Khóa luận Sử dụng tiếng Anh cho vật lý trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lưu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
---------------------

ĐỖ PHƢƠNG THẢO

SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ
TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN
CƠ HỌC CHẤT LƢU
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng

HÀ NỘI, 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
KHOA VẬT LÝ
-----------------------------------------

ĐỖ PHƢƠNG THẢO
ĐỖ PHƢƠNG THẢO

SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ
SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÝ
TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN
TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN
CƠ HỌC CHẤT LƢU
CƠ HỌC CHẤT LƢU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng
Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

GV. ThS HOÀNG VĂN QUYẾT
GV. ThS HOÀNG VĂN QUYẾT

HÀ NỘI, 2018


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc khi trình bày nội dung chính của khóa luận, tơi xin tỏ lịng biết ơn
sâu sắc tới ThS. Hoàng Văn Quyết ngƣời đã định hƣớng chọn đề tài và tận
tình hƣớng dẫn để tơi có thể hồn thành khóa luận này.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo giảng
dạy chuyên ngành Vật lý đại cƣơng trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã giúp
đỡ tơi trong suốt q trình học tập và làm khóa luận.
Cuối cùng, tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè
đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong q trình học tập để
tơi hồn thành khóa luận này.
Hà Nội, tháng 05 năm 2018
Sinh viên
Đỗ Phương Thảo


LỜI CAM ĐOAN

Dƣới sự hƣớng dẫn của ThS. Hoàng Văn Quyết khóa luận tốt nghiệp đại
học chun ngành Vật lí đại cƣơng với đề tài “Sử dụng tiếng anh cho vật lí
trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lƣu” đƣợc hồn thành bởi chính sự
nhận thức của bản thân, khơng trùng với bất cứ khóa luận nào khác.
Trong khi nghiên cứu khóa luận, tơi đã kế thừa những thành tựu của các
nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn.
Hà Nội, tháng 05 năm 2018
Sinh viên
Đỗ Phương Thảo


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
1.Lí do chọn đề tài..................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu đề tài ................................................................... 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu......................................................... 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................ 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 2
6. Đóng góp của đề tài ............................................................................. 2
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THYẾT.............................................................. 3
1.1.

TĨNH HỌC CHẤT LƢU ................................................................ 3

1.1.1. Một số khái niệm mở đầu ............................................................... 3
1.1.2. Phƣơng trình cân bằng của chất lƣu. .............................................. 4
1.1.3. Sự phân bố áp suất trong chất lƣu................................................... 5
1.1.4. Nguyên lí Pascal. ............................................................................ 6
1.1.5. Định luật Archimedes. .................................................................... 6

1.2.

ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƢU LÍ TƢỞNG. ................................ 7

1.2.1. Một số khái niệm. ........................................................................... 7
1.2.2. Phƣơng trình liên tục....................................................................... 8
1.2.3. Định luật Bernoulli.......................................................................... 9
1.2.4. Hệ quả và ứng dụng của định luật Bernoulli. ............................... 10
1.3.

ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƢU THỰC ....................................... 11

1.3.1. Định luật Poiseuille. ...................................................................... 11
1.3.2. Số Reynolds .................................................................................. 12
1.4.

CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN TRONG CHẤT LƢU ......... 12


1.4.1. Lực cản ma sát .............................................................................. 13
1.4.2. Lực cản áp suất ............................................................................. 13
1.4.3. Lực nâng ....................................................................................... 14
CHƢƠNG 2: PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN CƠ HỌC CHẤT LƢU . 15
2.1. Exercises about pressure and the Pascal’s Principle..................... 15
2.2.

Exercises about buoyancy and Archimedes’s Principle. ............. 19

2.3.

Exercises about fluid flow and the equation of continuity. ......... 23

2.4.

Exercises about Bernoulli’s Equation. .......................................... 25

2.5.

Exercises about Poiseuille’s Equation. ......................................... 28

2.6.

Exercises about friction resistance, pressure resistance, viscosity30

KẾT LUẬN ............................................................................................. 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 37


MỞ ĐẦU
1.Lí do chọn đề tài
Thời đại mà chúng ta đang sống là thời đại phát triển bùng nổ của tri
thức nhân loại. Sống trong thời đại ấy mỗi dân tộc đều phải tìm cách hội nhập.
Khó khăn chung của đại đa số các nƣớc đang phát triển là do điều kiện lịch sử
mang lại, khoảng cách với các nƣớc phát triển khơng những đã lớn mà cịn có
khuynh hƣớng ngày càng lớn hơn và đất nƣớc ta cũng không nằm ngồi
những khó khăn chung đó.Vì vậy để đẩy nhanh tốc độ chúng ta cần phải học
hỏi kinh nghiệm của các nƣớc tiên tiến và vận dụng một cách sáng tạo để tìm
ra con đƣờng phát triển riêng.
Trong chiến lƣợc xây dựng và phát triển, yếu tố đóng vai trị quyết định
sự phát triển thành công là con ngƣời. Với u cầu đào tạo nguồn nhân lực có

