe đạp chậm rãi: khí trong bơm bị nén dần, có thời gian trao đổi nhiệt với môi trường nên nhiệt độ ổn định.
- Bọt khí nổi lên trong nước: khi bọt khí đi từ đáy lên mặt nước, nếu nước có nhiệt độ đồng đều thì đây là quá trình đẳng nhiệt (áp suất giảm dần, thể tích bọt tăng dần).
- Bóp quả bóng bay từ từ: khí trong bóng bị nén, quá trình xảy ra chậm nên nhiệt độ không thay đổi đáng kể.
- Kéo pit-tông của ống tiêm bịt đầu: thể tích khí trong ống tăng dần, áp suất giảm dần, nhiệt độ khí gần như không đổi.
Bài tập vận dụng trang 40
Bài 1
Đề bài: Một quả bóng chứa 0,04 m³ không khí ở áp suất 120 kPa. Tính áp suất của không khí trong bóng khi làm giảm thể tích bóng còn 0,025 m³ ở nhiệt độ không đổi.
Lời giải:
Tóm tắt:
- Trạng thái 1: $V_1 = 0{,}04 ; \text{m}^3$; $p_1 = 120 ; \text{kPa}$
- Trạng thái 2: $V_2 = 0{,}025 ; \text{m}^3$; $p_2 = ?$
- Nhiệt độ không đổi → quá trình đẳng nhiệt.
Áp dụng định luật Boyle:
$$p_1 V_1 = p_2 V_2$$
$$\Rightarrow p_2 = \dfrac{p_1 V_1}{V_2} = \dfrac{120 \cdot 0{,}04}{0{,}025} = \dfrac{4{,}8}{0{,}025} = 192 ; \text{kPa}$$
Kết luận: Áp suất của không khí trong bóng sau khi giảm thể tích là $p_2 = 192$ kPa.
Bài 2
Đề bài: Một bọt khí nổi từ đáy giếng sâu 6 m lên mặt nước. Khi lên tới mặt nước, thể tích của bọt khí tăng lên bao nhiêu lần? Coi áp suất khí quyển là $1{,}013 \cdot 10^5$ Pa; khối lượng riêng của nước giếng là 1003 kg/m³ và nhiệt độ của nước giếng không thay đổi theo độ sâu.
Lời giải:
Tóm tắt:
- Độ sâu $h = 6$ m; áp suất khí quyển $p_0 = 1{,}013 \cdot 10^5$ Pa
- Khối lượng riêng nước $\rho = 1003 ; \text{kg/m}^3$; lấy $g = 9{,}8 ; \text{m/s}^2$
- Nhiệt độ không đổi → quá trình đẳng nhiệt.
• Bước 1: Xác định áp suất khí ở đáy giếng và ở mặt nước.
Áp suất khí trong bọt ở đáy giếng bằng áp suất khí quyển cộng với áp suất do cột nước gây ra:
$$p_1 = p_0 + \rho g h = 1{,}013 \cdot 10^5 + 1003 \cdot 9{,}8 \cdot 6$$
$$p_1 = 101,300 + 58,976{,}4 \approx 160,276 ; \text{Pa} \approx 1{,}603 \cdot 10^5 ; \text{Pa}$$
Áp suất khí trong bọt ở mặt nước bằng áp suất khí quyển:
$$p_2 = p_0 = 1{,}013 \cdot 10^5 ; \text{Pa}$$
• Bước 2: Áp dụng định luật Boyle.
$$p_1 V_1 = p_2 V_2 \Rightarrow \dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{p_1}{p_2}$$
$$\dfrac{V_2}{V_1} = \dfrac{1{,}603 \cdot 10^5}{1{,}013 \cdot 10^5} \approx 1{,}58$$
Kết luận: Khi lên tới mặt nước, thể tích bọt khí tăng lên khoảng 1,58 lần so với ban đầu.
Em có thể
Dùng định luật Boyle giải thích được các hiện tượng thực tế đơn giản có liên quan
Lời giải:
Định luật Boyle: ở nhiệt độ không đổi, áp suất và thể tích của một khối lượng khí xác định tỉ lệ nghịch với nhau. Dưới đây là một số hiện tượng thực tế:
1. Bơm xe đạp, bơm bóng:
Khi ấn pit-tông của bơm đi xuống, thể tích khí trong bơm giảm mạnh → áp suất khí tăng cao → đủ lớn để đẩy khí vào săm xe (nơi có áp suất thấp hơn).
2. Bọt khí nổi lên từ đáy hồ, đáy giếng:
Càng lên gần mặt nước, áp suất bên ngoài (do cột nước gây ra) giảm dần → thể tích của bọt khí tăng dần, bọt khí nở to lên. Đây chính là hiện tượng ở Bài 2 phần trên.
3. Kéo pit-tông của ống tiêm/xi lanh (bịt đầu):
Khi kéo pit-tông ra, thể tích khí trong ống tăng → áp suất khí trong ống giảm → thấp hơn áp suất khí quyển bên ngoài. Chính sự chênh lệch áp suất này giúp hút chất lỏng vào ống tiêm.
4. Máy hút bụi:
Motor tạo vùng có áp suất thấp bên trong máy → không khí bên ngoài (áp suất cao hơn) tràn vào, mang theo bụi bẩn.
5. Súng bơm hơi, súng nén khí:
Khí trong xi lanh bị nén mạnh → thể tích rất nhỏ, áp suất rất cao → khi mở van, khí bung ra với lực đẩy lớn.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn