Vật Lí Lớp 12

CHỦ ĐỀ LỚN

Chương I: Vật Lí Nhiệt

Nghiên cứu cấu trúc phân tử của chất, quá trình chuyển thể, nội năng và Định luật I Nhiệt động lực học, các thang đo nhiệt độ, các đại lượng nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hóa hơi riêng.

Mô hình phân tử & Trạng thái vật chất 45 phút

#bai-1

Bài 1: Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể

Mục tiêu bài học: Mô hình cấu trúc chất ở ba thể rắn, lỏng, khí dựa trên lực tương tác phân tử và chuyển động nhiệt; bản chất vật lí của các quá trình chuyển thể.

1. Mô hình cấu trúc của chất ở các thể

Các chất được cấu tạo từ các hạt vi mô (nguyên tử, phân tử, ion) luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. Khoảng cách và lực tương tác giữa các phân tử quyết định trạng thái tồn tại của chất:

Đặc điểm	Thể Rắn	Thể Lỏng	Thể Khí
Khoảng cách phân tử	Rất gần nhau (cỡ kích thước phân tử).	Xa hơn thể rắn, gần hơn thể khí.	Rất lớn so với kích thước phân tử.
Lực tương tác phân tử	Rất mạnh, giữ các phân tử ở vị trí cố định.	Trung bình, yếu hơn thể rắn.	Rất yếu (bỏ qua được khi không va chạm).
Chuyển động phân tử	Dao động quanh VTCB xác định.	Dao động quanh VTCB tạm thời rồi nhảy chỗ.	Chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng.
Hình dạng & Thể tích	Hình dạng và thể tích xác định.	Thể tích xác định, hình dạng của bình chứa.	Không có hình dạng và thể tích xác định.

2. Sự chuyển thể của các chất

Sự chuyển từ thể này sang thể khác của chất xảy ra khi cung cấp hoặc lấy đi nhiệt lượng:

Nóng chảy & Đông đặc: Chuyển từ rắn sang lỏng (thu nhiệt) và ngược lại (tỏa nhiệt). Nhiệt độ nóng chảy bằng nhiệt độ đông đặc ở cùng áp suất.
Hóa hơi & Ngưng tụ: Chuyển từ lỏng sang khí (gồm bay hơi trên bề mặt thoáng ở mọi nhiệt độ và sôi trong toàn bộ khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi) và ngược lại.
Thăng hoa & Ngưng kết: Chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể khí (như băng khô CO₂, iod tuyết) và ngược lại.
Đặc điểm quan trọng: Trong suốt thời gian diễn ra quá trình chuyển thể (nóng chảy, sôi, đông đặc), nhiệt độ của chất tinh khiết không đổi (nhiệt lượng cung cấp chỉ dùng để phá vỡ liên kết cấu trúc giữa các phân tử).

Ghi nhớ trọng tâm

Chất được cấu tạo từ các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn; nhiệt độ càng cao phân tử chuyển động càng nhanh.
Thể rắn có hình dạng và thể tích xác định; thể lỏng có thể tích xác định; thể khí chiếm toàn bộ dung tích bình chứa.
Trong suốt quá trình chuyển thể của chất tinh khiết ở áp suất xác định, nhiệt độ không đổi.

Câu hỏi tự kiểm tra

Đặc điểm nào sau đây là của các phân tử ở thể khí?

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Trong quá trình nóng chảy của một chất rắn kết tinh tinh khiết:

Năng lượng nhiệt & Định luật bảo toàn 45 phút

#bai-2

Bài 2: Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

Mục tiêu bài học: Khái niệm nội năng của vật, hai cách làm biến đổi nội năng (thực hiện công và truyền nhiệt), biểu thức và quy ước dấu của Định luật I Nhiệt động lực học.

1. Khái niệm Nội năng của vật

Định nghĩa: Nội năng (kí hiệu là U) của một vật là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng:

U = E_đ(phân tử) + E_t(tương tác)

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ T (ảnh hưởng động năng phân tử) và thể tích V (ảnh hưởng khoảng cách và thế năng tương tác phân tử): U = f(T, V).
Đối với khí lí tưởng, bỏ qua thế năng tương tác phân tử nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: U = f(T).

2. Các cách làm thay đổi nội năng

Thực hiện công (A): Có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác (cơ năng, điện năng) thành nội năng của hệ hoặc ngược lại. Ví dụ: cọ xát vật lên mặt sàn, nén khí trong xilanh piston.
Truyền nhiệt (Q): Có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác mà không có sự chuyển hóa năng lượng giữa các dạng khác nhau. Ví dụ: thả miếng kim loại nóng vào cốc nước lạnh.
Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng (Q): Q = mcΔT (Jun - J).

3. Định luật I Nhiệt động lực học

Nội dung: Độ biến thiên nội năng của một hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được:

ΔU = A + Q

Đại lượng	Quy ước mang dấu dương (+)	Quy ước mang dấu âm (-)
ΔU	Nội năng của hệ tăng	Nội năng của hệ giảm
Q (Nhiệt lượng)	Hệ nhận nhiệt lượng từ môi trường	Hệ truyền nhiệt lượng ra môi trường
A (Công)	Hệ nhận công từ môi trường (bị nén)	Hệ thực hiện công lên môi trường (dãn nở)

Ghi nhớ trọng tâm

Nội năng U là tổng động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác của các phân tử.
Hai cách làm thay đổi nội năng: thực hiện công và truyền nhiệt.
Định luật I Nhiệt động lực học: ΔU = A + Q (quy ước: nhận là dương, truyền/sinh là âm).

Câu hỏi tự kiểm tra

Một khối khí bị nén trong xilanh nhận một công là 150 J, đồng thời truyền ra môi trường xung quanh một nhiệt lượng 40 J. Độ biến thiên nội năng của khối khí là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một khối khí lí tưởng nhận nhiệt lượng $Q = 100\text{ J}$ từ môi trường và đồng thời thực hiện một công $A' = 40\text{ J}$ đẩy piston di chuyển. Độ biến thiên nội năng $\Delta U$ của khối khí là:

Đo lường trạng thái nhiệt 45 phút

#bai-3

Bài 3: Nhiệt độ, thang nhiệt độ, nhiệt kế

Mục tiêu bài học: Khái niệm nhiệt độ và cân bằng nhiệt, các thang nhiệt độ thông dụng (Celsius, Kelvin) và nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt kế.

1. Trạng thái Cân bằng nhiệt và Khái niệm Nhiệt độ

Khi hai vật tiếp xúc nhiệt với nhau, năng lượng nhiệt truyền tự phát từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau. Trạng thái đó gọi là cân bằng nhiệt.

Nhiệt độ: Là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của vật, phản ánh động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật: Ē_đ = (3/2)kT.
Khi hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt thì nhiệt độ của chúng bằng nhau và không có sự truyền nhiệt ròng giữa chúng.

2. Các Thang đo Nhiệt độ

Thang Celsius (°C):

Quy ước dựa trên hai mốc nhiệt độ của nước tinh khiết ở áp suất tiêu chuẩn (1 atm):

0 °C: Nhiệt độ đóng băng của nước tinh khiết.
100 °C: Nhiệt độ sôi của nước tinh khiết.
Khoảng giữa chia làm 100 phần bằng nhau, mỗi phần là 1 °C.

Thang Kelvin (K) - Nhiệt độ tuyệt đối:

Thang nhiệt độ nhiệt động lực học chuẩn quốc tế SI:

0 K: Điểm độ không tuyệt đối (tại đó động năng chuyển động nhiệt của phân tử triệt tiêu, không thể đạt tới).
273,16 K: Nhiệt độ điểm ba của nước.
Công thức chuyển đổi: T (K) = t (°C) + 273,15 (hoặc làm tròn + 273).
Độ biến thiên nhiệt độ: ΔT (K) = Δt (°C).

3. Nguyên lý hoạt động của các loại Nhiệt kế

Nhiệt kế đo nhiệt độ dựa trên sự thay đổi một tính chất vật lí phụ thuộc vào nhiệt độ:

Nhiệt kế chất lỏng (thủy ngân, rượu): Dựa trên sự dãn nở vì nhiệt của cột chất lỏng trong ống mao dẫn thủy tinh.
Nhiệt kế điện trở / Cặp nhiệt điện: Dựa trên sự thay đổi điện trở kim loại/bán dẫn theo nhiệt độ hoặc xuất hiện suất điện động nhiệt điện.
Nhiệt kế hồng ngoại: Đo bức xạ nhiệt phát ra từ vật mà không cần tiếp xúc trực tiếp (dùng đo trán y tế, kiểm tra nhiệt lò hơi).

Ghi nhớ trọng tâm

Nhiệt độ phản ánh mức độ chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử.
Mối liên hệ giữa thang Celsius và thang Kelvin: T (K) = t (°C) + 273,15; độ biến thiên nhiệt độ ΔT = Δt.
Độ không tuyệt đối (0 K = -273,15 °C) là mốc nhiệt độ thấp nhất trên lý thuyết.

Câu hỏi tự kiểm tra

Nhiệt độ phòng hiện tại là 27 °C. Giá trị tương ứng trong thang nhiệt độ Kelvin là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Nhiệt độ đóng băng của nước tinh khiết ở áp suất tiêu chuẩn là $0^\circ\text{C}$. Theo thang nhiệt độ Kelvin, giá trị này tương ứng với:

Đặc trưng truyền nhiệt chất 45 phút

#bai-4

Bài 4: Nhiệt dung riêng

Mục tiêu bài học: Định nghĩa nhiệt dung riêng của chất, công thức tính nhiệt lượng truyền nhiệt Q = mcΔT và phương pháp thực nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước.

1. Khái niệm Nhiệt dung riêng

Định nghĩa: Nhiệt dung riêng (kí hiệu là c) của một chất là nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất đó để làm cho nhiệt độ của nó tăng thêm 1 °C (hoặc 1 K):

c = Q / (m × ΔT) <=> Q = m × c × ΔT

Đơn vị trong hệ SI: Jun trên kilôgam Kenvin (J/(kg.K)) hoặc J/(kg.°C).
Nhiệt dung riêng đặc trưng cho tính chất của từng chất. Ví dụ: Nước có nhiệt dung riêng rất lớn (c_nước ≈ 4180 J/(kg.K)) nên có vai trò điều hòa khí hậu trái đất và dùng làm chất tải nhiệt trong bộ tản nhiệt động cơ.
Kim loại có nhiệt dung riêng nhỏ (đồng c ≈ 380, nhôm c ≈ 880 J/(kg.K)) nên hấp thụ nhiệt và truyền nhiệt rất nhanh.

2. Thực hành: Đo nhiệt dung riêng của nước

Dụng cụ: Nhiệt lượng kế có vỏ xốp cách nhiệt, biến thế nguồn, dây đun điện trở chìm (công suất P), nhiệt kế hiện số, cân điện tử và đồng hồ bấm giây.

Nguyên lý: Dòng điện chạy qua dây đun tỏa nhiệt năng: Q_cung_cấp = P × t = U × I × t. Bỏ qua nhiệt lượng thất thoát ra môi trường, nhiệt lượng nước hấp thụ: Q_thu = m × c × (T₂ - T₁).

c = (U × I × t) / [m × (T₂ - T₁)]

Ghi nhớ trọng tâm

Nhiệt dung riêng c là nhiệt lượng cần để nâng 1 kg chất lên 1 K: Q = mcΔT.
Nước có nhiệt dung riêng lớn bậc nhất (4180 J/kg.K), đóng vai trò quan trọng trong điều hòa sinh thái.
Phương pháp nhiệt lượng kế dùng định luật Joule - Lenz P.t = mcΔT để đo đạc thực nghiệm.

Câu hỏi tự kiểm tra

Cần cung cấp một nhiệt lượng bao nhiêu để làm nóng 2 kg nước từ 20 °C lên 70 °C? Biết nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/(kg.K).

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Cần cung cấp một nhiệt lượng bằng bao nhiêu để làm nóng $m = 2\text{ kg}$ nước từ $20^\circ\text{C}$ lên $80^\circ\text{C}$, biết nhiệt dung riêng của nước là $c = 4180\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$?

Nhiệt chuyển thể rắn sang lỏng 45 phút

#bai-5

Bài 5: Nhiệt nóng chảy riêng

Mục tiêu bài học: Định nghĩa nhiệt nóng chảy riêng λ của chất rắn kết tinh, công thức Q = λm và thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá.

1. Định nghĩa Nhiệt nóng chảy riêng

Định nghĩa: Nhiệt nóng chảy riêng (kí hiệu là λ - lambda) của một chất rắn kết tinh là nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất đó ở nhiệt độ nóng chảy xác định:

λ = Q / m <=> Q = λ × m

Đơn vị trong hệ SI: Jun trên kilôgam (J/kg).
Ví dụ: Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá ở 0 °C là λ_nước_đá ≈ 3,34 × 10⁵ J/kg = 334 kJ/kg.
Khi một chất đông đặc ở nhiệt độ đông đặc, nó sẽ tỏa ra môi trường đúng một nhiệt lượng bằng nhiệt lượng cần để làm nóng chảy khối chất đó: Q_tỏa = λ × m.

2. Thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá

Cho các viên nước đá nhỏ ở 0 °C vào nhiệt lượng kế chứa nước ấm ở nhiệt độ T₁. Khuấy đều cho đá tan hết đến nhiệt độ cân bằng T_cb.

Phương trình cân bằng nhiệt: Q_tỏa = Q_thu

m_nước × c_nước × (T₁ - T_cb) = m_đá × λ + m_đá × c_nước × (T_cb - 0)

Từ đó suy ra giá trị thực nghiệm của λ và so sánh với giá trị chuẩn 334 kJ/kg.

Ghi nhớ trọng tâm

Nhiệt nóng chảy riêng λ là nhiệt lượng làm nóng chảy 1 kg chất rắn kết tinh ở nhiệt độ nóng chảy: Q = λm.
Đơn vị của λ là J/kg.
Nhiệt độ chất không đổi trong suốt quá trình nóng chảy; nhiệt cung cấp dùng phá vỡ mạng tinh thể.

Câu hỏi tự kiểm tra

Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn 0,5 kg nước đá ở 0 °C thành nước ở 0 °C (biết λ = 3,34.10⁵ J/kg) là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn $m = 0.5\text{ kg}$ nước đá ở $0^\circ\text{C}$ là bao nhiêu, biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $\lambda = 3.34 \times 10^5\text{ J/kg}$?

Nhiệt chuyển thể lỏng sang khí 45 phút

#bai-6

Bài 6: Nhiệt hóa hơi riêng

Mục tiêu bài học: Định nghĩa nhiệt hóa hơi riêng L của chất lỏng ở nhiệt độ sôi, công thức Q = Lm và thực hành đo nhiệt hóa hơi riêng của nước.

1. Khái niệm Nhiệt hóa hơi riêng

Định nghĩa: Nhiệt hóa hơi riêng (kí hiệu là L) của một chất lỏng là nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg chất lỏng đó chuyển hoàn toàn thành thể khí (hơi) ở nhiệt độ sôi xác định:

L = Q / m <=> Q = L × m

Đơn vị trong hệ SI: Jun trên kilôgam (J/kg).
Ví dụ: Nhiệt hóa hơi riêng của nước ở nhiệt độ sôi 100 °C rất lớn: L_nước ≈ 2,26 × 10⁶ J/kg = 2260 kJ/kg.
Khi hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng ở nhiệt độ sôi, nó sẽ giải phóng một nhiệt lượng cực kì lớn ra môi trường, giải thích tại sao bị bỏng hơi nước lại nguy hiểm và nặng hơn nhiều so với bỏng nước sôi ở cùng 100 °C.

2. Thực hành đo nhiệt hóa hơi riêng của nước

Đun nước sôi trong ấm điện đặt trên cân điện tử có độ chính xác 0,01 g. Khi nước bắt đầu sôi đều ở 100 °C:

Bấm đồng hồ bấm giây và ghi nhận khối lượng ban đầu m₁ của ấm nước.
Tiếp tục đun cho nước sôi bốc hơi trong khoảng thời gian t (ví dụ 300 s).
Đọc khối lượng còn lại m₂ trên cân. Khối lượng nước đã hóa hơi: m = m₁ - m₂.
Nhiệt lượng do dây điện trở cung cấp: Q = P × t (với P là công suất ấm điện).
Nhiệt hóa hơi riêng: L = (P × t) / (m₁ - m₂).

Ghi nhớ trọng tâm

Nhiệt hóa hơi riêng L là nhiệt lượng để biến 1 kg chất lỏng thành hơi ở nhiệt độ sôi: Q = Lm (J/kg).
Nhiệt hóa hơi riêng của nước rất lớn (2,26.10⁶ J/kg), hơi nước ngưng tụ tỏa nhiệt lượng cực lớn.
Nhiệt độ chất lỏng giữ không đổi ở nhiệt độ sôi trong suốt quá trình hóa hơi.

Câu hỏi tự kiểm tra

Nhiệt lượng cần cung cấp để làm hóa hơi hoàn toàn 200 g nước ở 100 °C (biết L = 2,26.10⁶ J/kg) là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Nhiệt lượng cần cung cấp để hóa hơi hoàn toàn $m = 1\text{ kg}$ nước ở nhiệt độ sôi $100^\circ\text{C}$ (áp suất tiêu chuẩn), biết nhiệt hóa hơi riêng của nước $L = 2.26 \times 10^6\text{ J/kg}$ là:

Phương pháp giải toán nhiệt học 45 phút

#bai-7

Bài 7: Bài tập vật lí nhiệt

Mục tiêu bài học: Tổng hợp các dạng bài toán: biến thiên nội năng, phương trình cân bằng nhiệt kết hợp biến đổi trạng thái (nóng chảy, hóa hơi) và tính hiệu suất động cơ nhiệt.

1. Phương pháp Giải bài toán Cân bằng nhiệt

Quy tắc tổng quát giải bài toán nhiệt truyền qua lại trong hệ cô lập:

Q_tỏa_ra = Q_thu_vào

Nhiệt lượng làm thay đổi nhiệt độ: Q = mcΔT.
Nhiệt lượng chuyển thể: nóng chảy Q = λm; hóa hơi Q = Lm.
Nếu có hao phí nhiệt ra môi trường hoặc hiệu suất H: H = Q_có_ích / Q_toàn_phần × 100%.

2. Bài toán thực hành mẫu có lời giải

Bài toán: Thả một cục nước đá có khối lượng m₁ = 100 g ở 0 °C vào một cốc chứa m₂ = 300 g nước ở nhiệt độ 40 °C. Bỏ qua nhiệt dung của cốc và sự trao đổi nhiệt với môi trường. Cho c_nước = 4200 J/(kg.K), λ_đá = 3,36.10⁵ J/kg. Hãy xác định nhiệt độ cân bằng của hệ.

Giải:

1. Nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn 100 g đá ở 0 °C thành nước ở 0 °C:
Q₁ = λ × m₁ = 3,36.10⁵ × 0,1 = 33 600 J.

2. Nhiệt lượng cực đại mà 300 g nước tỏa ra khi hạ từ 40 °C xuống 0 °C:
Q_max = m₂ × c_nước × (40 - 0) = 0,3 × 4200 × 40 = 50 400 J.

3. Do Q_max > Q₁, toàn bộ nước đá tan hết và nhiệt độ cân bằng t_cb > 0 °C.

4. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt:
m₂ c (40 - t_cb) = Q₁ + m₁ c (t_cb - 0)
50 400 - 0,3 × 4200 × t_cb = 33 600 + 0,1 × 4200 × t_cb
16 800 = 1680 × t_cb => t_cb = 10 °C.

Kết luận: Nhiệt độ cân bằng của hệ là 10 °C.

Ghi nhớ trọng tâm

So sánh nhiệt lượng nóng chảy Q₁ = λm₁ với nhiệt lượng tỏa ra cực đại để xác định trạng thái cuối của hệ.
Nếu Q_max < Q₁ thì chỉ một phần đá tan và nhiệt độ cân bằng chắc chắn là 0 °C.
Bảo toàn năng lượng nhiệt: tổng nhiệt lượng tỏa ra bằng tổng nhiệt lượng thu vào.

Câu hỏi tự kiểm tra

Thả 100 g nước đá ở 0 °C vào 100 g nước ở 40 °C. Biết c = 4200 J/(kg.K) và λ = 336 kJ/kg. Khối lượng nước đá tan ra là:

CHỦ ĐỀ LỚN

Chương II: Khí Lí Tưởng

Nghiên cứu mô hình động học phân tử chất khí lí tưởng, các định luật thực nghiệm chất khí (Boyle, Charles), phương trình trạng thái Clapeyron - Mendeleev và bản chất vi mô của áp suất, nhiệt độ tuyệt đối.

Thuyết động học phân tử 45 phút

#bai-8

Bài 8: Mô hình động học phân tử chất khí

Mục tiêu bài học: Các luận điểm cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí, định nghĩa khí lí tưởng và so sánh giữa khí thực với khí lí tưởng.

1. Các luận điểm cơ bản của Thuyết động học phân tử chất khí

Chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng (chuyển động nhiệt). Nhiệt độ của chất khí càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh.
Khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử khí va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình chứa, gây nên áp suất chất khí lên thành bình.

2. Định nghĩa Khí lí tưởng

Khí lí tưởng là một mô hình đơn giản hóa của chất khí thực thỏa mãn hai giả thiết:

1. Kích thước phân tử: Được coi như một chất điểm (thể tích riêng của các phân tử không đáng kể so với thể tích bình chứa).

2. Tương tác phân tử: Bỏ qua lực tương tác hút và đẩy giữa các phân tử khi chúng ở xa nhau; các phân tử chỉ tương tác với nhau khi va chạm đàn hồi trong khoảng thời gian rất ngắn.

Khí thực ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất thấp (như không khí xung quanh) có thể coi gần đúng là khí lí tưởng.

Ghi nhớ trọng tâm

Chất khí cấu tạo từ các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng.
Áp suất chất khí sinh ra do các phân tử va chạm liên tục lên thành bình.
Khí lí tưởng coi phân tử là chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm đàn hồi.

Câu hỏi tự kiểm tra

Trong mô hình khí lí tưởng, các phân tử khí được coi là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Trong mô hình động học phân tử chất khí, nhận định nào sau đây là KHÔNG chính xác đối với khí lí tưởng?

Quá trình đẳng nhiệt 45 phút

#bai-9

Bài 9: Định luật Boyle

Mục tiêu bài học: Khái niệm quá trình đẳng nhiệt, định luật Boyle về mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của một lượng khí xác định, dạng đường đẳng nhiệt trên đồ thị (p, V).

1. Quá trình Đẳng nhiệt và Định luật Boyle

Quá trình đẳng nhiệt: Là quá trình biến đổi trạng thái của một khối khí mà nhiệt độ T được giữ không đổi.

Nội dung Định luật Boyle (Bôi-lơ): Ở nhiệt độ không đổi, áp suất của một lượng khí xác định tỉ lệ nghịch với thể tích của nó:

p ∝ 1/V <=> p × V = hằng số

p₁ × V₁ = p₂ × V₂

Trong đó: p là áp suất (Pa, N/m², bar, atm, mmHg), V là thể tích (m³, lít, cm³). Cần cùng đơn vị ở hai vế.

2. Đường Đẳng nhiệt trên các hệ tọa độ

Trong hệ tọa độ (p, V): Đường đẳng nhiệt là một nhánh của đường hypebol. Đường ứng với nhiệt độ T₂ cao hơn nằm ở phía trên đường ứng với nhiệt độ T₁ thấp hơn (T₂ > T₁).
Trong hệ tọa độ (p, T) và (V, T): Đường đẳng nhiệt là đường thẳng vuông góc với trục nhiệt độ OT.

Ghi nhớ trọng tâm

Định luật Boyle cho quá trình đẳng nhiệt (T = const): p.V = const hay p₁V₁ = p₂V₂.
Khi thể tích giảm một nửa thì áp suất tăng gấp đôi.
Đồ thị đẳng nhiệt trong hệ tọa độ (p, V) là đường hypebol.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một khối khí lí tưởng có thể tích 6 lít ở áp suất 1 atm được nén đẳng nhiệt đến thể tích 2 lít. Áp suất mới của khối khí là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một khối khí lí tưởng có thể tích ban đầu $V_1 = 4\text{ lít}$ ở áp suất $p_1 = 1\text{ bar}$. Giữ nhiệt độ không đổi (quá trình đẳng nhiệt), nén khối khí đến thể tích $V_2 = 2\text{ lít}$. Áp suất $p_2$ sau khi nén là:

Quá trình đẳng áp 45 phút

#bai-10

Bài 10: Định luật Charles

Mục tiêu bài học: Khái niệm quá trình đẳng áp, định luật Charles về mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối, đồ thị đường đẳng áp.

1. Quá trình Đẳng áp và Định luật Charles

Quá trình đẳng áp: Là quá trình biến đổi trạng thái của một khối khí mà áp suất p được giữ không đổi.

Nội dung Định luật Charles (Sác-lơ): Khi áp suất của một lượng khí xác định không đổi, thể tích của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó:

V / T = hằng số <=> V₁ / T₁ = V₂ / T₂

LƯU Ý RẤT QUAN TRỌNG: Nhiệt độ trong công thức bắt buộc phải tính theo thang Kelvin (T = t + 273), tuyệt đối không dùng nhiệt độ Celsius (°C).

2. Đường Đẳng áp trên đồ thị

Trong hệ tọa độ (V, T): Đường đẳng áp là một đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ O (0 K). Đoạn gần gốc tọa độ vẽ bằng nét đứt vì ở nhiệt độ quá thấp khí sẽ hóa lỏng.
Đường đẳng áp ứng với áp suất p₂ nhỏ hơn sẽ dốc hơn (nằm phía trên) đường ứng với áp suất p₁ lớn hơn.
Trong hệ tọa độ (p, V) hoặc (p, T): Đường đẳng áp là đường thẳng vuông góc với trục áp suất Op.

Ghi nhớ trọng tâm

Định luật Charles cho quá trình đẳng áp (p = const): V / T = const hay V₁/T₁ = V₂/T₂.
Bắt buộc đổi nhiệt độ sang thang Kelvin: T (K) = t (°C) + 273.
Đường đẳng áp trong hệ (V, T) là đường thẳng có đường kéo dài đi qua gốc tọa độ O.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một khối khí có thể tích 4 lít ở 27 °C. Đun nóng đẳng áp khối khí đến nhiệt độ 127 °C thì thể tích mới của khối khí là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một khối khí lí tưởng có thể tích $V_1 = 3\text{ lít}$ ở nhiệt độ $T_1 = 300\text{ K}$ ($27^\circ\text{C}$). Giữ áp suất không đổi (quá trình đẳng áp), đun nóng khối khí đến $T_2 = 400\text{ K}$. Thể tích $V_2$ của khối khí là:

Phương trình Clapeyron - Mendeleev 45 phút

#bai-11

Bài 11: Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Mục tiêu bài học: Tổng hợp các định luật thực nghiệm thành phương trình trạng thái khí lí tưởng, hằng số khí lí tưởng R và phương trình Clapeyron - Mendeleev.

1. Phương trình Trạng thái Khí lí tưởng

Xét một lượng khí xác định chuyển từ trạng thái 1 (p₁, V₁, T₁) sang trạng thái 2 (p₂, V₂, T₂) bất kì:

(p₁ × V₁) / T₁ = (p₂ × V₂) / T₂ = hằng số

Khi T₁ = T₂ (đẳng nhiệt) => suy ra Định luật Boyle: p₁V₁ = p₂V₂.
Khi p₁ = p₂ (đẳng áp) => suy ra Định luật Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂.
Khi V₁ = V₂ (đẳng tích) => suy ra Định luật Gay-Lussac: p₁/T₁ = p₂/T₂.

2. Phương trình Clapeyron - Mendeleev

Đối với một lượng khí có khối lượng m, khối lượng mol M (số mol n = m / M):

p × V = n × R × T = (m / M) × R × T

Trong đó:

p: Áp suất đo bằng Paxcan (Pa = N/m²).
V: Thể tích đo bằng mét khối (m³) (1 m³ = 1000 lít).
R: Hằng số khí lí tưởng: R ≈ 8,31 J/(mol.K).
T: Nhiệt độ tuyệt đối đo bằng Kelvin (K).

Ghi nhớ trọng tâm

Phương trình trạng thái tổng quát: (p₁V₁)/T₁ = (p₂V₂)/T₂.
Phương trình Clapeyron - Mendeleev: pV = nRT = (m/M)RT với R = 8,31 J/(mol.K).
Bao hàm tất cả các đẳng quá trình: đẳng nhiệt (T=const), đẳng áp (p=const), đẳng tích (V=const).

Câu hỏi tự kiểm tra

Ở điều kiện chuẩn nhiệt độ T = 273 K và áp suất p = 1,013.10⁵ Pa, thể tích của 1 mol khí lí tưởng chiếm khoảng:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng (phương trình Clapeyron - Mendeleev) cho $n\text{ mol}$ khí là:

Kỹ năng chuyên đề chất khí 45 phút

#bai-12

Bài 12: Bài tập về khí lí tưởng

Mục tiêu bài học: Phương pháp giải bài toán biến đổi trạng thái qua đồ thị chu trình nhiệt động, tính khối lượng riêng khí và bài toán cắm ống thủy tinh vào thủy ngân.

1. Phương pháp Giải bài toán Chu trình Khí lí tưởng

Xác định các thông số trạng thái: Lập bảng liệt kê (p, V, T) tại từng trạng thái 1, 2, 3... Đổi tất cả nhiệt độ sang Kelvin (K), đồng nhất đơn vị áp suất và thể tích.
Nhận diện tên đẳng quá trình:
- Từ 1 → 2: Đẳng nhiệt (T = const) => p₁V₁ = p₂V₂.
- Từ 2 → 3: Đẳng tích (V = const) => p₂/T₂ = p₃/T₃.
- Từ 3 → 1: Đẳng áp (p = const) => V₃/T₃ = V₁/T₁.
Chuyển đổi đồ thị giữa các hệ trục: Từ (p, V) sang (V, T) hoặc (p, T).

2. Bài toán mẫu có lời giải chi tiết

Bài toán: Một bình kín dung tích 20 lít chứa khí oxy ở áp suất 10 atm và nhiệt độ 27 °C. Do bình bị hở nên sau một thời gian, áp suất giảm xuống còn 4 atm và nhiệt độ là 7 °C. Khối lượng mol của oxy là M = 32 g/mol. Hãy tính khối lượng khí oxy đã thoát ra ngoài bình.

Giải:

Đổi: V = 20 lít = 0,02 m³; p₁ = 10 atm = 10,13.10⁵ Pa; T₁ = 27 + 273 = 300 K; p₂ = 4 atm = 4,052.10⁵ Pa; T₂ = 7 + 273 = 280 K.

Khối lượng khí ban đầu trong bình:
m₁ = (p₁ × V × M) / (R × T₁) = (10,13.10⁵ × 0,02 × 32) / (8,31 × 300) ≈ 260,2 g.

Khối lượng khí còn lại trong bình:
m₂ = (p₂ × V × M) / (R × T₂) = (4,052.10⁵ × 0,02 × 32) / (8,31 × 280) ≈ 111,5 g.

Khối lượng khí oxy đã thoát ra ngoài:
Δm = m₁ - m₂ = 260,2 - 111,5 = 148,7 g.

Đáp số: Khối lượng oxy thoát ra là 148,7 g.

Ghi nhớ trọng tâm

Vận dụng linh hoạt công thức m = pVM / (RT) để tính khối lượng khí.
Quy tắc chuyển trục đồ thị: đường đẳng áp trong (V, T) qua O; đường đẳng tích trong (p, T) qua O; đường đẳng nhiệt trong (p, V) là hypebol.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một lượng khí lí tưởng thực hiện chu trình: đẳng nhiệt dãn nở gấp đôi thể tích, sau đó đẳng tích làm áp suất tăng gấp ba. Áp suất cuối cùng so với ban đầu bằng:

Vi mô và Vĩ mô 45 phút

#bai-13

Bài 13: Áp suất khí theo mô hình động học phân tử. Động năng phân tử và nhiệt độ

Mục tiêu bài học: Biểu thức áp suất chất khí theo mật độ và vận tốc căn quân phương của phân tử; mối liên hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối và động năng chuyển động nhiệt trung bình.

1. Biểu thức Áp suất chất khí theo quan điểm vi mô

Bằng việc tính toán động lượng truyền cho thành bình khi các phân tử va chạm đàn hồi, ta tìm được công thức áp suất khí:

p = (1/3) × μ × m × v̄² = (2/3) × n₀ × Ē_đ

n₀ = N / V: Mật độ phân tử chất khí (số phân tử trong một đơn vị thể tích m³).
m: Khối lượng của một phân tử khí (kg).
v̄²: Trung bình của bình phương tốc độ phân tử.
Ē_đ = (1/2) m v̄²: Động năng tịnh tiến trung bình của một phân tử khí.

2. Mối liên hệ giữa Động năng phân tử và Nhiệt độ tuyệt đối

Đối chiếu giữa công thức áp suất vi mô và phương trình trạng thái khí lí tưởng vĩ mô, ta thu được hệ thức nền tảng:

Ē_đ = (3/2) × k × T

k = R / N_A ≈ 1,38 × 10⁻²³ J/K: Hằng số Boltzmann.
Ý nghĩa vật lí sâu sắc: Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T của chất khí mà không phụ thuộc vào loại khí (khí nhẹ hay khí nặng ở cùng nhiệt độ đều có cùng động năng trung bình).
Nhiệt độ tuyệt đối là thước đo động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử. Tại 0 K, mọi chuyển động nhiệt của phân tử triệt tiêu.

Ghi nhớ trọng tâm

Áp suất tỉ lệ thuận với mật độ phân tử và động năng phân tử: p = (2/3) n₀ Ē_đ.
Động năng chuyển động nhiệt trung bình: Ē_đ = (3/2)kT với k = 1,38.10⁻²³ J/K.
Nhiệt độ tuyệt đối T là thước đo trực tiếp của động năng chuyển động phân tử.

Câu hỏi tự kiểm tra

Nếu nhiệt độ tuyệt đối của một khối khí lí tưởng tăng lên gấp đôi thì động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử khí sẽ:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Theo thuyết động học phân tử, động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử khí lí tưởng tỉ lệ thuận với:

CHỦ ĐỀ LỚN

Chương III: Từ Trường

Nghiên cứu tương tác từ, cảm ứng từ và lực từ Ampere, hiện tượng cảm ứng điện từ (Faraday, Lenz), nguyên lý các thiết bị thực tế (đàn guitar điện, máy biến áp, máy phát điện xoay chiều) và trường điện từ Maxwell.

Không gian từ & Đường sức từ 45 phút

#bai-14

Bài 14: Từ trường

Mục tiêu bài học: Bản chất của từ trường, tương tác giữa nam châm và dòng điện, quy ước cực từ, đường sức từ và từ trường của Trái Đất.

1. Khái niệm Từ trường và Tương tác từ

Từ trường: Là một dạng vật chất đặc biệt tồn tại trong không gian xung quanh nam châm hoặc dòng điện (hạt điện tích chuyển động).

Tính chất cơ bản của từ trường: Tác dụng lực từ lên một nam châm khác hoặc một dòng điện khác đặt trong nó.
Tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện, dòng điện với dòng điện đều gọi là tương tác từ.
Cực từ của kim nam châm thử: Kim nam châm tự do trong từ trường luôn định hướng xác định: cực Bắc (N - North) và cực Nam (S - South). Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ cân bằng tại điểm đó.

2. Đường sức từ và Từ trường Trái Đất

Đường sức từ: Là những đường vẽ trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

Quy ước chiều: Đi ra từ cực Bắc và đi vào ở cực Nam của nam châm ("Vào Nam Ra Bắc").
Các đường sức từ là các đường cong khép kín (hoặc vô hạn ở hai đầu) => Từ trường là một trường xoáy.
Từ trường Trái Đất: Trái Đất hoạt động như một thanh nam châm khổng lồ. Cực từ Bắc nằm gần cực Nam địa lí; cực từ Nam nằm gần cực Bắc địa lí. Nhờ từ trường Trái Đất, kim la bàn luôn chỉ hướng Bắc và tạo nên lá chắn từ quyển bảo vệ sinh quyển khỏi gió Mặt Trời mang bão hạt bức xạ.

Ghi nhớ trọng tâm

Từ trường tồn tại xung quanh nam châm và dòng điện; tác dụng lực từ lên nam châm và dòng điện khác.
Đường sức từ là đường cong kín, quy ước: Vào cực Nam, Ra cực Bắc.
Trái Đất là một nam châm khổng lồ bảo vệ sự sống khỏi bức xạ vũ trụ.

Câu hỏi tự kiểm tra

Đặc điểm nào sau đây KHÔNG PHẢI là tính chất của các đường sức từ?

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Đặc điểm cơ bản của các đường sức từ trong từ trường là:

Định luật Ampere & Vectơ cảm ứng từ 45 phút

#bai-15

Bài 15: Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ

Mục tiêu bài học: Biểu thức độ lớn và chiều của lực từ Ampere tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện, định nghĩa vectơ cảm ứng từ B và quy tắc bàn tay trái.

1. Vectơ Cảm ứng từ B⃗

Cảm ứng từ: Là đại lượng vectơ đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực từ:

Đơn vị chuẩn của cảm ứng từ trong hệ SI là Tesla (kí hiệu là T): 1 T = 1 N / (A.m).
Hướng của vectơ B⃗ trùng với hướng của từ trường tại điểm đó (tiếp tuyến với đường sức từ).

2. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện (Định luật Ampere)

Một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài L mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B⃗:

F = B × I × L × sinα

Trong đó α = (B⃗, I⃗) là góc hợp bởi chiều dòng điện và vectơ cảm ứng từ.

Quy tắc bàn tay trái xác định chiều của Lực từ F⃗:

Đặt bàn tay trái xòe rộng sao cho: các đường sức từ B⃗ đâm xuyên vào lòng bàn tay; chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa chỉ theo chiều dòng điện I⃗; khi đó ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ F⃗ tác dụng lên đoạn dây.

Ghi nhớ trọng tâm

Độ lớn lực từ Ampere: F = B.I.L.sinα (N).
Lực cực đại khi dây dẫn vuông góc với đường sức từ (α = 90° => F_max = BIL); lực bằng 0 khi dây dẫn song song với đường sức từ (α = 0° hoặc 180°).
Quy tắc bàn tay trái: B đâm vào lòng bàn tay, ngón tay theo I, ngón cái choãi 90° chỉ chiều lực F.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một đoạn dây dẫn dài 0,2 m mang dòng điện 5 A đặt vuông góc với các đường sức từ của một từ trường đều B = 0,4 T. Lực từ tác dụng lên đoạn dây có độ lớn là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một đoạn dây dẫn thẳng dài $L = 0.2\text{ m}$ mang dòng điện $I = 4\text{ A}$ đặt vuông góc với vectơ cảm ứng từ đều $B = 0.5\text{ T}$. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn bằng:

Định luật Faraday & Định luật Lenz 45 phút

#bai-16

Bài 16: Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Mục tiêu bài học: Định nghĩa từ thông Φ qua mặt phẳng khung dây kín, hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Faraday về độ lớn suất điện động và định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.

1. Khái niệm Từ thông

Từ thông (Φ): Đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua một diện tích S kín đặt trong từ trường:

Φ = B × S × cosα

α = (B⃗, n⃗) là góc giữa vectơ cảm ứng từ và vectơ pháp tuyến dương n⃗ của mặt phẳng khung dây.
Nếu khung dây có N vòng: Φ = N × B × S × cosα.
Đơn vị chuẩn của từ thông là Vêbe (Wb): 1 Wb = 1 T × 1 m².

2. Hiện tượng Cảm ứng điện từ & Định luật Lenz

Hiện tượng: Mỗi khi từ thông qua mạch kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch kín đó xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này chỉ tồn tại trong suốt khoảng thời gian từ thông biến thiên.

Định luật Lenz (Lơ-xơ) về chiều dòng điện cảm ứng:

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch:

Khi từ thông qua mạch tăng lên (ΔΦ > 0), từ trường cảm ứng B⃗_c ngược chiều với từ trường ngoài B⃗ để hãm sự tăng.
Khi từ thông qua mạch giảm xuống (ΔΦ < 0), từ trường cảm ứng B⃗_c cùng chiều với từ trường ngoài B⃗ để bù đắp sự giảm.

3. Định luật Faraday về Suất điện động cảm ứng

Nội dung: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch:

e_c = - (ΔΦ / Δt) => Độ lớn: |e_c| = |ΔΦ / Δt|

Dấu trừ (-) trong công thức thể hiện đúng tinh thần của Định luật Lenz.

Ghi nhớ trọng tâm

Từ thông qua khung dây: Φ = N.B.S.cos(B⃗, n⃗) (Wb).
Hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện khi và chỉ khi từ thông biến thiên theo thời gian.
Định luật Lenz: dòng điện cảm ứng luôn chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
Định luật Faraday: |e_c| = |ΔΦ / Δt| (V).

Câu hỏi tự kiểm tra

Từ thông qua một khung dây kín giảm đều từ 1,2 Wb xuống 0,2 Wb trong khoảng thời gian 0,1 giây. Độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Khung dây phẳng diện tích $S = 0.05\text{ m}^2$ đặt trong từ trường đều $B = 0.2\text{ T}$. Góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ và vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ là $\alpha = 60^\circ$. Từ thông qua khung dây là:

Ứng dụng cảm ứng điện từ 45 phút

#bai-17

Bài 17: Đàn ghi ta điện. Máy biến áp

Mục tiêu bài học: Nguyên lý cảm biến pickup trên đàn guitar điện, cấu tạo máy biến áp, công thức biến đổi điện áp và truyền tải điện năng đi xa.

1. Nguyên lý hoạt động của Đàn Guitar điện

Dưới mỗi dây đàn bằng thép hoặc niken của đàn guitar điện có lắp một bộ cảm biến từ tính gọi là pickup:

Pickup gồm một nam châm vĩnh cửu nhỏ được quấn quanh bởi hàng ngàn vòng dây đồng mảnh. Nam châm làm từ hóa một đoạn dây đàn nằm ngay phía trên nó.
Khi gảy đàn, dây kim loại dao động làm khoảng cách giữa dây và cuộn dây thay đổi liên tục, khiến từ thông qua cuộn cảm biến biến thiên tuần hoàn theo đúng tần số âm thanh của dây đàn.
Hiện tượng cảm ứng điện từ làm xuất hiện một suất điện động xoay chiều cùng tần số trong cuộn dây. Tín hiệu điện này sau đó được truyền đến bộ khuếch đại (Amplifier) và loa phát ra âm thanh.

2. Cấu tạo và Công thức của Máy biến áp

Máy biến áp: Thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số của dòng điện.

Cấu tạo: Gồm một lõi thép khép kín (ghép từ các lá thép kĩ thuật điện cách điện với nhau để giảm dòng điện xoáy Foucault) và hai cuộn dây quấn có số vòng khác nhau: cuộn sơ cấp (N₁ vòng, điện áp U₁) và cuộn thứ cấp (N₂ vòng, điện áp U₂).
Công thức biến áp lí tưởng (bỏ qua hao phí năng lượng):
U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁
Nếu N₂ > N₁ => U₂ > U₁: Máy tăng áp.
Nếu N₂ < N₁ => U₂ < U₁: Máy hạ áp.

3. Truyền tải điện năng đi xa

Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây truyền tải điện có điện trở R là: ΔP = R × (P² / U²).

Để giảm hao phí ΔP trên đường dây tải điện dài hàng trăm kilômét, giải pháp tối ưu nhất là sử dụng máy biến áp để tăng điện áp U lên rất cao trước khi truyền đi (khi U tăng n lần thì công suất hao phí giảm n² lần), sau đó dùng máy hạ áp hạ điện áp xuống 220 V trước khi đưa vào các hộ tiêu thụ.

Ghi nhớ trọng tâm

Pickup guitar điện ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ biến dao động cơ học thành tín hiệu điện âm tần.
Máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều theo tỉ lệ số vòng dây: U₁/U₂ = N₁/N₂.
Tăng điện áp truyền tải U lên n lần thì hao phí nhiệt trên đường dây giảm n² lần.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm 1000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 200 vòng. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp điện áp xoay chiều 220 V thì điện áp ở hai đầu cuộn thứ cấp là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp $N_1 = 1000\text{ vòng}$ và cuộn thứ cấp $N_2 = 200\text{ vòng}$. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp điện áp xoay chiều $U_1 = 220\text{ V}$ thì điện áp hai đầu cuộn thứ cấp để hở là:

Năng lượng điện xoay chiều 45 phút

#bai-18

Bài 18: Máy phát điện xoay chiều

Mục tiêu bài học: Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều từ chuyển động quay trong từ trường, cấu tạo rotor - stator và nguyên lý máy phát điện 1 pha, 3 pha.

1. Nguyên tắc tạo ra Suất điện động xoay chiều

Cho một khung dây kín diện tích S gồm N vòng quay đều với tốc độ góc ω quanh một trục vuông góc với các đường sức của từ trường đều B⃗:

Từ thông qua khung tại thời điểm t biến thiên điều hòa: Φ = N B S cos(ωt + φ).
Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây là:
e = -Φ' = ω N B S sin(ωt + φ) = E₀ cos(ωt + φ - π/2)
Suất điện động cực đại: E₀ = ω N B S. Suất điện động hiệu dụng: E = E₀ / √2.

2. Cấu tạo Máy phát điện xoay chiều

Máy phát điện xoay chiều 1 pha:

Gồm 2 bộ phận chính:

Phần cảm (tạo ra từ trường): Là nam châm (vĩnh cửu hoặc điện).
Phần ứng (tạo ra dòng điện): Là các cuộn dây dẫn.
Một phần quay (Rôto) và một phần đứng yên (Stato).
Tần số dòng điện phát ra: f = n × p (n là số vòng quay/giây, p là số cặp cực).

Hệ thống điện xoay chiều 3 pha:

Gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trên stato, một nam châm quay ở rôto:

Tạo ra 3 suất điện động cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch pha nhau 2π/3:
e₁ = E₀ cos(ωt)
e₂ = E₀ cos(ωt - 2π/3)
e₃ = E₀ cos(ωt + 2π/3)
Ưu điểm: Tiết kiệm dây dẫn truyền tải và tạo ra từ trường quay làm động cơ hoạt động mạnh mẽ.

Ghi nhớ trọng tâm

Suất điện động xoay chiều tạo ra nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ: e = E₀ cos(ωt + φ).
Suất điện động cực đại: E₀ = ωNBS; giá trị hiệu dụng E = E₀ / √2.
Tần số dòng điện máy phát 1 pha: f = n.p (Hz).
Hệ 3 pha gồm 3 dòng điện xoay chiều lệch pha nhau 2π/3.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một máy phát điện xoay chiều một pha có rôto gồm 4 cặp cực từ, quay với tốc độ 750 vòng/phút. Tần số của dòng điện do máy phát ra là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều trong máy phát điện xoay chiều dựa trên hiện tượng:

Thuyết trường Maxwell 45 phút

#bai-19

Bài 19: Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

Mục tiêu bài học: Hai luận điểm thế kỉ của Maxwell về điện từ trường biến thiên, mối quan hệ hữu cơ giữa điện trường xoáy và từ trường biến thiên, mô hình bức xạ sóng điện từ.

1. Hai Luận điểm nền tảng của Maxwell

Luận điểm 1 (Về từ trường biến thiên):

Tại nơi nào có một từ trường biến thiên theo thời gian, thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy (điện trường có đường sức là những đường cong khép kín).

Luận điểm 2 (Về điện trường biến thiên):

Tại nơi nào có một điện trường biến thiên theo thời gian, thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường xoáy (từ trường biến thiên luôn có đường sức khép kín bao quanh đường sức điện).

Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên không tồn tại riêng rẽ độc lập mà là hai mặt thống nhất của một thực thể vật chất duy nhất gọi là Điện từ trường (Electromagnetic field).

2. Mô hình Lan truyền Sóng điện từ

Khi một điện tích dao động, nó tạo ra điện trường biến thiên → sinh ra từ trường biến thiên → lại sinh ra điện trường biến thiên lan truyền dần ra xa trong không gian dưới dạng sóng điện từ:

Sóng điện từ lan truyền trong chân không với vận tốc ánh sáng c = 3.10⁸ m/s.
Tại mỗi điểm sóng truyền qua, vectơ cường độ điện trường E⃗ và vectơ cảm ứng từ B⃗ luôn dao động cùng pha, vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.
Sóng điện từ mang năng lượng tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số (W ∝ f⁴).

Ghi nhớ trọng tâm

Từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy; điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy.
Điện từ trường là thể thống nhất của điện trường và từ trường.
Sóng điện từ là điện từ trường biến thiên lan truyền trong không gian với tốc độ c ≈ 3.10⁸ m/s.

Câu hỏi tự kiểm tra

Theo thuyết điện từ trường của Maxwell, phát biểu nào sau đây là ĐÚNG?

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Theo thuyết điện từ của Maxwell, mối quan hệ giữa điện trường và từ trường biến thiên là:

CHỦ ĐỀ LỚN

Chương IV: Vật Lí Hạt Nhân

Nghiên cứu cấu tạo hạt nhân nguyên tử, năng lượng liên kết và độ hụt khối, các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân, hiện tượng phân rã phóng xạ tự nhiên và các ứng dụng đột phá của công nghiệp hạt nhân trong đời sống.

Cấu tạo & Lực hạt nhân 45 phút

#bai-20

Bài 20: Cấu trúc hạt nhân

Mục tiêu bài học: Thành phần cấu tạo hạt nhân (proton, neutron, nucleon), kí hiệu hạt nhân, khái niệm đồng vị, đơn vị khối lượng nguyên tử amu và bản chất của lực tương tác hạt nhân mạnh.

1. Cấu tạo và Kí hiệu Hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử nằm ở tâm nguyên tử, có kích thước rất nhỏ (bán kính cỡ 10⁻¹⁵ m = 1 fm) nhưng chiếm hơn 99,9% khối lượng của toàn bộ nguyên tử.

Hạt nhân được cấu tạo từ các hạt cơ bản gọi chung là nucleon, gồm:
- Proton (p): Mang điện tích nguyên tố dương q_p = +e = +1,6.10⁻¹⁹ C; khối lượng m_p ≈ 1,00728 u.
- Neutron (n): Không mang điện tích (q_n = 0); khối lượng m_n ≈ 1,00866 u.
Kí hiệu hạt nhân: Hạt nhân của nguyên tố X được kí hiệu là ^A_Z X.
- Z: Số proton trong hạt nhân (còn gọi là số nguyên tử hay điện tích hạt nhân, xác định vị trí trong bảng tuần hoàn Mendeleev).
- A: Số khối (tổng số nucleon trong hạt nhân: A = Z + N, với N là số neutron).

2. Đồng vị và Đơn vị Khối lượng Nguyên tử (amu)

Đồng vị: Là những nguyên tử có cùng số proton Z (cùng thuộc một nguyên tố hóa học) nhưng có số neutron N khác nhau (dẫn tới số khối A khác nhau). Ví dụ: Hydro có 3 đồng vị: Hydro thường (¹₁H), Doteri (²₁H hay D), và Triti (³₁H hay T). Cacbon có đồng vị ¹²₆C, ¹⁴₆C.
Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu hay u): Bằng đúng 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon ¹²₆C:
1 u = 1,66054 × 10⁻²⁷ kg ≈ 931,5 MeV/c².

3. Lực hạt nhân (Tương tác mạnh)

Các proton đều tích điện dương nên đẩy nhau rất mạnh bằng lực tĩnh điện Coulomb. Để giữ các proton và neutron liên kết chặt chẽ thành một hạt nhân bền vững, phải tồn tại một lực hút cực mạnh gọi là lực hạt nhân (lực tương tác mạnh):

Lực hạt nhân không có bản chất tĩnh điện và không phải là lực hấp dẫn. Nó mạnh hơn lực điện khoảng 100 lần.
Bán kính tác dụng rất ngắn: Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng khi khoảng cách giữa các nucleon xấp xỉ kích thước hạt nhân (r ≤ 10⁻¹⁵ m = 1 - 2 fm). Vượt quá khoảng cách này, lực hạt nhân giảm nhanh chóng về 0.

Ghi nhớ trọng tâm

Hạt nhân ^A_Z X gồm Z proton và N = A - Z neutron.
Đồng vị là các hạt nhân có cùng Z nhưng khác A (khác số neutron).
Đơn vị khối lượng u: 1 u ≈ 1,66.10⁻²⁷ kg ≈ 931,5 MeV/c².
Lực hạt nhân là lực tương tác mạnh, có bán kính tác dụng rất ngắn (~10⁻¹⁵ m).

Câu hỏi tự kiểm tra

Hạt nhân nguyên tử Urani ²³⁸₉₂U có cấu tạo gồm:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Hạt nhân nguyên tử $^{238}_{92}\text{U}$ có cấu tạo gồm:

Hệ thức Einstein & Độ hụt khối 45 phút

#bai-21

Bài 21: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

Mục tiêu bài học: Hệ thức năng lượng Einstein E = mc², khái niệm độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng; các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.

1. Hệ thức Einstein giữa Khối lượng và Năng lượng

Theo thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, một vật có khối lượng m thì luôn chứa một năng lượng nghỉ tương ứng:

E = m × c²

Trong đó c ≈ 3.10⁸ m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không. Năng lượng nghỉ ứng với 1 u là: E = 1 u × c² ≈ 931,5 MeV.

2. Độ hụt khối, Năng lượng liên kết và Năng lượng liên kết riêng

Độ hụt khối (Δm): Thực nghiệm chứng minh khối lượng m_hn của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon riêng rẽ tạo nên nó. Hiệu số đó gọi là độ hụt khối:
Δm = [Z × m_p + (A - Z) × m_n] - m_hn > 0.
Năng lượng liên kết (E_lk): Năng lượng cần cung cấp để tách hạt nhân thành các nucleon riêng rẽ (hoặc năng lượng tỏa ra khi các nucleon liên kết tạo thành hạt nhân):
E_lk = Δm × c² = {[Z m_p + (A - Z) m_n] - m_hn} × c² (đơn vị: MeV hoặc J).
Năng lượng liên kết riêng (E_lkr): Năng lượng liên kết tính trung bình cho một nucleon:
E_lkr = E_lk / A (đơn vị: MeV/nucleon).
- Ý nghĩa quan trọng: Năng lượng liên kết riêng là đại lượng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân. E_lkr càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.
- Các hạt nhân có số khối trung bình (trong khoảng 50 < A < 80 như Sắt ⁵⁶₂₆Fe, Niken ⁶⁰₂₈Ni) có E_lkr lớn nhất (~8,8 MeV/nucleon), bền vững nhất trong tự nhiên.

3. Các Định luật Bảo toàn trong Phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng: ^A1_Z1 A + ^A2_Z2 B → ^A3_Z3 C + ^A4_Z4 D. Luôn tuân theo 4 định luật bảo toàn cốt lõi:

1. Bảo toàn số khối (số nucleon):
A₁ + A₂ = A₃ + A₄

2. Bảo toàn điện tích (nguyên tử số):
Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

3. Bảo toàn động lượng:
p⃗_A + p⃗_B = p⃗_C + p⃗_D

4. Bảo toàn năng lượng toàn phần:
Bao gồm cả năng lượng nghỉ và động năng.

Lưu ý: Trong phản ứng hạt nhân KHÔNG CÓ định luật bảo toàn khối lượng nghỉ và không có bảo toàn số hạt proton hay neutron riêng rẽ.