trình độ cao đáp ứng với sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc,
giáo dục - đào tạo đang đối mặt với những thách thức lớn điều đó địi hỏi
ngành giáo dục cần tạo ra những bƣớc tiến mới trong sự nghiệp phát triển
giáo dục đào tạo: không ngừng đổi mới giáo dục về cả nội dung, phƣơng pháp
và hình thức tổ chức; chú trọng nâng cao chất lƣợng đào tạo nguồn nhân lực
đặc biệt là nguồn nhân lực chất lƣợng cao nhằm đáp ứng yêu cầu của xã hội.
Cụ thể trong việc Bộ giáo dục xuất bản và đƣa sách song ngữ vào giảng dạy
thay thế cho sách sử dụng tiếng mẹ đẻ trƣớc đây.
Trên thực tế việc lồng ghép tiếng anh vào giảng dạy ở các mơn học nói
chung và mơn vật lý nói riêng thực sự là điều rất cần thiết và trở nên cấp bách
hơn bao giờ hết. Trƣớc những nhu cầu đó của xã hội, tơi quyết định chọn“ Sử
dụng tiếng anh cho vật lý trong phân dạng bài tập phần cơ học chất lƣu” làm
đề t�e speed of blood flow in the major
arteries of the body, which have a total cross-sectional area of about 2.0cm2
Use the data of lesson 2 .
Answer: 0.9 m s .
2.4. Exercises about Bernoulli’s Equation.
Exercise 2.4.1. A 6.0cm diameter horizontal pipe gradually narrows to
4.5 cm. When water flows through this pipe at a certain rate, the gauge

pressure in these two sections is 33.5kPa and 22.6kPa , respectively. What is
the volume rate of flow?

25


Solution
Use the equation of continuity to relate the volume flow of water at the
two locations, and use Bernoulli’s equation to relate the pressure conditions at
the two locations. The two locations are at the same height. Express the

pressures as atmospheric pressure plus gauge pressure. We use subscript 1 for
the larger diameter and subscript 2 for the smaller diameter.

 r12
A1
r12
 A2v2  v2  v1  v1 2  v1 2
Av
1 1
 r2
A2
r2
1
1
P0  P1   v12   gy1  P0  P2   v22   gy2
2
2
1 2
1 2
1 2 r14
 P1   v1  P2   v2  P2   v1 4
r2
2
2
2
 v1 

2  P1  P2 
2  P1  P2 
2




 9.0  103 m3 s .
Av
r
1
1
1
4
4
r

r

  14  1
  14  1
 r2

 r2


Exercise 2.4.2. Estimate the air pressure inside a category 5 hurricane, where
the wind speed is 300km h .
Solution
The

air

pressure

inside

the

hurricane can be estimated by using
Bernoulli’s equation. Assume that the
pressure outside the hurricane is
atmospheric pressure, the speed of the
wind outside the hurricane is 0 , and
the two pressure measurements are
made at the same height.

Fig 2.9

26


1 2
1 2
Pinside   vinside
  gyinside  Poutside   voutside
  gyoutside
2
2
1
2
Pinside  Poutside  air vinside
2
4

 9.7  10 Pa  0.96 atm.

Exercise 2.4.3. What is the lift (in newtons) due to Bernoulli’s principle on a
wing of area 88m2 if the air passes over the top and bottom surfaces at speeds
of 280m s and 150m s respectively?
Solution
The lift force would be the difference in pressure between the two wing
surfaces times the area of the wing surface. The difference in pressure can be
found from Bernoulli’s equation. We consider the two surfaces of the wing to
be at the same height above the ground. Call the bottom surface of the wing
point 1 and the top surface point 2 .
1
1
P1   v12   gy1  P2   v22   gy2
2
2
1
 P1  P2    v22  v12 
2
Flift   P1  P2  Area of wing  


1
  v22  v12  A
2

1
2
2
1.29 kg m3   280 m s   150 m s    88m 2   3.2  106 N .


2

Exercise 2.4.4. A 2.0 N force pushes a syringe plunger of cross-sectional
area 25.0mm2 and forces water out an a  0.010 mm2 needle. What is the
speed of the exiting water?

Fig 2.10

27


Answer: 12.6 m s .
Exercise 2.4.5. What is the volume rate of flow of water from a 1.85cm
diameter faucet if the pressure head is 12.0m ?
Answer: 4.12 103 m3 s .
Exercise 2.4.6. A 180km h wind blowing over the flat roof of a house causes
the roof to lift off the house. If the house is 6.2m 12.4m in size,
estimate the weight of the roof. Assume the roof is not nailed down.
Answer: 1.2 105 N .
2.5. Exercises about Poiseuille’s Equation.
Exercise 2.5.1. What must be the pressure difference between the two ends of
a 1.6km section of pipe, 29cm in diameter, if it is to transport oil

   950 kg

3
m3 ,   0.20 Pa  s  at a rate of 650 cm s ?

Solution

Use Poiseuille’ equation to find the pressure difference.

 R 4  P2  P1 
Q
8l
8Ql
  P2  P1  
 R4


8  650 cm3 s 106 m3 cm3   0.20 Pa  s 1600 m 

  0.145 m 

4

 1198 Pa.

Exercise 2.5.2. A patient is to be given a blood transfusion. The blood is to
flow through a tube from a raised bottle to a needle inserted in the vein (Fig
2.11). The inside diameter of the 25mm long needle is 0.80mm , and the
required flow rate is of blood per minute. How high h should the bottle be

28


placed above the needle? Obtain  and n from the Tables. Assume the blood
pressure is 78 torr above atmospheric pressure.
Solution
The fluid pressure must be 78 torr

higher than air pressure as it exits the
needle so that the blood will enter the vein.
The pressure at the entrance to the needle
must be higher than 78 torr , due to the
viscosity of the blood. To produce that excess
Fig 2.11

pressure, the blood reservoir is placed above

the level of the needle. Use Poiseuille’s equation to calculate the excess
pressure needed due to the viscosity, and then find the height of the blood
reservoir necessary to produce that excess pressure.

 R 4  P2  P1 
8Qblood l
 P2  P1 
 blood g h
Q
 R4
8blood l
 h 

8Qblood l 

 P1 
blood g 
 R 4 
1

 1.04 m

Exercise 2.5.3. A gardener feels it is taking too long to water a garden with a
3
5
- in- diameter hose. By what factor will the time be cut using a - in8
8

diameter hose instead? Assume nothing else is changed.
Solution
From Poiseuille’s equation, the volume flow rate Q is proportional to
R 4 if all other factors are the same. Thus

29

Q V 1

is constant. If the
R4 t R4


volume of water used to water the garden is to be same in both cases, then tR 4
is constant.
4

4

R 
3 8
t1R14  t2 R24  t2  t1  1   t1 
  0.13t1

5
8
R


 2

Thus the time has been cut by 87% .
Exercise 2.5.4. What diameter must a 15.5m long air duct have if the
ventilation and heating system is to replenish the air in a room
8.0 m 14.0 m  4.0 m every 15.0 min? Assume the pump can exert a gauge

pressure of 0.710 103 atm.
Answer: 0.094 m.
Exercise 2.5.5. Engine oil passes through a fine 1.80mm diameter tube that is
10.2cm long. What pressure difference is needed to maintain a flow rate of
6.2 mL / min ?

Answer: 8200 Pa.
Exercise 2.5.6. Assuming a constant pressure gradient, if blood flow is
reduced by 65% , by what factor is the radius of a blood vessel decreased?
Answer: 23%
2.6. Exercises about friction resistance, pressure resistance, viscosity.
Exercise 2.6.1. A lead sphere is steadily sinking in glycerin whose viscosity
is equal to   13.9 P . What is the maximum diameter of the sphere at which
the flow around that sphere still remains laminar? It is known that the
transition to the turbulent flow corresponds to Reynolds number Re  0.5 .
(Here the characteristic length is taken to be the sphere diameter.)
Solution
We have R 

v0 d



30


v is given by :
6 rv 

Thus

4 3
2
1
r    0  g  v     0  gr 2 
   0  gd 2
3
9
18

1
1

   0  g 0 d 3
2
2 18

(   density of lead, 0  density of glycerine)

d  9 2 0    0  g   5.2mm on putting the values.
13

Exercise 2.6.2. Theory: Let us consider a small sphere of diameter about
5mm falling freely through a viscous medium which is the experimental
liquid
Given

r  radius of the sphere

  density of the material of the
sphere

  density of the experimental
Fig 2.12

liquid
Let v be the velocity of the sphere
The force acting on the sphere

1) The weight w  mg acting along vertically downward direction
2) The buoyant forcce B acting along vertically upward direction
3) The viscous force F acting along opposite to the direction of motion
i.e. along vertically upward direction.
Solution
We using stokes formula:
F  6 rv  Kv

Where K  6 r

(1)
(2)

31


Hence the resultant downward force on the sphere

RWBF
R  W  B  Kv
(3)
Initially v  0, R  W  B  0 , thus there is a resultant downward force
due to which the sphere starts falling with an acceleration and the velocity v
increases continuously. As v increases R decreases continuously and
becomes zero. The moment R vanishes acceleration becomes constant, the
sphere continues to fall with velocity  vt  known as terminal velocity.
0  W  B  Kvt
Kvt  W  B