Ghi nhớ trọng tâm

Hệ thức Einstein: E = mc². Độ hụt khối Δm = [Z.m_p + (A-Z)m_n] - m_hn.
Năng lượng liên kết E_lk = Δm.c²; Năng lượng liên kết riêng E_lkr = E_lk / A đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.
Các hạt nhân có số khối 50 < A < 80 (như Fe-56) bền vững nhất.
4 định luật bảo toàn: số nucleon, điện tích, động lượng và năng lượng toàn phần.

Câu hỏi tự kiểm tra

Đại lượng nào sau đây đặc trưng cho mức độ bền vững của một hạt nhân nguyên tử?

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Năng lượng liên kết hạt nhân được giải phóng khi các nucleon riêng rẽ liên kết tạo thành hạt nhân được tính bằng công thức:

Phân rã tự nhiên & Chu kì bán rã 45 phút

#bai-22

Bài 22: Hiện tượng phóng xạ

Mục tiêu bài học: Khái niệm phóng xạ, bản chất các tia phóng xạ (alpha, beta, gamma), định luật phân rã phóng xạ, chu kì bán rã và phương pháp định tuổi cổ vật bằng Carbon-14.

1. Khái niệm và Các loại Tia Phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ: Là quá trình một hạt nhân không bền vững (hạt nhân mẹ) tự phát phân rã, biến đổi thành một hạt nhân khác (hạt nhân con) và phát ra các tia bức xạ gọi là tia phóng xạ. Quá trình phóng xạ mang tính ngẫu nhiên và không phụ thuộc vào các tác nhân bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, môi trường hóa học).

Tia phóng xạ	Bản chất hạt & Điện tích	Khả năng đâm xuyên & Ion hóa
Tia Alpha (α)	Dòng hạt nhân Hêli ⁴₂He; điện tích +2e; tốc độ v ≈ 2.10⁷ m/s.	Khả năng ion hóa rất mạnh; khả năng đâm xuyên yếu (bị chặn bởi tờ giấy vài mm không khí).
Tia Beta âm (β⁻)	Dòng electron ⁰₋₁e; điện tích -e; tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.	Ion hóa trung bình; đâm xuyên khá (bị chặn bởi lá nhôm dày vài mm).
Tia Beta dương (β⁺)	Dòng pozitron (phản hạt electron) ⁰₊₁e; điện tích +e.	Tương tự tia β⁻; nhanh chóng hủy hạt với electron tạo thành photon gamma.
Tia Gamma (γ)	Sóng điện từ bước sóng cực ngắn (photon năng lượng cao); không mang điện.	Khả năng đâm xuyên cực kì mạnh (chỉ bị cản bởi lớp chì dày hàng chục cm hoặc khối bê tông dày).

2. Định luật Phân rã Phóng xạ

Chu kì bán rã (T): Là khoảng thời gian để một nửa số hạt nhân phóng xạ ban đầu của một khối chất bị phân rã biến đổi thành chất khác.

Biểu thức số hạt nhân còn lại N(t) và khối lượng chất phóng xạ còn lại m(t) sau thời gian t:

N(t) = N₀ × 2^(-t/T) = N₀ × e^(-λt)

m(t) = m₀ × 2^(-t/T) = m₀ × e^(-λt)

λ = ln2 / T ≈ 0,693 / T: Hằng số phóng xạ (đặc trưng cho từng chất phóng xạ, đơn vị s⁻¹).
Số hạt nhân đã bị phân rã: ΔN = N₀ - N(t) = N₀ [1 - 2^(-t/T)].
Ứng dụng định tuổi bằng đồng vị Cacbon ¹⁴₆C: Chu kì bán rã T = 5730 năm của C-14 cho phép các nhà khảo cổ học xác định chính xác niên đại của các cổ vật hữu cơ, di chỉ khảo cổ sinh vật hàng ngàn năm tuổi.

Ghi nhớ trọng tâm

Phóng xạ là quá trình hạt nhân tự phát phân rã phát ra bức xạ; không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất.
Bản chất: tia α là hạt nhân He-4; tia β là dòng electron/pozitron; tia γ là sóng điện từ năng lượng cao.
Định luật phân rã: N(t) = N₀.2^(-t/T) với hằng số phóng xạ λ = ln2 / T.

Câu hỏi tự kiểm tra

Một chất phóng xạ có chu kì bán rã T = 10 ngày. Sau 30 ngày, tỉ lệ phần trăm số hạt nhân phóng xạ còn lại so với ban đầu là:

Câu hỏi tự kiểm tra (Câu 2)

Một chất phóng xạ có chu kì bán rã $T = 8\text{ ngày}$. Ban đầu có khối lượng $m_0 = 100\text{ g}$. Sau thời gian $t = 24\text{ ngày}$, khối lượng chất phóng xạ còn lại chưa bị phân rã là:

Năng lượng & Ứng dụng thế kỉ 45 phút

#bai-23

Bài 23: Công nghiệp hạt nhân

Mục tiêu bài học: Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch, nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân, an toàn bức xạ và ứng dụng y tế, công nghiệp.

1. Phân hạch và Nhiệt hạch

Phản ứng Phân hạch (Fission):

Hạt nhân nặng (như ²³⁵₉₂U, ²³⁹₉₄Pu) hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ thành 2 hạt nhân mảnh trung bình và giải phóng 2 - 3 neutron mới cùng năng lượng khổng lồ (~200 MeV/phân hạch):

¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + 3 ¹₀n + ~200 MeV

Các neutron sinh ra tiếp tục kích hoạt phản ứng dây chuyền. Trong nhà máy điện hạt nhân, thanh điều khiển hấp thụ neutron (Cadimi hoặc Bo) giữ hệ số nhân neutron k = 1 để phản ứng diễn ra có kiểm soát.

Phản ứng Nhiệt hạch (Fusion):

Hai hạt nhân rất nhẹ (như Doteri ²₁H và Triti ³₁H) kết hợp lại với nhau ở nhiệt độ siêu cao (hàng trăm triệu độ C) tạo thành hạt nhân He nặng hơn:

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 MeV

Là nguồn năng lượng duy trì sự tỏa sáng của Mặt Trời và các ngôi sao. Nhiệt hạch là nguồn năng lượng sạch vô tận của tương lai (không phát thải khí nhà kính, nhiên liệu dồi dào trong nước biển).

2. Nhà máy Điện Hạt nhân và An toàn Bức xạ

Nhà máy điện hạt nhân: Nhiệt lượng khổng lồ giải phóng từ lò phản ứng phân hạch đun sôi nước tạo hơi áp suất cực cao làm quay tuabin máy phát điện xoay chiều. Điện hạt nhân đóng góp tỉ trọng lớn năng lượng sạch, không phát thải CO₂.
Ứng dụng trong y học:
- Chẩn đoán hình ảnh: Kĩ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET Scan) dùng đồng vị phóng xạ F-18 để phát hiện khối u ung thư giai đoạn sớm.
- Điều trị ung thư: Xạ trị bằng đồng vị Coban ⁶⁰₂₇Co phát tia gamma tiêu diệt tế bào ác tính.
An toàn bức xạ: Tuân thủ nghiêm ngặt nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable): giảm thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách nguồn và dùng tấm chắn chì bảo hộ chuyên dụng.

Ghi nhớ trọng tâm

Phân hạch là hạt nhân nặng vỡ thành 2 mảnh nhẹ hơn (nhiên liệu U-235).
Nhiệt hạch là hai hạt nhân nhẹ tổng hợp thành hạt nhân nặng hơn ở nhiệt độ cực cao (nhiên liệu H-2, H-3).
Năng lượng hạt nhân cung cấp điện năng sạch công suất lớn và ứng dụng y tế cứu người (PET Scan, xạ trị ung thư).

Câu hỏi tự kiểm tra

Trong lò phản ứng hạt nhân của nhà máy điện, các thanh điều khiển (chứa Bo hoặc Cadimi) có tác dụng gì?