(4)

Thus when V  vt , then R  0
4
W  volume  density  g   r 3  g
3

B  weight of equal volume of liquid

(5)
4 3

r  g
3

(6)

Putting equation  2  ,  5 ,  6  in  4  we get
4
4
6 rvt   r 3  g   r 3 g
3
3
2
2r g     

9vt

(7)

Using equation  7  coefficient of viscosity can be calculated.
Exercise 2.6.3. A tube of length l and radius R carries a steady flow of
fluid whose density is  and viscosity  . The fluid flow velocity depends

r2 

on the distance r from the axis of the tube as v  v0 1  2  . Find:
 R 

32

a) the volume of the fluid flowing across the section of the tube per unit
time;
b) the kinetic energy of the fluid within the tube's volume;
c) the friction force exerted on the tube by the fluid;
d) the pressure difference at the ends of the tube.
Solution
a) Let dV be the volume fowing per second through the cylindrical shell
of thickness dr then,

r2 
r3 


dV   2 r dr  v0 1  2   2 v0  r  2  dr
R 
 R 


The total volume,

r3 
R2  2

 R v0
V  2 v0   r  2 dr  2 v0
R 
4 2
0
R

b) Let, dE be the kinetic energy, within the above cylindrical shell. Then
1
1
 dm  v 2   2 r l d r   v 2
2
2
r2 
1

 2r 3 r 5 
  2 l   r dr v02 1  2    l  v0  r  2  4  dr
R
R 
2
 R 


dT 

Hence, total energy of the fluid,

 R 2  v02
2r 3 r 5 

T   l  v   r  2  4  dr 
6
R
R 
0
R

2
0

33


c) Here frictionl force is the shearing force on the tube, exerted by the
fluid, equals  S

dv
dt

r2 

Given, v  v0 1  2 
 R 
So,

dv
r
 2v0 2
dr
R

And at r  R,

dv
v
 2 0

dr
R

Then, viscoue force is given by,
 dv 
 2v0 
F    2 Rl     2 Rl 
  4 v0l
 dr r  R
 R 

d) Taking a cylindrical shell of thickness dr and radius r viscous force,
F    2 rl 

dv
dr ,

Let p be the pressure difference, then net force on the element
 p r 2  2lr

dv
dr

But, since the flow is steady, Fnet  0

or, p 

dv 2 l r  2v r 



0
l
R2 

dr 


4
v
0
 r2
 r2
R2

2 l r

Exercise 2.6.5. In the arrangement shown in
Fig 2.13 a viscous liquid whose density is

  1.0 g cm3 lows along a tube out of a
wide tank. Find the velocity of the liquid
flow, if h1  10 cm,h 2  20 cm, h3  35 cm . All
the distances l are equal.

Fig 2.13
34


Answer: v  1m s .
Exercise 2.6.6. A steel ball of diameter d  3.0 mm starts sinking with zero

initial velocity in olive oil whose viscosity is   0.90 P . How soon after the
beginning of motion will the velocity of the ball differ from the steady-state
velocity by n  1.0%? Given density of steel 7.8 103 kg m3
Answer: t  

d 2
.ln n
18

35


KẾT LUẬN
Khóa luận: “Sử dụng tiếng anh cho vật lí trong phân dạng bài tập phần
cơ học chất lƣu” đã đƣợc hoàn thành và đảm bảo đƣợc các mục tiêu đề ra :
- Trình bày lại cơ sở lí thuyết về cơ học chất lƣu một cách logic, ngắn
gọn.
- Phân dạng bài tập cơ học chất lƣu bằng tiếng anh gồm 6 dạng trong đó
có bài tập mẫu và bài tập tự giải có đáp số.
Do thời gian và hiểu biết cịn hạn chế nên bài khóa luận này khơng tránh
khỏi những thiếu sót. Vì vậy, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp từ q thầy cơ
và các bạn để để tài đƣợc hoàn thiện hơn.

36


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Đình Trọng, Giáo trình cơ học, Nhà xuất bản đại học sƣ phạm Hà Nội 2
- 2013.
2. Phạm Viết Trinh - Nguyễn Văn Khánh - Lê Văn, Bài tập Vật lý đại cương,

tập 1, Nhà xuất bản giáo dục - 1982.
3. Hana Dobrovolny, Lecture note for Physics 10154: General Physics,
Department of

Physics & Astronomy, Texas Christian University, Fort

Worth, TX, December 3 - 2012.
4. I.E.Irodov, Problems in General Physics, Mir Publishers Moscow - 1981.
5. Hoàng Văn Quyết, General mechanics, Nhà xuất bản đại học sƣ phạm Hà
Nội 2 - 2017.

37